井筒式地下車庫施工工藝選型

饒志紅

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 工藝簡介

井筒式地下停車庫是解決中心城區(qū)“停車難”問題較好的方案，其平面范圍不大，但基礎(chǔ)埋深較深，一般可采用如下2種施工工藝：采用基坑支護(hù)方式開挖施工；采用沉井方式施工。

1.1 基坑支護(hù)

采用基坑支護(hù)方式開挖地下立體車庫一般需設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般可采用咬合樁、灌注樁＋止水帷幕、地下連續(xù)墻等。支撐體系一般采用混凝土支撐或鋼支撐。如果土質(zhì)條件為巖石等硬土層，則可以采用噴錨支護(hù)。各種圍護(hù)形式簡介及優(yōu)缺點如下。

1.1.1 地下連續(xù)墻

對于開挖較深和周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑，采用地下連續(xù)墻圍護(hù)體形式，是一種傳統(tǒng)和成熟的形式，地下連續(xù)墻常用厚度有0.6、0.8、1.0和1.2 m幾種，可根據(jù)基坑深度和土質(zhì)條件等情況綜合確定[1]。

1）優(yōu)點：地下連續(xù)墻止水效果良好，可以大大減少基坑施工中地下水滲漏問題；施工工藝成熟，成墻質(zhì)量可靠，施工風(fēng)險較小，占用空間也較??；墻體結(jié)構(gòu)剛度大，對周邊環(huán)境影響也較小，有利于保護(hù)周邊環(huán)境。

2）缺點：地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比于其他板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)體造價較高，如采用兩墻合一形式，圍護(hù)造價有一定下降；地下連續(xù)墻施工階段對周邊環(huán)境影響稍大。

1.1.2 鉆孔灌注樁＋止水帷幕

一般采用內(nèi)側(cè)布置鉆孔灌注樁，外側(cè)布置攪拌樁或旋噴樁等止水帷幕的形式，灌注樁樁徑種類較多，可根據(jù)基坑深度和土質(zhì)條件綜合確定樁徑和樁間距。

1）優(yōu)點：造價較地下連續(xù)墻經(jīng)濟(jì)；施工工藝成熟；平面位置布置靈活，具有一定的剛度，隨著樁徑及樁長的增加，可有效地提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度及基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性，增加基坑工程的安全度。

2）缺點：當(dāng)灌注樁剛度與相應(yīng)的地下連續(xù)墻剛度相當(dāng)時，整體安全性卻不如地下連續(xù)墻，實際施工中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地層變形也要比地下連續(xù)墻大；隨著基坑開挖深度的增加，止水帷幕施工工藝要求會比較嚴(yán)格，止水效果會受到施工工藝、施工水平、結(jié)構(gòu)剛度等限制而逐漸變差，所以目前在深基坑工程中應(yīng)用較少。

1.1.3 咬合樁

咬合樁通常是采用鋼筋混凝土樁和素混凝土樁間隔布置的排列方式，鉆孔咬合樁在咬合后形成的無縫連續(xù)樁墻，兼作基坑擋土結(jié)構(gòu)和止水帷幕。

1）優(yōu)點：對周圍環(huán)境影響小，對沉降及變形容易控制，由于有鋼套管的保護(hù)，故能靠近臨時建筑物、地下管線施工；全套管的跟管鉆進(jìn)，能順利穿越飽和含水地層，有效地防止了孔內(nèi)流砂、涌泥，并可進(jìn)行嵌巖，施工較為安全、快捷，對樁身質(zhì)量能較好地控制，保證了樁承載力；不需要再施工止水帷幕，同其他地下連續(xù)墻相比，采用咬合樁圍護(hù)在造價上有一定優(yōu)勢。

2）缺點：圍護(hù)剛度相對地下連續(xù)墻小；鉆孔咬合樁所選用的機械設(shè)備體積較大，狹窄場地施展不開，此外，工地邊界到邊樁中心的距離也要求較大；對特殊超緩凝混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定性要求極高，緩凝時間波動易造成咬合失敗或偏孔較大；施工中樁鋼筋籠頂、底標(biāo)高定位問題較難控制，易出現(xiàn)較大偏差，灌注混凝土后，有時會發(fā)生鋼筋籠上浮事故；一般施工單位缺乏經(jīng)濟(jì)實力購置多種直徑的套管，因此咬合樁的樁徑受限制。

1.1.4 噴錨支護(hù)

較深基坑的噴錨支護(hù)僅使用于硬土地區(qū)，噴錨支護(hù)的作用機理是：采用錨桿和噴射混凝土支護(hù)圍巖。錨桿的主要作用是增強節(jié)理面和巖層間的摩擦力，增強巖塊或巖層的穩(wěn)定性。噴射混凝土的作用是加固圍巖，防止巖塊抬動、剝離或墜落。二者結(jié)合發(fā)揮圍巖的自承能力。

噴錨支護(hù)也可以結(jié)合其他工藝共同使用，如上部軟弱土質(zhì)采用灌注樁＋支撐，樁底嵌入穩(wěn)定巖石，下部巖石層采用噴錨支護(hù)。

1.2 沉井

沉井的施工方法是將位于地下一定深度的建筑物或建筑物基礎(chǔ)，先在地表制作成一個沉井，然后在井壁的圍護(hù)下通過從井內(nèi)不斷挖土，使沉井在自重作用下逐漸下沉，達(dá)到預(yù)定設(shè)計標(biāo)高后，再進(jìn)行封底，構(gòu)筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。按制作方式不同，有現(xiàn)澆混凝土沉井、預(yù)制混凝土拼裝分段沉井2種[2]。

沉井的挖土方式一般有2種，即傳統(tǒng)工藝和VSM工藝。

傳統(tǒng)工藝一般采用排水挖土工藝，挖土機輔助人工在坑底干作業(yè)條件下挖土，也可以采用不排水作業(yè)，并配備潛水員。

VSM工藝采用德國海瑞克公司開發(fā)的新型垂直豎井掘進(jìn)設(shè)備（圖1），井內(nèi)無人施工，不排水下沉，該工藝在國外用于地下立體車庫、污水井、隧道通風(fēng)井等工程，已有50多個成功案例，最大深度可達(dá)165 m，但國內(nèi)尚無先例，直徑超過16 m的井筒國外也無案例，且國內(nèi)目前也沒有該設(shè)備。

圖1 海瑞克VSM施工設(shè)備

2種工藝的優(yōu)缺點對比如下。

1.2.1 傳統(tǒng)工藝

1）優(yōu)點：經(jīng)濟(jì)性較高；井體平面形狀可采用圓形、矩形等，尺寸大小靈活可變；埋置深度可以很大，整體性強；沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時的擋土和擋水結(jié)構(gòu)物，簡化了施工。

2）缺點：施工時會引起周邊土體和建筑下沉；施工中易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等；施工技術(shù)要求高；施工工期較長。

1.2.2 VSM工藝

1）優(yōu)點：采用不排水下沉，無需降低地下水位，對周邊環(huán)境影響小；遙控操作，井內(nèi)無人施工；施工速度快，結(jié)構(gòu)沉放過程可控，建設(shè)的豎井精度高；可應(yīng)對多種地層條件。

2）缺點：設(shè)備較貴，造價較傳統(tǒng)工藝高；只能采用圓形沉井；目前設(shè)備能施工的最大直徑為16 m，如需采用更大直徑，還需對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

2 施工工藝選型分析

2.1 基坑支護(hù)與沉井對比

2.1.1 基坑支護(hù)

1）安全性：安全性較好，可根據(jù)不同土質(zhì)條件選取相應(yīng)的圍護(hù)形式。

2）經(jīng)濟(jì)性：造價要遠(yuǎn)高于沉井，尤其是在土質(zhì)軟弱區(qū)域。

3）工期：前期存在圍護(hù)樁施工、養(yǎng)護(hù)等工序，工期相對沉井要長。

4）施工方便性：工序相對沉井復(fù)雜，但施工工藝更加成熟。

2.1.2 沉井

1）安全性：傳統(tǒng)工藝施工時周邊地表沉降較大；VSM工藝地表沉降和基坑支護(hù)相當(dāng)。

2）經(jīng)濟(jì)性：傳統(tǒng)工藝造價要遠(yuǎn)低于基坑支護(hù)；VSM工藝造價較高，VSM在國內(nèi)還無工程應(yīng)用。

3）工期：工期相對較快。

4）施工方便性：工藝簡單，但施工技術(shù)要求高；施工中易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等。

2.1.3 對比結(jié)果

由此可見，基坑支護(hù)和傳統(tǒng)沉井工藝主要差別在于經(jīng)濟(jì)性和安全性上，前者安全性好，造價高；后者經(jīng)濟(jì)性好，但安全性不如前者。而VSM工藝受到井筒大小限制，適用范圍有限。

2.2 不同深度基坑支護(hù)造價對比

基坑支護(hù)適用性較廣，任何環(huán)境情況及平面尺寸規(guī)模均可采用。下面以直徑18 m、深度30 m和40 m的車庫造價進(jìn)行分析。

不同地質(zhì)條件下圍護(hù)做法會有很大的差別，本次分析以上海地區(qū)典型土層為例。

2.2.1挖深30 m

1）基坑支護(hù)選型：采用深62 m、厚1.2 m地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置7道圓環(huán)支撐，經(jīng)計算可滿足上海市規(guī)范安全要求[3]。地下連續(xù)墻較深，建議采用銑槽機設(shè)備施工。基坑形狀為圓形，水土壓力很大部分通過地下連續(xù)墻自身的環(huán)向拱作用來承擔(dān)，因此地下連續(xù)墻接頭建議采用受力效果更好的銑接頭。地下連續(xù)墻采用兩墻合一形式，兼作車庫永久使用階段受力構(gòu)件，車庫地下室外墻建議采用疊合墻，可在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)再行澆筑混凝土內(nèi)襯墻。

2）造價：基坑支護(hù)及車庫底板、內(nèi)襯墻造價如表1所示。

表1 深30 m基坑支護(hù)造價

3）停車數(shù)量：停車庫直徑18 m，每層可停6輛車。每層停車高度按1.6 m考慮，扣除底板厚度后，可停車17層。因此，停車總數(shù)量為102輛。平均每個車位造價為12.9萬元。

2.2.2 挖深40 m

1）基坑支護(hù)選型：采用深70 m、厚1.2 m地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置11道圓環(huán)支撐，經(jīng)計算可滿足上海市規(guī)范安全要求。

2）造價：基坑支護(hù)及車庫底板、內(nèi)襯墻造價如表2所示。

表2 深40 m基坑支護(hù)造價

3）停車數(shù)量：停車庫設(shè)置同挖深30 m基坑，扣除底板厚度后，可停車23層。因此，停車總數(shù)量為138輛。平均每個車位造價為12.7萬元。

通過以上對比可知，經(jīng)濟(jì)性上，深30～40 m停車庫，每個車位造價相當(dāng)；但基坑深度增加后，風(fēng)險、施工難度大大增加，工期也有一定增加。

2.3 車庫平面形式對比

矩形井筒和圓形井筒停車庫（圖2），兩者在經(jīng)濟(jì)性和使用便利性上各有優(yōu)缺點。

圖2 車庫平面布置形式

2.3.1 經(jīng)濟(jì)性

對比21 m×7 m的矩形井筒和直徑18 m圓形井筒，兩者周圍地下連續(xù)墻及內(nèi)襯墻周長相同，但矩形井筒需在中部設(shè)置2道分隔混凝土墻作為支撐，混凝土用量要稍高，從結(jié)構(gòu)受力角度上分析，圓形井筒外圍土壓力很大部分轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻環(huán)向軸力，地下連續(xù)墻受力以承壓為主，地下連續(xù)墻含鋼量也可優(yōu)化，因此矩形井筒造價要高于圓形井筒，且外圈周長相同時，圓形井筒內(nèi)部空間更大。

2.3.2 使用便利性

矩形井筒停、取車口比圓形井筒多，矩形井筒停、取車速度快，在早晚高峰時期使用更加方便。

3 選型建議

1）對于周邊環(huán)境保護(hù)要求較為寬松的區(qū)域，如周邊沒有重要保護(hù)建（構(gòu)）筑物、管線時，首選方案為傳統(tǒng)沉井工藝。

2）環(huán)境復(fù)雜區(qū)域，根據(jù)地下車庫的平面輪廓和尺寸確定。若為圓形且外徑小于16 m，可選擇海瑞克VSM工藝，或是采用基坑支護(hù)形式；如果平面尺寸為其他規(guī)格，則目前只能采用基坑支護(hù)形式。

3）當(dāng)采用基坑支護(hù)施工工藝時，以上海地區(qū)土質(zhì)條件為例，對比深度30 m和40 m圓形井筒式地下車庫，兩者每個車位造價相當(dāng)，但基坑深度增加后，工期、風(fēng)險、施工難度大大增加。因此，軟土地區(qū)車庫深度建議取小值；反之，硬土地區(qū)車庫深度取大值，經(jīng)濟(jì)性更好。

4）矩形井筒停車庫相對圓形造價稍高，但停、取車速度快，使用更加方便。