地下连续墙开洞及加固的工艺优化

叶 平 杨 帆

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

近年来，随着节能环保理念的深入以及碳达峰、碳中和理念的提出，伴随着特大型城市超高层、大型城市综合体的建设，采用能源中心集中式供能更能适应发展趋势，但对于已建成围护结构，在地下连续墙上没有预留能源管套管，如何在确保安全及使用功能，尤其是防止结构渗漏水的前提下，完成围护结构开洞加固并进行大管径能源管的敷设是一项难题[1-6]。本文结合上海世博会地区A片区“绿谷一期”地下空间工程项目的实际案例，对不同施工方法进行总结分析。

1 工程概况

1.1 项目背景

世博A片区规划范围总用地面积85.54万 m2，规划地上总建筑面积112.35万 m2，其中规划新建地上商办建筑面积为92.75万 m2。为提升区域的总体能效水平，发展低碳能源，满足该区域内商业、文化娱乐、酒店公寓等建筑、知名企业总部和国际一流的商务街区的冷、热负荷需求，拟在博青路和博展路地下建设以天然气为燃料、冷热电联产的分布式能源站。

能源站的冷热能供能范围为世博A片区内云台路以东的所有公共建筑，供能范围为图1中的红色区域，此区域内的供能面积约为111.3万 m2。

图1 能源中心供能范围及地理位置示意

能源中心规划的位置在博青路和博展路地下，正位于负荷中心地带。为方便叙述及以后运行管理，将位于博青路地下的能源站命名为“能源中心东站”；位于博展路地下的能源站命名为“能源中心西站”。能源中心东站和西站，建筑面积各约19 500 m2，其中，机房建筑面积各约5 000 m2，蓄能水槽建筑面积各约14 500 m2。2个能源站共同分担整个A片区内规划的111.3万 m2建筑空调冷热负荷。能源中心东站和能源中心西站的冷热能供应管连通，两站建成后联合运行、互为备用，可以增加供能安全；网管连通也有利于分期开发。

能源东站位于上海市世博会A片区绿谷一期项目地下室，博成路以南、白莲泾路以西、国展路以北、高科西路以东，基坑用地面积38 000 m2。基坑各区域开挖深度在11.40～18.60 m之间。基坑东、西、北三侧环境保护等级为一级，南侧为三级。基坑围护均采用地下连续墙，其中东、北、西三侧墙厚1 000 mm，南侧和中隔墙厚800 mm。

由于地下空间先行开工建设，能源中心方案在地下空间完成后才正式确定，导致围护地下连续墙上未预留套管，根据片区的整体供能方案，本工程内能源中心东站的出户管均横穿周边市政道路的地下，连通各用户地块，从而实现向用户地块的空调冷热源供能。因此，用户管都必须通过在地下连续墙上开洞实现出户，共涉及9组，合计36个孔。

1.2 同类型案例

经过与上海同类型案例比较，在地下连续墙上开洞进行大直径出户管穿管的案例较少，类似案例仅有上海市第一人民医院排水改造，在地下连续墙上进行2 000 mm×2 000 mm尺寸的结构开洞，其余大部分案例均为地下空间与地铁车站以及地下连通道互相连通，对地下连续墙进行整体开洞和加固，与本项目的工况存在较大的差异，不具备参考价值。

1.3 工程难点

1.3.1 工况条件复杂

出户管点位多，且较为分散、相互独立，各点位的埋深及结构开孔尺寸不尽相同，深度1.9～5.2 m不等，功能管水平中心间距从1 400～2 480 mm不等，同时各组地下连续墙开洞位置涉及地块内地下连续墙分幅、构造柱位置、地下室结构位置等不同的边界条件和地块外市政道路管线影响出户套管位置等因素，导致各组地下连续墙开洞加固的工况及条件均不同，且相对独立，需对每一组结合现场实际情况进行深化。

1.3.2 渗漏水风险大

由于各出户管均位于侧墙，根据上海地区区域地质资料，上海地区第四系松散沉积物厚200～300 m，地下水类型主要为松散岩类孔隙水。潜水一般分布于浅部土层中，浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表0.3～1.5 m，年平均地下水水位离地表0.5～0.7 m。

由于潜水与大气降水和地表水的关系十分密切，水位呈季节性波动。因此，潜水水位的高低主要取决于降水量的大小和降水持续时间。所有出户管埋深全部位于潜水水位以下，长期使用会造成套管与结构接口处的渗漏水风险增大。

1.3.3 工序衔接工期要求高

各出管户均要横穿现有市政道路，需整体封闭市政道路。根据工序条件，待外部基坑完成后，方可进行地下连续墙的开洞及加固。

因此，选择的施工工艺需要尽可能地缩短施工周期，确保后续能源管施工的条件，减少基坑暴露以及道路封闭的影响。

2 方案比较

原设计方案以4个洞为一组整体开洞后进行结构加固，在洞口上方增加1 000 mm×600 mm结构暗梁和450 mm×800 mm结构明梁。洞口下方同上方做法，增加1 000 mm×600 mm结构暗梁和450 mm×800 mm结构明梁，洞口两侧增加1 000 mm×500 mm结构暗柱和700 mm×600 mm结构明柱。

地下连续墙整体矩形开洞尺寸平均达到7 000 mm×2 200 mm，对原有的围护和结构受力会产生较大的影响，因此还需要考虑整体结构受力，通过新增结构柱向下传力至B2层结构板。这意味着在洞口结构加固时，还需对原结构进行加固以满足结构受力的要求。同时穿墙套管采用可调式热力套管，钢管直径与套管直径具体如表1所示。

表1 钢管直径与套管直径对照

3 风险分析

经过对设计方案以及施工工况的分析，并核对现场情况后，以典型的开洞尺寸较大的6#口为例，原方案实施过程中主要存在以下几方面风险。

3.1 安全风险

4根出墙管从左到右排列分别为2根DN350供水管和2根DN250回水管，根据05R410图集以及表1所列，对应的套管直径分别为DN760和DN682，管中心间距依次为1 700、2 350、1 550 mm。

考虑洞口两侧各有1根宽500 mm的结构暗柱，开洞横向尺寸将达到7 321 mm，已超过单幅地下连续墙6 000 mm的宽度，造成上端地下连续墙整体悬空，对围护结构的稳定性会造成不可控的影响。

3.2 渗漏水风险

受制于施工工艺以及现场施工工作面的影响，若根据原设计方案进行施工，将会存在3处渗漏水隐患。

3.2.1 新旧混凝土交界面处渗漏水隐患

首先，原方案设计时仅考虑通过在新旧混凝土交界面处增加遇水膨胀止水带作为防渗漏措施，以过往大量的施工经验可知，遇水膨胀止水带并不是一种十分保险的止水措施，尤其是在潜水水位以下作为新旧混凝土间仅有的止水措施，后期风险相当大。

其次，由于在洞口需要增加暗梁和明梁，导致结构梁断面尺寸达到1 300 mm×450 mm和1 300 mm×800 mm的变截面梁，且受制于洞口上方原地下连续墙和侧模影响，不同于地下连通道，洞口墙体及新增结构梁需同时浇筑。同时，为了保证混凝土的整体性宜进行整体浇筑，浇筑高度约为2 000 mm，新浇结构混凝土在浇筑时无振捣操作空间，仅能通过自密实混凝土自下而上的浇筑来保证新旧混凝土交界面处的密实。

3.2.2 预埋套管与新浇混凝土交界面处渗漏水隐患

不同于地下连通道，能源套管预埋定位完成后，原凿除地下连续墙均需两侧支模重新浇筑新墙，套管与新浇混凝土墙间仅通过止水套环进行防水，同时由于套管直径较大，相互间距最小处仅为300 mm，易产生蜂窝麻面。

3.2.3 能源管与预埋套管间渗漏水隐患

能源管外包橡塑保温材料，与套管壁之间为柔性连接，容易由于两侧不均匀沉降导致能源管与预埋套管间产生渗漏水通道。

3.3 工期风险

为了减少市政道路基坑的暴露风险，结构开洞与加固时间务必越短越好。根据原方案，大部分工期为新增结构梁、柱、墙钢筋绑扎及混凝土养护，仅结构开洞和加固的施工绝对工期预计需要至少50 d，基坑暴露风险以及道路占路影响较大。

4 方案优化

综合分析上述存在的相关风险，在考虑施工成本等各方面因素并复核结构受力后，以加快施工、减少湿作业和养护、降低渗漏水风险为主要思路，对原方案整体进行优化改进，创新提出以整体钢套筒结合双侧粘钢加固的施工工艺。

钢套管及粘钢钢板均采用厚20 mm的Q345B钢，钢套管与钢板满焊。为防止渗漏水，钢套管增加2道50 mm×5 mm止水环和2道四周兜通的遇水膨胀止水条，钢套管与原地下连续墙结构间内灌A级结构胶，粘钢采用M16化学螺栓20 mm×20 mm布置。该施工工艺相较于原工艺的最大优势在于大大减少了地下连续墙的开洞量，仅需根据套管尺寸进行圆形开洞。

4.1 工艺流程

室外基坑开挖至工作面→地下连续墙结构开洞→钢套管安装→粘钢螺栓孔定位→钢板安装→化学螺栓安装→钢板封口→注胶→钢板打磨除锈→刷环氧富锌底漆→刷环氧云铁中间漆→表面刷超薄型防火涂料→钢丝网＋水泥砂浆防护

4.2 施工方案

4.2.1 地下连续墙开洞

1）定位放线，水钻切割地下连续墙，钻孔前在原墙体内侧设置高200 mm挡墙。

2）在内墙上安装钻孔用型钢（采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm型钢），型钢根据钻孔直径加工。

3）安装钻孔机，接水电排孔施工，加工钻孔前每块混凝土块上安装φ20 mm的U形圆钢吊环。

4）控制混凝土分块质量最大不超过1 t，利用汽车吊吊运至地面。洞口内壁采用空压机凿除平整并清理干净。

4.2.2 钢套管安装

利用手拉葫芦自楼板面提升钢套管，将套管提升至洞口上方，人工将套管平移至洞内。根据设计标高调整套筒位置，上下左右均采用200 mm×200 mm×10 mm钢楔固定牢固。

4.2.3 粘钢螺栓孔定位

在混凝土墙上定出螺栓孔位置进行钻孔，根据实际钻孔位置放出钢板上螺栓孔位，再进行钻孔并清理干净。

4.2.4 钢板、化学螺栓安装

钢板吊装参照套管施工方法，钢板采用膨胀螺栓临时固定，调整好后采用化学螺栓固定。按新纵向钢筋位置定位后用电锤钻孔，清孔处理后注入植筋胶插入钢筋。

4.2.5 钢板封口

钢板与套筒焊接牢固（钢板安装前，开设45°坡口），钢板四周采用封口胶或水泥砂浆进行密封。

4.2.6 注胶和刷漆

1）封闭后应进行压气试漏，检查密闭效果，试漏需待封缝胶泥或砂浆有一定强度时进行，试漏前沿四周涂1层肥皂水，从灌浆嘴通入压缩空气。凡漏气处，应予修补密封至不漏为止。

2）灌浆前用压缩空气将缝隙吹干净，采用单孔灌浆，注胶孔预留钢板下端（上端预留排气孔），自下往上注胶，灌浆时待排气嘴出浆时立即关闭转心阀，按此顺序进行，化学浆液的灌浆压力为0.2 MPa。压力应逐渐升高，防止骤然加压，达到规定压力后，应保持压力稳定，以满足灌浆要求。

3）当吸浆率小于0.1 L/min时，再继续压注几分钟即可关掉进浆嘴上的转芯阀门停止灌浆。

4）将混凝土表面清理干净，保持混凝土表面光洁、平整。在粘贴钢板部位用脱脂棉蘸丙酮擦拭干净，待粘贴面完全干燥后备用。

5）钢板打磨清除，刷防锈漆和防火涂料。

5 方案对比

在传统的地下连续墙开洞及结构加固工艺中，不必要的结构凿除和新浇筑混凝土工作量巨大，同时二次混凝土浇筑对渗漏水的预防也极为不利。通过整体钢套筒结合双侧粘钢加固的施工工艺，从工程量、安全、工期、质量、经济性等各方面的实际施工效果，对比原工艺进行分析，可得出以下结论。

5.1 工程量

根据原工艺施工单组洞口地下连续墙开洞工程量约为21 m3，而能源管套管所需开洞工程量仅为8.5 m3，实际有效的开洞施工仅占约40%，剩余地下连续墙开洞工程量大部分为新增结构暗柱及暗梁，均为无效施工。而新工艺仅对套管所需的预留位置进行开洞，相较原工艺开洞体积减小约60%，避免了原工艺的无效施工。同时，由于新工艺不存在新浇混凝土结构和新增结构柱等混凝土结构加固措施，单组洞口节约混凝土约28.1 m3。

5.2 安全性

由于原施工工艺矩形开洞体积大，同时改变了原有的受力结构，需先进行结构加固后，方可开洞。此外，由于水平尺寸超过单幅地下连续墙宽度，导致部分地下连续墙整体悬空，为确保上部地下连续墙的稳定性，施工期间必须采取临时支撑措施，施工安全风险较大。

新工艺为地下连续墙开洞，为较为常规的做法，且由于开洞尺寸较小，圆形洞口受力较矩形洞口更优。经过复核计算，施工期间仅需避开地下连续墙接缝位置，即可满足结构受力需求，无需进行临时支撑，安全风险较原工艺大大降低。

5.3 工期

原工艺由于施工工作量大，并要现场进行暗柱、暗梁钢筋绑扎和混凝土浇筑，从单组洞口结构加固施工养护完成，到具备移交后续能源管穿管条件至少需要50 d，工期延长势必影响基坑安全。

根据现场实际施工统计，新工艺的钢套管及粘钢钢板均提前在外场进行成品加工，单组洞口从地下连续墙开洞至粘钢结束并完成防锈漆及防腐漆涂刷共需10 d，仅为原工艺的1/5，极大地缩短了工期，减少了基坑暴露的时间，降低了安全风险。

5.4 质量

质量的对比主要体现在渗漏水防治方面。

原工艺存在大量的新旧混凝土接缝，单个洞口总长约为19 m，且防水措施仅为2道遇水膨胀止水条。同时，原工艺的开洞范围过大，易产生不均匀沉降，导致套管与接口处渗漏水。

新工艺避免了混凝土接缝的问题，并在原有的2道遇水膨胀止水条的基础上，增加了2道环形止水钢板。同时，A级结构胶在小范围的缝隙空间内抗冲、抗压、抗剪切强度和黏结性、延展性等各方面指标均优于混凝土，注胶施工不会造成混凝土施工中常见的由于混凝土自身特性或振捣不到位所导致的空鼓，有效避免了抗渗漏性能的降低。经过至今1年多的长期观察，仅在能源管和钢套管间由于内外的不均匀沉降有部分渗漏现象，钢套管与地下连续墙结构间未发生漏水现象，对于整体结构渗漏的防治效果还是较好的。

5.5 经济性

经过核算，整体9组洞口在经济性方面均为200万元左右，原工艺受制于工况条件和施工工序，人工费及措施费相对较高，而对比新工艺主要为A级结构胶的组成，材料费占比较高。

6 结语

综上所述，针对原有常规的结构开洞混凝土结构加固施工工艺与整体钢套筒结合双侧粘钢加固的施工工艺，从各方面对比后可得出，2个方案在费用大致等同的情况下，新工艺在各方面均远优于原工艺，尤其是在工期及防渗漏水方面，其大大简化了施工流程并缩短了基坑暴露时间，可有效规避施工安全风险和结构渗漏水的质量风险。

随着上海目前城市更新的加速和节能环保理念的深入，能源中心集中供能也将更为普遍，但受制于开发时序，不可避免地会发生地下连续墙后开洞的问题。以绿谷一期项目为例，初次尝试采用整体钢套筒结合双侧粘钢加固的施工工艺，取得的效果还是很好的。同时，越来越多的建筑将会进行功能性的改造，尤其是地下室市政管线改造，也可推广尝试使用类似的施工工艺，以达到安全、可靠、经济的目的。