市政管网工程沟槽开挖支护方式造价对比分析

钟明璐,白治军,张生龙

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014;2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

随着生态文明建设加快推进,实现完成黑臭水体治理目标,市政管网工程建设占据着越来越重要的地位[1]。市政管网建设资金主要来源于国家投入和地方资金筹措,对于管网改扩建工程可使用资金有限,经济合理的施工方案成为控制市政管网工程造价的重要因素[2]。结合市政管网工程的特点,管网工程施工方式一般以明挖为主。目前常用的管道明挖方式有放坡开挖和支护开挖,其中支护开挖又有板式支护开挖、槽钢支护开挖和钢板桩支护开挖。沟槽开挖贯穿着工程建设全过程,对工程造价有着直接影响。本文以浏阳市某河流域排水片区雨污分流工程为例,在保证沟槽开挖施工质量及安全的前提下,比较同一开挖深度下不同支护方式对应管网沟槽开挖的工程造价,分析在不同开挖深度下各支护方式的经济合理性,为类似的市政管网工程的管道敷设施工方案提供借鉴。

1 市政管网工程沟槽开挖支护方式案例分析

1.1 项目概况

浏阳市某河流域排水片区雨污分流工程主要针对浏阳市主城区的排水系统进行完善,削减排入浏阳河及其支流的污染物,实现浏阳河出境断面水质的提升。本工程为浏阳市综合整治项目的重要组成部分,主要建设内容有:现状截流总管改迁工程和雨污混接改造及污水管网建设工程。本项目管网总长约15 km,明挖长度约为11 km,顶管长度约为4 km,施工方式主要为明挖和顶管。开挖段地层多为原状土层黏土、粉砂层,管道埋深2～7 m不等,管道采用高密度聚乙烯缠绕结构壁管B型管、Ⅱ级钢筋混凝土管和Ⅲ级钢筋混凝土管。

1.2 沟槽支护形式

沟槽开挖形式的选择,应根据管道埋深、施工场地条件、地质情况、工期要求等因素综合考虑而确定,并通过经济比较、可行性、安全性等分析研究,选择最合适的施工方法。

1.2.1放坡开挖

在明挖施工中,使沟槽土体在开挖后无加固无支撑情况下,依靠土体本身的强度,在新的平衡状态下取得边坡稳定的效果,给管道敷设提供可靠、安全的作业空间,又能同步保证沟槽周边的构筑物环境不受影响或者满足预定的变化要求,这类没有支护措施下的沟槽开挖工艺通常称作“放坡开挖”。放坡开挖技术应用中,需要较大的土方回填量,将开挖深度控制在7 m内,通常情况下,当其深度超过4 m时,就需要采用多级放坡的方式,有效降低危险状况的发生几率[3]。放坡开挖适用于场地开阔,周边没有高大的建筑物、地下管线相距较远,对位移变形要求不严格,新建道路或农田附近的工程项目,放坡开挖如图1所示。

1.2.2板式支护开挖

板式支护开挖适用于开挖深度小于2 m的沟槽,市政管网工程明挖段用使用竹夹板支护开挖,采取分段方式施工,按50 m一个开挖段,单段开挖不得超过6 m,待管道施工完毕回填后再施工下一管段。开挖时,自上往下开挖,板式支护每隔300 mm设置竹夹板挡土及支撑顶紧后,方可继续挖土,再支撑,如此继续,直至形成设计基坑,然后进行验槽、敷设管道,继而拆除横撑和板桩进行土方回填。若竹夹板与后背土接触不密实,须填灌砂使其密实[4]。下支撑尽量靠近基底,但两支撑间距不得超过1 m。基坑开挖需设置排水沟,并及时排走积水。横撑须与立柱顶紧,并用楔块等牢靠固定,直至基坑回填完毕。施工过程中可能会出现填土层存在碎石以致竹夹板无法打入的情况,应根据现场实际情况调整立柱及横撑间距或者局部改用槽钢支护,板式支护如图2所示。

1.2.3槽钢支护开挖

槽钢支护开挖适用于开挖深度约在2～3.5 m。市政管网工程明挖段用槽钢支护开挖方式进行施工,常规采用槽钢28a,桩长6 m,分段施工方式,原则上按50 m一个开挖段。在槽钢打入施工过程中,为了减少噪声,应使用单独打入法施工,即一根槽钢打入后,将其与前一根槽钢焊接在一起,避免出现倾斜等问题。当槽钢存在倾斜问题时,使用钢丝绳稳定桩身,一边拉着桩身一边打入施工。钢槽拔出后会带出部分基坑土,应使用灌砂方式进行处理,保障其压实度[5]。在围檩和横撑拆除施工过程中,先进行回填,并按照自下而上的顺序进行拆除,槽钢支护如图3、4所示。

图3 槽钢支护平面 单位:mm

图4 槽钢支护 单位:mm

1.2.4钢板桩支护开挖

钢板桩支护适用于开挖深度约在3～6 m范围[6]。市政管网工程明挖段用拉森钢板桩支护开挖方式进行施工,采用拉森钢板桩,桩长9 m或12 m。采用分段施工方式,原则上按50 m一个开挖段,可用屏风式打入法施工。在拉森钢板桩打入完成后,进行开挖,且以开挖深度为依据,对内支撑进行施工。开挖至地面下0.5 m位置施加第1道横向支撑。若沟槽开挖深度大于4 m时,开挖至桩顶以下2.5 m位置施加第二道横撑,上部支撑施工完成后,才能对下部进行开挖施工[7]。当沟槽开挖深度大于3.5 m且小于5 m时,采用桩长9 m拉森钢板桩;当沟槽开挖深度大于5 m且小于6 m时,采用桩长12 m拉森钢板桩。拉森钢板桩支护如图5、6所示。

图5 拉森钢板桩支护 单位:mm

图6 拉森钢板桩支护平面 单位:mm

2 市政管网工程沟槽开挖支护方式造价分析

本工程管线多位于市政路上,道路交通繁忙,部分管线两边建筑密集,现状道路下敷设有电力、通讯、给水和路灯线等管线,地形起伏大,土层软硬交替,地质条件复杂。为方便施工,降低交通疏解难度,除采用顶管施工的主干管外,其余管线铺设需采取明挖方式。明挖方式的选择需考虑经济性、可行性和安全性等因素。

经济性方面,分析在不同开挖深度下如何合理选择施工工艺。明挖方式可采用放坡开挖、板式支护开挖、槽钢支护开挖和钢板桩支护开挖,比较同一开挖深度下不同支护方式对应的沟槽开挖的工程造价,选择更为经济的施工方法。

采用沟槽支护开挖方式,工序包括拆除路面、土方开挖、弃方外运、沟槽支护、管基砌筑、管道敷设、沟槽回填、路面恢复等;若采用沟槽放坡开挖方式,其工序与支护开挖方式差异在于缺少沟槽支护。

雨污水管道在片区内市政道路下敷设需要开挖大量路面。根据路面形式可分为沥青路面、混凝土路面;根据道路宽度及功能可分为主干道路、次干道路、支路及人行道。道路恢复按照原状破除时结构层恢复。沟槽的开挖采用以机械为主并以人工相结合的方法进行,弃方外运采用智能环保渣土车运输,管道基础及回填按CJJ 143-2010《埋地塑料排水管工程技术规程》、06MS201《市政排水管道工程及附属设施》及GB 50268-2008《给水排水管道施工及验收规范》要求实施。管槽采用中粗砂垫层整平,开挖管段均采用360°砂石基础,中粗砂回填至与管顶齐平,管顶以上50 cm采用石屑回填,再采用易于压实的素土分层回填至路面层底部,夯实后每层厚100～200 mm,压实度应满足路基要求。管道基础及回填做法如图7所示。

图7 管道基础及回填做法 单位:mm

以DN500高密度聚乙烯缠绕结构壁管B型管,检查井布设按每间隔30 m一座,道路破除及恢复厚度均按市政主干路水泥混凝土路面0.6 m厚(见图8),弃方外运运距按10 km,沟槽开挖深度分别为1.3、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m为例[8],测算各工序造价指标,明挖各施工工序全费用单价分析见表1。

表1 明挖各施工工序全费用单价分析

图8 混凝土路面修复

根据工程建设项目设计原则和《湖南省市政工程消耗量标准》工程量计算规则,建设项目的沟槽放坡开挖原则有:① 开挖深度在1.2～1.5 m,放坡开挖坡比按1∶0.75计算;② 开挖深度在1.5～2.0 m,放坡开挖坡比按1∶0.67计算;③ 开挖深度在2.0～6.0 m,合理设置放坡坡度,控制在1∶1.5的以内。

根据基坑支护技术规范以及地质情况,建设项目沟槽支护开挖方式选择原则有:① 开挖深度范围在2.0 m以内,沟槽可采用的施工方案有板式支护、槽钢支护;② 开挖深度2.0～3.5 m,可采用的施工方案有槽钢支护和钢板桩支护,其中槽钢、钢板桩桩长均为6 m;③ 开挖深度4.0～6.0 m可采用的施工方案有拉森钢板桩支护,开挖深度大于3.5 m,小于等于5.0 m时,使用9.0 mⅢ型拉森钢板桩,开挖深度大于5.0 m,小于等于6.0 m时,使用12.0 m Ⅲ型拉森钢板桩。

按上述设计原则和相应结构详图,计算不同开挖深度下各施工工序的工程量,对应表1中各工序造价指标继而计算出不同开挖深度下每延米市政管网的造价指标,开挖深度为1.3、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m下各施工工序造价指标分析见表2。

表2 不同开挖深度市政管网造价指标分析

不同开挖深度下各支护方式对应的市政管网工程每米全费用单价对比分析如图9所示。

图9 不同支护方式下管网明挖施工造价对比分析

通过分析可知,随着开挖深度的加深,沟槽放坡开挖方式造价指标呈现递增趋势,造价指标为2 900～11 000元/m。板式支护方式在开挖深度2 m内的造价指标在2 400元/m左右,槽钢支护方式在开挖深度3.5 m内的造价指标在4 250元/m左右,拉森钢板桩支护方式在开挖深度3～6 m,造价指标在4 800～7 100元/m。

在市政道路下,且地质条件允许放坡开挖或支护开挖时,同一管径的管道明挖施工造价指标变化曲线差异较大。若采用放坡开挖,沟槽支护费用可降低,但道路破除面积增加较多,道路的破除与恢复费用都会增加地更多,所以在市政道路下的管网开挖,采用支护开挖比放坡开挖更为经济。且在支护开挖的情况下,当管道开挖深度在2.0 m内,板式支护下的沟槽开挖更为经济,当管道开挖深度在2.0～3.5 m,槽钢支护下的沟槽开挖更为经济,当管道开挖深度在3.5～6.0 m,钢板桩支护下的沟槽开挖更为经济。

从经济性方面验证了在市政道路下,沟槽开挖选用支护方式更为经济。从可行性方面分析,因地质条件、地下水位、最大限度减少占地等原因,管道明挖段不能做到放坡开挖,需采用支护开挖方式,更符合实际情况。

3 结 语

基于合理设计理论,坚持经济性、科学性原则的要求,本文对比了明挖管道在放坡开挖与支护开挖下造价差异。在市政工程中,管网敷设在市政道路下时,在保证安全性的前提下,支护开挖方式的可行性和经济性都优于放坡开挖方式,且在选择不同支护形式时,也应根据不同开挖深度选择更经济合理的。施工工艺的选择需根据工程项目的实际情况,全面综合考虑,在满足各类施工条件下,尽量降低工程造价,选择更合理的施工工艺。