深基坑支护选型排桩和地下连续墙的优选分析讲课讲稿.doc

深基坑支护选型排桩和地下连续墙的优选分析摘要：从支护单元受力性能、周边环境影响、施工风险控制、施工难易程度、经济适用性等五个方面，对深基坑支护设计选型时排桩和地下连续墙的优选因素进行定性及定量分析，为大中型基坑工程的优化决策提供参考。关键词：排桩；地下连续墙；优选分析1.前言随着我国城市基本建设规模逐渐扩大，节约利用土地资源、合理开发地下空间成为必然选择，进而导致深基坑工程的数量和规模亦随之增加。对于高层建筑地下室、地铁地下车站、人防工程等大中型工程的基坑而言，在珠三角、长三角等沿海地区一般选用排桩或地下连续墙作为支护结构。然而在现行的建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)中，排桩和地下连续墙采用同样的简化计算模型，在实际设计过程中往往难以区分孰优孰劣。鉴于支护结构对工程的安全性、技术可行性、经济合理性以及环境保护等方面都有重大影响，因此，在项目决策过程中如何对前述两种支护结构进行优选显得非常重要1。笔者从支护单元受力性能、施工难易程度、经济适用性、周边环境影响、施工风险控制等五个方面，对两种支护结构进行了分析对比，探讨了各自的适用条件，并以广州某地铁车站为例进行优选分析，可为类似基坑工程设计选型提供参考。2.排桩和地下连续墙的优选分析众所周知，要达到同等支护效果，若单从工程造价角度考虑，采用排桩比地下连续墙经济性更好；若单从安全性角度考虑，地下连续墙则更安全可靠。因此通常在周边环境简单、地下水不丰富的地段采用排桩支护结构，而在周边环境非常复杂或地下水丰富且很难控制的地段一般采用地下连续墙。然而，大多数工程条件介于两者之间，往往需要同时兼顾经济性和安全性，并综合其他因素比选确定。为便于分析比较，除特别说明外，假定“标准排桩支护结构”为：桩径为800mm的钢筋混凝土灌注桩，间距1000mm，外加600mm间隔500mm(搭接100mm)旋喷止水桩；“标准地下连续墙支护结构”为厚度800mm钢筋混凝土墙，沿基坑方向取单位延米槽段，其他因素如基坑深度、周边环境、地质条件、工况及支撑型式和位置等都相同。2.1 支护单元受力性能在岩土条件、基坑深度、嵌固深度、支撑设置、外荷载等条件相同的情况下，抗弯刚度直接反映排桩和地下连续墙两种支护结构单元的受力性能2(参考图1)。同类材料相同，因此重点分析两支护结构的截面惯性矩：排桩支护单元；地下连续墙支护单元。对“标准排桩支护结构”，忽略旋喷桩的的抗弯效果，则；对“标准地下连续墙支护结构”则有。简单对比可知，“标准地下连续墙”的抗弯性能是“标准排桩”的两倍(参考图2)。图1 排桩(地下连续墙)横向剖面图2.2 周边环境影响一般说来，基坑开挖对周边环境的影响因素3主要包括四个方面：一是侧壁周边建构筑(包括地面建构筑物及附属设施、道路、地下构筑物和管线等)因开挖卸载产生地基破坏、失稳、过大沉降和裂缝等；二是因软土地区嵌固深度不足产生坑底隆起；三是因地下水控制不当造成管涌；四是施工过程中产生噪音扰民或余泥排放污染城市环境等。从理论上讲，只要能够使前述四个问题得到有效控制，无论采取排桩或地下连续墙都是可行的。除挡淤和止水两个问题以外，其他两方面二者采取的措施相近，因此重点讨论挡淤和止水措施。在软土地区，若不增设止水措施的排桩会影响桩间淤泥或地下水的流动，使得场地应力重分布，从而引起周围建筑不均匀沉降，因此排桩的设计常须增加一至两道挡淤止水帷幕(一般的钻孔压密注浆法不易保证止水，曾引发多起重大事故)，这样势必然会增加排桩的施工难度，并加大对周边环境的影响。但对地下连续墙而言，其具有机械化程度高、整体好、质量易于控制、可兼作挡淤止水防渗结构等鲜明特点，前述问题均可得到有效解决。因此，在地下水位较高的软土和砂土等多种地层条件和复杂施工环境下，地下连续墙与排桩相比对周边环境影响更小。2.3 施工风险控制近年来因经济或技术原因引发的深基坑工程事故屡见不鲜，不仅延误工期，造成直接经济损失及人员伤亡，更对社会产生了巨大的负面影响。故在基坑支护结构优选时，兼顾到安全和环保问题的同时，很有必要把可能存在的风险控制在一定范围内，也是项目决策过程中的一个重要环节。基于这两种支护结构在软土地区应用广泛，对其施工阶段的风险作定性分析(见表1)。表1 风险影响因素及定性分析从表1可以看出，在地下水丰富或存在承压水的地区，排桩加旋喷止水桩的支护型式与地下连续墙相比，施工风险更大。2.4 施工工艺难易程度结合笔者参与的多个建筑基坑、地铁基坑支护的情况，从场地条件需求、施工机械、施工工序，施工工期等方面分别对两种支护结构进行分析总结4，有关结果汇总于表2。表2 排桩(加旋喷止水桩)和地下连续墙施工难易程度对比*表中的施工工期是在制作单位延米，埋深为10m的排桩和地下连续墙，结合一般地质条件根据经验推算得出。从表2可以看出，排桩加旋喷止水桩的支护型式与地下连续墙相比，施工场地布置更加灵活，无需大型机械设备，在支护结构入岩较深时工期较短，适用于小型基坑工程或周边环境变形要求不高的大中型基坑工程5。但由于排桩加旋喷止水桩的支护型式将支护和止水分开施作，增加了施工工序，存在排桩支护结构因垂直度较难控制而导致桩端分叉、旋喷桩在复杂地段止水效果难以保证等风险，因此在重要的大中型基坑工程中采用时应慎重。地下连续墙几乎不受地质条件限制，在大中型基坑工程中采用具有特殊优势：整体性好，质量可控；墙体刚度大，可承受较大的土压力；支护结构既可支护挡土又能够止水；在不入岩时，较排桩相比还可缩短施工工期，间接降低成本；对于高层建筑施工若采用逆筑法，还可进一步缩短项目总工期，从而实现较佳的综合效益。2.5 经济适用性 对于任何一项工程，在保证安全和质量的前提下，进一步分析投资成本，优化工程造价指标，具有重要的经济和社会意义。以下对“标准排桩(加旋喷止水桩)”和“标准地下连续墙”，从技术经济方面以直接费为参照标准作简单的造价比较6 ，详见表3。表3 排桩和地下连续墙造价对比*参照一类地区支护结构取砼为C30，其它强度材料单价根据相应定额计价进行相应换算，表中费用已包含开挖各相关费用，措施费包括安全文明施工、排水降水、环保排污等费用。由表3可知，制作单位体积排桩的直接费较地下连续墙便宜，但加上旋喷止水措施后，两者造价接近。近年来，随着施工装备技术的快速普及，机械成本降低，同时人工成本大幅攀升，地下连续墙因施工机械化程度较排桩高，受到越来越多的欢迎。基坑优选分析工程实例 广州某地铁车站北段位于居民区，房屋密集；南侧位于海心沙岛，距珠江主航道130m。采用明挖顺做法施工，基坑全长207.1m，标准段基坑宽18.9m，盾构吊出加宽段宽23.5m。基坑开挖深度：基坑标准段深23.9m，盾构吊出加深段深约25.2m；小珠江设置围堰。工程地质及水文地质 站区地层由第四系堆积层及白垩系下统泥质粉砂岩、粉砂岩及泥岩组成，其中(2 - 1)层具天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、高灵敏度,不能自立等；(4 - 1)、 (4 - 2) 、(5) 局部具弱膨胀性。河道及河道以北为泥质粉砂岩、粉砂岩,河道以南为泥岩。地层纵横向差别极大。珠江支流两岸地下水埋深11.1m31.9m。地下水位主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于冲、洪积砂层中,砂层较厚,属强透水层,珠江水与含水层直接相连,地下水的补给较充足。基岩裂隙水主要赋存于基岩强风化、中等风化的裂隙中,具承压性。基坑安全等级为一级，各地层主要物理力学参数7 见表4。表4 各土层主要物理力学参数表基坑支护方案选择由于本站周围环境复杂,基坑深,地质条件较差,有6.5m15m的淤泥及含水砂层；珠江水直接与地下水相通,透(含)水性强。初步设计时通过对深度为33m的地下连续墙(厚度1000mm钢筋混凝土墙)和长度为33m的钻孔灌注+摆喷止水桩(桩径为1000mm的钢筋混凝土灌注桩间距1200mm，外加600mm间隔500mm(搭接100mm)旋喷止水桩两个方案进行比较。由于该地铁站基坑防水要求高，结合当地水文地质和工程地质资料，对相同工况下的地下连续墙和排桩进行了数值模拟；同时针对支护单元受力性能、施工工艺难易程度、经济实用合理性、周围环境变形控制、施工风险控制等优选因子(见表5)开展专家论证。地下连续墙(内支撑采用钢管支撑) 经济性虽稍差(2006年)，但因其具备接头少,防水效果好,整体性好,施工风险较小等优点，故该方案最终得到采纳。表5 优选因子对比分析*以施工阶段在同等条件下风险量大小作为定性评价，排桩和地下连续墙的初步设计深度为33m。4结论通过对排桩和地下连续墙两种深基坑支护方案的优缺点及适用性进行分析论证，可得出如下结论：(1) 地下连续墙具有刚度大，可承重、挡土、截水、抗渗，耐久性好的优点，同时对周边建筑物、地下设施影响小，适用于安全等级较高，各种复杂的地质条件。如采用逆作法，使地下部分与上部结构同时施工，更可大大缩短施工工期，取得良好效益。但也存在施工设备和人员要求高，造价较高，废泥浆处理麻烦等不足。(2)排桩支护施工较易，造价较低，适用于土质较好的地区。但对于软土地区，排桩必须附加止水帷幕，此时应充分考虑止水效果以及失效后的风险，宜按照前述五个方面分别与地下连续墙进行对比分析，综合比选后确定支护方案。(3)伴随经济社会发展水平的提高，人们对公共安全的关注度逐年上升，同时技术进步促使大型机械设备的成本逐步下降，地下连续墙在大型基建工程中的应用的优势将逐渐凸显出来。