季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术.pdf

建筑施工第45卷第11期2177季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术高 阔上海建工五建集团有限公司 上海 200063摘要：为解决季冻区台地建筑群在建设过程中所面临的挡土墙选型、大体量挡土墙及土方平衡施工、变形监测等诸多难题，以我国北方某台地EPC项目为例，在设计阶段对不同形式挡土墙的抗震性能、适用高度、施工环境影响和经济性进行综合分析，比选出与工程相匹配的最优挡土墙。通过无人机摄影+BIM技术获得地形数据，建立场地曲面模型，分别在设计和施工阶段采取土方平衡调配措施，实现丘陵地貌场地内土方平衡；针对大体量挡土墙优化施工工艺，采用智能化监测技术，提高了监测效率；采用电伴热系统解决了季冻区丘陵地貌低温环境下施工道路表面雨雪结冰问题，保证了施工安全。关键词：季冻区；EPC项目；台地建筑群；挡土墙施工；土方平衡中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)11-2177-05 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.11.008Key Technologies for Construction of Retaining Wall and Earthwork of Terrace Buildings in Seasonal Frozen AreaGAO KuoShanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:In order to solve the problems of retaining wall selection,large retaining wall and earthwork balance construction,deformation monitoring and so on in the construction process of terrace buildings in seasonal frozen area.Taking a platform EPC project in northern China as an example,the seismic performance,applicable height,construction environmental impact and economy of different forms of retaining walls are comprehensively analyzed in the design stage,and the optimal retaining wall matching with the project is selected.The terrain data is obtained by UAV photography+BIM technology,and the site surface model is established.The earthwork balance allocation measures are taken in the design and construction stages respectively to achieve the earthwork balance in the hilly landform site.The construction technology is optimized for large retaining walls,and the intelligent monitoring technology is used to improve the monitoring efficiency;The electric heat tracing system is used to solve the problem of rain and snow icing on the surface of the construction road in the low temperature environment of the hilly landform in the seasonal frozen area,which ensures the construction safety.Keywords:seasonal frozen area;EPC project;terrace building group;retaining wall construction;earthwork balance山，工程依山而建，用地规模15.67万 m2，场地整体地势西高东低，地表高程50103 m，场地东西长约400 m，场内最大高差达53 m。项目总建筑面积约5.68万 m2，原始地貌如图1所示，项目是由19栋建筑单体组成的台地建筑群，如图2所示。图1 场地原始地形地貌 图2 台地建筑群平面分布1.2 气候与地质情况地区年降水量为5501 000 mm，多集中在79月。1月气温最低，平均气温6.90.4。土层标准冻深0.70 m，最大冻土深度0.93 m。本项目的土石方工程、桩基随着我国城镇化发展，城市建设逐渐向山地丘陵地区延伸，台地建筑不断涌现。挡土墙作为解决地形高差问题的支护结构，其选型至关重要。同时台地建筑群建设过程中涉及大量土石方挖填作业，对项目建设成本影响较大；季冻区台地建筑施工还涉及挡土墙冻害防治等问题。本文依托某EPC工程对季冻区台地建筑挡土墙及相关施工技术进行探索实践1-6，取得了良好的效益。1 工程概况1.1 项目概况案例工程位于辽宁省大连市甘井子区，西侧为骆驼作者简介：高 阔（1985），男，本科，高级工程师。通信地址：上海市普陀区大渡河路858号（200063）。电子邮箱：收稿日期：2023-06-20地基基础FOUNDATION BED&FOUNDATION202311Building Construction2178础工程、挡土墙工程等施工阶段正值9月至次年1月之间。地勘显示地层从上到下分别为黏性土及石灰岩碎石的人工填土层、红黏土、黄褐色石灰岩全风化带、黄褐色石灰岩强风化带、灰褐色石灰岩中风化带、半-全充填石灰岩溶蚀溶洞。场地内近山体部位多为裸露石灰岩，为满足场地设计标高，对其实施爆破产生了大量碎石，地质勘察期间场地内无地下水。2 挡土墙选型分析2.1 抗震性能分析选取常见的衡重式挡土墙、扶臂式挡土墙和悬臂式挡土墙作为分析对象，利用有限元分析软件ABAQUS分析地震作用下3类挡土墙的加速度与位移响应，作为评判挡土墙抗震性能的重要依据。选取EL-Centro波作为地震波，东西方向输入地震波加速度峰值0.35 m/s2。模拟地震作用下3种挡土墙加速度和位移反应如图3、图4所示。时间/s加速度/（m/s2）05101520250.80.400.40.8KJ-HZSKJ-FBSKJ-XBS时间/s0510152025位移/mm15105051015KJ-HZSKJ-FBSKJ-XBS 图3 加速度时程曲线 图4 位移时程曲线进一步分析得出3类挡土墙在地震作用下的加速度和位移包络，如图5、图6所示。Amax/（m/s2）0.51.01.52.02.53.03.5相对高度/m00.20.40.60.81.0HZSFBSXBS Umax/mm162432404856相对高度/m00.20.40.60.81.0HZSFBSXBS 图5 加速度包络 图6 位移包络通过对地震下3类挡土墙加速度及位移时程曲线和包络图分析，表明抗震性能最好的是悬臂式挡土墙，接下来依次是扶臂式挡土墙、衡重式挡土墙。2.2 适用高度分析衡重式挡土墙利用衡重台上方填土和墙身自重维持其稳定，适用高度512 m，但对地基承载力要求较高；悬臂式挡土墙主要依靠墙踵板上的填土重力维持其稳定性，对地基承载能力要求相对较低，适用高度26 m；扶臂式挡土墙是在悬臂式挡土墙的基础上，沿墙长每隔一段距离设扶肋，把墙面板与墙踵板连接起来，适用于缺乏石料的地区和地基承载力较低的地段，墙高超过6 m时，较悬臂式挡土墙经济，适用高度512 m。分析表明：衡重式挡土墙与扶臂式挡土墙适用高度相当，但衡重式挡土墙对地基承载力要求更高，悬臂式挡土墙适用高度最小。2.3 墙背土体施工条件分析当施工空间受限时，挡土墙结构占用空间越小越好。悬臂式挡土墙、扶臂式挡土墙的底板宽度随着挡土墙的支设高度而增加，挡土墙与墙背土体边坡之间的水平距离增加，需要更大的施工空间，挖、填土方量也随之增加；衡重式挡土墙贴合墙背土体边坡进行施工，挡土墙与墙背土体边坡的水平距离小，对墙背土体的施工影响程度也小。分析表明：衡重式挡土墙对墙背土体的施工影响程度小于悬臂式挡土墙与扶臂式挡土墙。2.4 经济性分析悬臂式挡土墙与扶臂式挡土墙的主要施工材料为钢筋、混凝土，造价较高；衡重式挡土墙的主要施工材料为MU40毛石，采用预拌砂浆人工砌筑，造价低，综合单价约为悬（扶）臂挡墙的40%。从土方平衡的角度分析，择优选用符合设计条件的石料，用于衡重式挡土墙的墙后回填，还可进一步降低挡土墙的施工成本。分析表明：衡重式挡土墙的经济性，优于悬臂式挡土墙及扶臂式挡土墙。2.5 道路影响分析针对行车道路设置于挡土墙顶部的情况，挡土墙设计时将施工阶段的车辆荷载考虑在内。衡重式挡土墙受到外力作用易发生断裂破坏；扶臂式挡土墙与悬臂式挡土墙利用踵板上方填土来保证其稳定性，且钢筋混凝土墙身的抗剪性能优于衡重式挡土墙。因此，在挡土墙顶部设置有行车道路的区域，优先选用扶臂式挡土墙与悬臂式挡土墙。2.6 综合分析结果以上3类挡土墙具有明显的适用条件，结合项目地形高差、地质条件和交通情况等特征，分别在场地不同区域使用了这3类挡土墙，实现了安全、适用、经济的项目管理目标。场地挡土墙选型布置见图7。3 土石方平衡优化3.1 场地原始地形信息项目建设场地原始地形、标高是项目建设的基础性文件，为了获取场地最近高程等信息，进一步复核已有资料的准确性，项目采用无人机摄影技术获取场地信息，利用BIM软件绘制生成场地模型。倾斜摄影技术获取地形模型技术路线，如图8所示。基于Pix4Dmapper三维软件，根据现场情况和需求选择无人机规格并设定航拍参数，包括飞行航线条数、飞行高高阔:季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术建筑施工第45卷第11期2179衡重式挡土墙悬臂式挡土墙扶臂式挡土墙图7 挡土墙布置示意导入无人机拍摄影像倾斜摄影建模软件Pix4Dmapper导入影像pos信息地理信息需要参数输入生成三维模型自动进行空中三角网计算 生成点云，构件三角网模型图8 倾斜摄影技术路线程、航向重叠度、旁向重叠段等，并在场地范围内设定控制点和检查点，本测量标高为1985国家基准高程，坐标系为地方坐标系统。使用Pix4Dmapper三维建模软件生成场区的数字表面模型，通过不同坐标系统转换导出地形点云数据，导入CIVIL 3D软件生成场地曲面模型。将Pix4Dmapper软件生成的表面模型导出的点数据与实测点高程对比发现，整体吻合度高，误差在允许范围内，验证了无人机倾斜摄像技术在获取场地高程等信息的准确性。3.2 设计优化措施项目场地竖向设计采用台阶式连接方式，原设计方案将场地划分为5个区域，如图9所示。经过对场地高程分析，对B、C区块进行了调整，将内部道路方向进行了调整，如图10所示。调整方案的主要出发点是尽可能利用自然场地，减少土方开挖，由于原设计方案中B、C区块之间的道路基本沿2条等高线衔接区域，道路若沿此方向设置需要大量开挖土方，通过场地模型测算，调整后较原方案减少开挖土方量约31%。3.3 施工组织措施3.3.1 土方量计算土石方计算是进行土方调配的基础。基于CIVIL3D强大的曲面分析功能，将原始曲面与设计曲面黏合，生成体积曲面。以三角网法为基础将计算曲面有限点数据连接形成三角面网格，利用拓扑学原理线性插入点形成DEM模型计算曲面体积。土石方计算结果表明：A区和D区土石方开挖和回填基本平衡，B区填方量远大于挖方量，C区和E区挖方量大于填方量。AEBCD AEBCD 图9 原始场地分区 图10 优化后场地分区3.3.2 土方调配分区间土方调配：由于A区和D区土石方开挖和回填基本平衡，可以作为土石方临时存蓄区，B区需大量填方，C、E区场坪施工先于B区，以便多余土方就近回填至B区，避免土方的重复倒运；A区和D区根据其他3个区域的土方平衡及挡土墙施工组织施工。区内土方调配以B区为例，CIVIL3D根据需求定义网格间距，施工软件自动创建土方施工图，指导现场施工。通过进一步分析调配土方运量和运距，实现综合成本最低目标。3.4 土方平衡实施效果施工阶段，从时间、空间上对原始地形按照设计标高进行开挖、回填、中转存储及运输等环节的策划，确定分区施工顺序，合理布置土方开挖区域、回填区域及土方存蓄区，确定土方的调配方向和数量。通过在设计和施工阶段采取上述优化土方平衡调配措施，经测算整个项目土方填挖净量较原方案减少约14%，降低了土方施工成本，节省了工期，取得了良好的经济效益和生态效益。4 挡土墙施工技术4.1 衡重式挡土墙本项目重力挡土墙以浆砌毛石为主，对其主要分项工程施工进行了针对性改进优化。4.1.1 基础施工项目挡土墙采用天然地基上浅基础，持力层为中风化凝灰岩填土，地基承载力特征值180 kPa。对于局部挡土墙修筑在坡度较大的横坡上，且基础为硬质岩层，采用台阶式基础。本项目位于季冻区，挡土墙基础埋置深度不小于1.0 m，且满足不小于冻结深度线以下250 mm。墙底浇筑100 mm厚C15混凝土垫层。4.1.2 墙身砌筑挡土墙选用MU40毛石，无风化裂缝，厚度大于300 mm，毛石表面清洁干净，采用坐浆法砌筑，砂浆选用DM15干粉预拌砂浆砌筑。砌筑时分层砌筑，上下错缝内外错砌，保证砌体不出现垂直通缝，避免水平通缝，砂浆填筑饱满，严禁干砌。墙面勾缝采用DPM20预拌砂浆，厚度为2030 mm，勾缝完成后将墙面清扫干净。高阔:季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术202311Building Construction21804.1.3 变形缝变形缝不仅可以降低挡土墙受温度变化产生的热胀冷缩影响，还可以降低挡土墙因基础持力层变化而产生的沉降影响。在挡土墙转角及沿墙体长度方向每20 m设置1道变形缝，用沥青木板在挡土墙的内、外、顶三边填塞，塞入深度不小于200 mm，变形缝贯通至基础。另外在地基、墙高等突变部位增加变形缝。4.1.4 泄水管埋设泄水孔采用100 mm的PVC管，在填土一头包裹无纺土工织物，外围回填粗砂、碎石，碎石粒径小于30 mm，粗砂、碎石比例21，形成反滤包，尺寸500 mm500 mm 500 mm；泄水管在墙面纵横间距2 m呈梅花形布置，外倾坡度5%，最下一排泄水孔距地面300 mm，并在衡重式挡土墙的上下墙连接处设置泄水孔。4.1.5 墙背土回填回填及夯实满足砌体强度不低于设计强度的75%后进行，以碎石、粗砂经级配后作为墙背回填材料，分层填筑夯实，每层虚铺厚度不大于300 mm，人工夯实，压实系数不小于0.93；回填至泄水孔位置设置反滤包，确保排水通畅。4.2 悬（扶）臂式挡土墙4.2.1 基础底板基础底板包括墙趾板与墙踵板。基础持力层经验槽合格后，浇筑厚100 mm的C15垫层，垫层四周各边均外扩100 mm距离。基础钢筋绑扎完毕，墙身（包括扶臂）结构的底部钢筋锚固于基础底板之内，并预留接驳高度。基础底板混凝土先行浇筑，墙身（与扶臂）结构混凝土随基础底板浇筑至底板以上300 mm高位置。4.2.2 墙身结构墙身钢筋绑扎高度过高，容易柔性变形，不易合模。在墙身两侧搭设双排脚手架并配以斜支撑加固，墙身沿高度方向分层绑扎钢筋、分层合模，流水作业。钢筋绑扎完成后合模于钢筋垫块之上，对止水拉螺杆固定模板。墙身高度在4 m以内的采用整体浇筑；墙身高度超过4 m分层浇筑，每层高度不大于4 m。泄水孔采用100 mm的PVC管，两端做好临时封堵，模板合模之前埋于墙身。挡土墙每隔20 m设置伸缩缝，在混凝土浇筑之前采用沥青木板在墙身段截面范围内预留设置，并以此分段，混凝土沿挡土墙长度方向分段浇筑。浇筑完成后及时养护，待混凝土强度达到设计强度的75%以上后，进行墙后填土。5 季冻区挡土墙防冻害措施水、回填土、温度是决定挡土墙填土冻胀的3种主要因素，针对季冻区台地建筑群挡土墙冻害影响，主要从这3个方面着手。5.1 挡土墙截水排水措施挡土墙周围土体内的水分含量直接影响冬季冻土层所产生的水平冻胀变形。通过在挡土墙的坡顶与坡脚部位设置排水沟，坡顶的排水沟将墙背坡顶地表的降水汇集、引流排出，减少墙背土体地表积水渗入；坡脚的排水沟将墙身表面与坡脚地表的降水汇集、引流排出，从而降低土的含水量，从源头降低了挡土墙的冻胀破坏风险。5.2 挡土墙背设置隔离疏水层隔离疏水层将墙背土体中因地表降水渗入产生的积水引流排出，降低寒冷地区回填土的冻胀。其由弱冻胀材料填筑而成，以碎石、中粗砂为主，石料粒径控制在30 50 mm。隔离疏水层不仅可以通过排水的方式降低土体冻胀应力，而且可以吸收和消减冻土层产生的水平冻胀量，实现挡土墙的冻害预防。5.3 保温措施低温施工阶段，在挡土墙背铺设保温层，降低墙背土体的冻胀影响。在挡土墙背与回填土之间设置厚50 mm聚苯乙烯（XPS）保温板，不仅可以降低墙背土体的受冻深度，同时还可以通过自身的伸缩性来消减墙背土体冻胀力，实现挡土墙的冻害预防。6 挡土墙变形智能化监测技术将以自动测量机器人为基础的智能化监测平台应用于挡土墙水平位移和垂直位移监测，实现对挡土墙实时、精准监测，排除了人为误差因素，节省了观测时间，为现场决策提供了科学依据。智能化监测平台由测量数据采集系统、传输系统、数据处理分析系统、可视化终端组成，其监测原理如图11所示。观测首先选取基准点、目标监测点，对监测点做好保护措施，在观测点布置观测机器人，并在基准点和测点布置棱镜，通过信号传输基站将测量数据通过设定的通信协议传输至数据处理中心，最终传输至控制终端，实现了从测量点至终端的可视化监测过程。测量点测量点测量点数据处理系统基准点GPRS模块全站仪电脑客户端图11 智能监测平台工作模型通过对基准点与观测点的三维变形量观测，得出水平位移和竖向位移，节省了人员现场作业时间。对施工过程和运行1年的监测结果显示挡墙的累计水平总位移量在2.77.1 mm之间，累计沉降量在1.05.6 mm之间，监测数据与第三方监测数据基本吻合，验证了监测系统的准确性。高阔:季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术建筑施工第45卷第11期2181高阔:季冻区台地建筑群挡土墙及土方施工关键技术7 季冻区冬季道路防滑措施针对低温条件路面雨雪结冰，车辆运输困难，易造成交通安全事故的情况，通过在道路面层内或者路基层与路面层之间安装发热电缆，对路面加热达到自动融冰雪的目的。温度根据雪的大小、积雪厚薄调节，融雪发热电缆表面温度可达到4565，利用电伴热系统实现施工道路融雪除冰，确保施工机械、材料运输等交通安全顺畅，对场内道路纵坡大于5%的路段敷设融雪电伴热系统，取得了良好效果。8 结语针对季冻区台地建筑群挡土墙施工难点，采取了一系列关键技术保证了工程顺利推进，取得了较好的社会效益和经济效益，形成以下总结，以期为类似工程提供借鉴。1）通过对拟选的3种挡土墙形式进行全面分析，结合场地条件，确定了各区域最优挡土墙。2）基于无机倾斜摄影技术获取场地基础信息，并借助BIM技术建立场地曲面面型，辅助大体量土方平衡分析，降低土方开挖运输成本，助力节能减排，数字化技术的应用提高了项目管理水平。3）从优化施工工艺和设计角度采取防冻害措施，保证挡土墙的安全，并采用智能化监测手段对施工和使用阶段进行了周期性监测，提高了监测效率。4）针对台地建筑施工道路面层低温条件雨雪结冰路况，采取电伴热系统，保障了施工车辆的安全通行。1 唐雄威.低山丘陵场地大体量群体工程施工关键技术J.建筑施工,2022,44(7):1689-1693.2 辛佩康,高丙博,蔡志宏.无人机实景建模在大区域施工场地精确踏 勘中的应用J.上海建设科技,2020(3):101-104.3 杨佑发,王一功,李元初.山区台地框架建筑抗震性能研究J.振动 与冲击,2007,26(6):36-40.4 孔丹.复杂地形条件下工业园规划中的土石方平衡优化研究D.长 沙:中南大学,2013.5 刘宇,方飞,孟宁.基于测量机器人的基坑变形自动化监测技术应用 研究J.工程技术研究,2023,8(5):100-102.6 任新,徐云伟,李艳丽.挡土墙在北方地区的防冻害设计J.黑龙江 水利科技,2010,38(2):53.（上接第2173页）槽。220 kV超高压线下成槽采用低净空成槽机成槽，钢筋笼制作采用分节制作，共分为7节钢筋笼吊装，槽口对接。需对高压线进行保护，减少施工风险。北端头井高压线下地下连续墙施工难度极大，主要采用以下针对性技术措施：1）现场成槽机采用SG60，成槽机高度不满足净空高度，因此对成槽机进行改装。拆除中间桅杆，降低成槽机高度，满足净空要求。成槽机抓土后无法直接装车，需把土放置在地面，再由挖机配合装入土方车后运走。2）220 kV高压走廊距离地面非常近，经过计算钢筋笼总重61.6 t（不含吊具），采用200 t履带吊吊装，并在履带吊上安装限位装置，并且在端部安装报警装置，在即将达到6 m限位时会进行警告。3）钢筋笼对接耗时长、分节多，进行成槽静止试验，模拟对接钢筋笼时槽段的状态，最终确定采用加长TRD槽壁加固，深度同地下连续墙同深，以确保钢筋笼下放的安全。4）钢筋笼主筋为32 mm，对接面接驳器无法操作，最终采用增加钢筋截面减少钢筋数量，同比例换算成40 mm钢筋。系统性统计每次钢筋笼抓土、下放、对接、锁扣管下方、混凝土浇筑、接头箱上拔以及吊装时间。5）编制针对性应急预案，并请专家指导。制定一系列安全措施悬挂于施工区域，针对性安全技术交底，从管理角度做到细致入微。最终此处地下连续墙施工顺利完成，并且在此后的土方开挖以及结构回筑时没有发生任何问题。6）基坑施工阶段通过业主委托的第三方监测，实时监测基坑支护体系、周边管线、道路、建（构）筑物、河道和防汛墙的变形情况，根据监测数据随时调整施工，第一时间消除安全隐患，确保安全施工顺利4-5。5 结语本工程地处闹市区，基坑邻近220 kV高压线、轨道交通、河道与防汛墙、老旧民居、公有建筑、企业办公楼等施工作业，周边环境复杂，施工场地有限，土质土层差。通过前期方案策划，科学安排施工流程，通过精细化管理采取有效合理的技术措施，确保了周边环境的安全。取得了较好的社会效益和经济效益，相关经验为类似工程提供了借鉴。1 林备战,卓丞权,陆志君,等.复杂地质条件下深基坑施工中的关键 技术J.建筑施工,2008,30(10):861-864.2 乔勇星.复杂环境下深基坑施工关键技术探讨J.建设监理,2022(9):89-91.3 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