市政管網工程溝槽開挖支護方式造價對比分析

鐘明璐,白治軍,張生龍

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,長沙 410014;2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著生態文明建設加快推進,實現完成黑臭水體治理目標,市政管網工程建設占據著越來越重要的地位[1]。市政管網建設資金主要來源于國家投入和地方資金籌措,對于管網改擴建工程可使用資金有限,經濟合理的施工方案成為控制市政管網工程造價的重要因素[2]。結合市政管網工程的特點,管網工程施工方式一般以明挖為主。目前常用的管道明挖方式有放坡開挖和支護開挖,其中支護開挖又有板式支護開挖、槽鋼支護開挖和鋼板樁支護開挖。溝槽開挖貫穿著工程建設全過程,對工程造價有著直接影響。本文以瀏陽市某河流域排水片區雨污分流工程為例,在保證溝槽開挖施工質量及安全的前提下,比較同一開挖深度下不同支護方式對應管網溝槽開挖的工程造價,分析在不同開挖深度下各支護方式的經濟合理性,為類似的市政管網工程的管道敷設施工方案提供借鑒。

1 市政管網工程溝槽開挖支護方式案例分析

1.1 項目概況

瀏陽市某河流域排水片區雨污分流工程主要針對瀏陽市主城區的排水系統進行完善,削減排入瀏陽河及其支流的污染物,實現瀏陽河出境斷面水質的提升。本工程為瀏陽市綜合整治項目的重要組成部分,主要建設內容有:現狀截流總管改遷工程和雨污混接改造及污水管網建設工程。本項目管網總長約15 km,明挖長度約為11 km,頂管長度約為4 km,施工方式主要為明挖和頂管。開挖段地層多為原狀土層黏土、粉砂層,管道埋深2～7 m不等,管道采用高密度聚乙烯纏繞結構壁管B型管、Ⅱ級鋼筋混凝土管和Ⅲ級鋼筋混凝土管。

1.2 溝槽支護形式

溝槽開挖形式的選擇,應根據管道埋深、施工場地條件、地質情況、工期要求等因素綜合考慮而確定,并通過經濟比較、可行性、安全性等分析研究,選擇最合適的施工方法。

1.2.1放坡開挖

在明挖施工中,使溝槽土體在開挖后無加固無支撐情況下,依靠土體本身的強度,在新的平衡狀態下取得邊坡穩定的效果,給管道敷設提供可靠、安全的作業空間,又能同步保證溝槽周邊的構筑物環境不受影響或者滿足預定的變化要求,這類沒有支護措施下的溝槽開挖工藝通常稱作“放坡開挖”。放坡開挖技術應用中,需要較大的土方回填量,將開挖深度控制在7 m內,通常情況下,當其深度超過4 m時,就需要采用多級放坡的方式,有效降低危險狀況的發生幾率[3]。放坡開挖適用于場地開闊,周邊沒有高大的建筑物、地下管線相距較遠,對位移變形要求不嚴格,新建道路或農田附近的工程項目,放坡開挖如圖1所示。

1.2.2板式支護開挖

板式支護開挖適用于開挖深度小于2 m的溝槽,市政管網工程明挖段用使用竹夾板支護開挖,采取分段方式施工,按50 m一個開挖段,單段開挖不得超過6 m,待管道施工完畢回填后再施工下一管段。開挖時,自上往下開挖,板式支護每隔300 mm設置竹夾板擋土及支撐頂緊后,方可繼續挖土,再支撐,如此繼續,直至形成設計基坑,然后進行驗槽、敷設管道,繼而拆除橫撐和板樁進行土方回填。若竹夾板與后背土接觸不密實,須填灌砂使其密實[4]。下支撐盡量靠近基底,但兩支撐間距不得超過1 m。基坑開挖需設置排水溝,并及時排走積水。橫撐須與立柱頂緊,并用楔塊等牢靠固定,直至基坑回填完畢。施工過程中可能會出現填土層存在碎石以致竹夾板無法打入的情況,應根據現場實際情況調整立柱及橫撐間距或者局部改用槽鋼支護,板式支護如圖2所示。

1.2.3槽鋼支護開挖

槽鋼支護開挖適用于開挖深度約在2～3.5 m。市政管網工程明挖段用槽鋼支護開挖方式進行施工,常規采用槽鋼28a,樁長6 m,分段施工方式,原則上按50 m一個開挖段。在槽鋼打入施工過程中,為了減少噪聲,應使用單獨打入法施工,即一根槽鋼打入后,將其與前一根槽鋼焊接在一起,避免出現傾斜等問題。當槽鋼存在傾斜問題時,使用鋼絲繩穩定樁身,一邊拉著樁身一邊打入施工。鋼槽拔出后會帶出部分基坑土,應使用灌砂方式進行處理,保障其壓實度[5]。在圍檁和橫撐拆除施工過程中,先進行回填,并按照自下而上的順序進行拆除,槽鋼支護如圖3、4所示。

圖3 槽鋼支護平面 單位:mm

圖4 槽鋼支護 單位:mm

1.2.4鋼板樁支護開挖

鋼板樁支護適用于開挖深度約在3～6 m范圍[6]。市政管網工程明挖段用拉森鋼板樁支護開挖方式進行施工,采用拉森鋼板樁,樁長9 m或12 m。采用分段施工方式,原則上按50 m一個開挖段,可用屏風式打入法施工。在拉森鋼板樁打入完成后,進行開挖,且以開挖深度為依據,對內支撐進行施工。開挖至地面下0.5 m位置施加第1道橫向支撐。若溝槽開挖深度大于4 m時,開挖至樁頂以下2.5 m位置施加第二道橫撐,上部支撐施工完成后,才能對下部進行開挖施工[7]。當溝槽開挖深度大于3.5 m且小于5 m時,采用樁長9 m拉森鋼板樁;當溝槽開挖深度大于5 m且小于6 m時,采用樁長12 m拉森鋼板樁。拉森鋼板樁支護如圖5、6所示。

圖5 拉森鋼板樁支護 單位:mm

圖6 拉森鋼板樁支護平面 單位:mm

2 市政管網工程溝槽開挖支護方式造價分析

本工程管線多位于市政路上,道路交通繁忙,部分管線兩邊建筑密集,現狀道路下敷設有電力、通訊、給水和路燈線等管線,地形起伏大,土層軟硬交替,地質條件復雜。為方便施工,降低交通疏解難度,除采用頂管施工的主干管外,其余管線鋪設需采取明挖方式。明挖方式的選擇需考慮經濟性、可行性和安全性等因素。

經濟性方面,分析在不同開挖深度下如何合理選擇施工工藝。明挖方式可采用放坡開挖、板式支護開挖、槽鋼支護開挖和鋼板樁支護開挖,比較同一開挖深度下不同支護方式對應的溝槽開挖的工程造價,選擇更為經濟的施工方法。

采用溝槽支護開挖方式,工序包括拆除路面、土方開挖、棄方外運、溝槽支護、管基砌筑、管道敷設、溝槽回填、路面恢復等;若采用溝槽放坡開挖方式,其工序與支護開挖方式差異在于缺少溝槽支護。

雨污水管道在片區內市政道路下敷設需要開挖大量路面。根據路面形式可分為瀝青路面、混凝土路面;根據道路寬度及功能可分為主干道路、次干道路、支路及人行道。道路恢復按照原狀破除時結構層恢復。溝槽的開挖采用以機械為主并以人工相結合的方法進行,棄方外運采用智能環保渣土車運輸,管道基礎及回填按CJJ 143-2010《埋地塑料排水管工程技術規程》、06MS201《市政排水管道工程及附屬設施》及GB 50268-2008《給水排水管道施工及驗收規范》要求實施。管槽采用中粗砂墊層整平,開挖管段均采用360°砂石基礎,中粗砂回填至與管頂齊平,管頂以上50 cm采用石屑回填,再采用易于壓實的素土分層回填至路面層底部,夯實后每層厚100～200 mm,壓實度應滿足路基要求。管道基礎及回填做法如圖7所示。

圖7 管道基礎及回填做法 單位:mm

以DN500高密度聚乙烯纏繞結構壁管B型管,檢查井布設按每間隔30 m一座,道路破除及恢復厚度均按市政主干路水泥混凝土路面0.6 m厚(見圖8),棄方外運運距按10 km,溝槽開挖深度分別為1.3、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m為例[8],測算各工序造價指標,明挖各施工工序全費用單價分析見表1。

表1 明挖各施工工序全費用單價分析

圖8 混凝土路面修復

根據工程建設項目設計原則和《湖南省市政工程消耗量標準》工程量計算規則,建設項目的溝槽放坡開挖原則有:① 開挖深度在1.2～1.5 m,放坡開挖坡比按1∶0.75計算;② 開挖深度在1.5～2.0 m,放坡開挖坡比按1∶0.67計算;③ 開挖深度在2.0～6.0 m,合理設置放坡坡度,控制在1∶1.5的以內。

根據基坑支護技術規范以及地質情況,建設項目溝槽支護開挖方式選擇原則有:① 開挖深度范圍在2.0 m以內,溝槽可采用的施工方案有板式支護、槽鋼支護;② 開挖深度2.0～3.5 m,可采用的施工方案有槽鋼支護和鋼板樁支護,其中槽鋼、鋼板樁樁長均為6 m;③ 開挖深度4.0～6.0 m可采用的施工方案有拉森鋼板樁支護,開挖深度大于3.5 m,小于等于5.0 m時,使用9.0 mⅢ型拉森鋼板樁,開挖深度大于5.0 m,小于等于6.0 m時,使用12.0 m Ⅲ型拉森鋼板樁。

按上述設計原則和相應結構詳圖,計算不同開挖深度下各施工工序的工程量,對應表1中各工序造價指標繼而計算出不同開挖深度下每延米市政管網的造價指標,開挖深度為1.3、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m下各施工工序造價指標分析見表2。

表2 不同開挖深度市政管網造價指標分析

不同開挖深度下各支護方式對應的市政管網工程每米全費用單價對比分析如圖9所示。

圖9 不同支護方式下管網明挖施工造價對比分析

通過分析可知,隨著開挖深度的加深,溝槽放坡開挖方式造價指標呈現遞增趨勢,造價指標為2 900～11 000元/m。板式支護方式在開挖深度2 m內的造價指標在2 400元/m左右,槽鋼支護方式在開挖深度3.5 m內的造價指標在4 250元/m左右,拉森鋼板樁支護方式在開挖深度3～6 m,造價指標在4 800～7 100元/m。

在市政道路下,且地質條件允許放坡開挖或支護開挖時,同一管徑的管道明挖施工造價指標變化曲線差異較大。若采用放坡開挖,溝槽支護費用可降低,但道路破除面積增加較多,道路的破除與恢復費用都會增加地更多,所以在市政道路下的管網開挖,采用支護開挖比放坡開挖更為經濟。且在支護開挖的情況下,當管道開挖深度在2.0 m內,板式支護下的溝槽開挖更為經濟,當管道開挖深度在2.0～3.5 m,槽鋼支護下的溝槽開挖更為經濟,當管道開挖深度在3.5～6.0 m,鋼板樁支護下的溝槽開挖更為經濟。

從經濟性方面驗證了在市政道路下,溝槽開挖選用支護方式更為經濟。從可行性方面分析,因地質條件、地下水位、最大限度減少占地等原因,管道明挖段不能做到放坡開挖,需采用支護開挖方式,更符合實際情況。

3 結 語

基于合理設計理論,堅持經濟性、科學性原則的要求,本文對比了明挖管道在放坡開挖與支護開挖下造價差異。在市政工程中,管網敷設在市政道路下時,在保證安全性的前提下,支護開挖方式的可行性和經濟性都優于放坡開挖方式,且在選擇不同支護形式時,也應根據不同開挖深度選擇更經濟合理的。施工工藝的選擇需根據工程項目的實際情況,全面綜合考慮,在滿足各類施工條件下,盡量降低工程造價,選擇更合理的施工工藝。