等厚水泥土鋼墻與地墻工藝及效益對比

郭宏斌

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200002)

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快,地下空間的開發(fā)利用越來越受到人們的重視。在地下工程建設(shè)領(lǐng)域,基坑開挖面積越來越大,開挖深度越來越深,施工區(qū)域周邊環(huán)境越來越復(fù)雜,尤其是市中心位置,施工場地條件往往空間受限。其次,近年來政府部門對環(huán)境保護(hù)的監(jiān)管力度日益加強(qiáng),傳統(tǒng)的混凝土所需的砂、石料日益匱乏。

等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻一種新型深基坑支護(hù)及止水工藝應(yīng)運(yùn)而生,該工藝施工所用原材料僅需投入水泥及鋼材,不受砂石料影響,施工進(jìn)度可控,且場地占用面積少,可在部分場地受限或原材受限區(qū)域代替目前地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)[1]。本文通過分析對比等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻工藝及地下連續(xù)墻工藝,對該兩種工藝各自優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行探討[2]。

1 施工工藝介紹

1.1 地下連續(xù)墻工法

1.1.1 發(fā)展歷程

地下連續(xù)墻工法20世紀(jì)50年代發(fā)源于歐洲,于20世紀(jì)50年代末期引入國內(nèi)。該工藝經(jīng)過近70年的不斷發(fā)展,現(xiàn)已形成一套成熟完善的工法體系。

1.1.2 施工總體流程

該工法通過成槽機(jī)械(成槽機(jī)或銑槽機(jī))在地面沿著基坑輪廓,在泥漿護(hù)壁作用下形成一條狹長的深槽,槽段施工完成后進(jìn)行清基換漿,然后下放鋼筋籠、導(dǎo)管,最后澆筑混凝土,形成一個(gè)單元槽段。依次重復(fù)上述流程,單個(gè)單元槽段連接成一個(gè)整體,在地下筑成集基坑支護(hù)、止水、承重于一體的連續(xù)鋼筋混凝土墻[3]。

1.1.3 主要資源投入情況分析

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),施工過程中需投入較大的人力、物力進(jìn)行配合。首先,為保證軟土地區(qū)槽壁的穩(wěn)定性,避免在成槽過程中槽壁坍塌[4]。槽段施工前,需要對整個(gè)槽壁采取相應(yīng)的加固措施,常規(guī)工藝采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固的居多(見圖1)。待槽壁加固水泥土攪拌樁水泥齡期達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,進(jìn)行槽段內(nèi)導(dǎo)向墻的施作(見圖2)。

其次,泥漿加工及處理的后臺布置區(qū),往往場地占用面積較大,例如本案例上海市域機(jī)場聯(lián)絡(luò)線浦東機(jī)場站泥漿后臺占地面積約1 200 m2。泥漿是成槽過程中最為關(guān)鍵的因素之一,施工前需要在施工現(xiàn)場搭設(shè)相應(yīng)的泥漿工廠,主要是解決新拌泥漿、循環(huán)漿、廢漿的存儲(chǔ)及土方的臨時(shí)周轉(zhuǎn)場地(見圖3)。

最后,鋼筋籠加工區(qū)(如圖4所示)及原材料堆場布置。目前地下連續(xù)墻所用的鋼筋籠基本采用現(xiàn)場加工,雖然鋼筋籠部分工序亦可采用自動(dòng)化加工,但大尺寸、長距離運(yùn)輸問題始終不能有效解決,如若分節(jié)太多,則又會(huì)大大影響施工效率及施工質(zhì)量。為此,每臺成槽設(shè)備至少配備1套鋼筋籠加工區(qū)及2臺履帶式起重機(jī),每套鋼籠加工區(qū)需要至少配備25名電焊工進(jìn)行鋼筋籠焊接作業(yè)。

綜上,地下連續(xù)墻主要資源投入情況如表1所示。

表1 地下連續(xù)墻主要資源投入表

1.2 等厚度地下水泥土連續(xù)鋼墻

1.2.1 發(fā)展歷程

NS-BOX工法20世紀(jì)90年代起源于日本[5],目前尚未在國內(nèi)運(yùn)用的先例。通過在上海市域聯(lián)絡(luò)線浦東機(jī)場站在NS-BOX基礎(chǔ)上進(jìn)一步改良探索,對不同深度槽段進(jìn)行多次試驗(yàn),形成了一套全新的等厚度地下水泥土連續(xù)鋼墻工法,目前已經(jīng)取得了一定的研究成果、積累。

1.2.2 施工總體流程

該工法是通過鋸鏈?zhǔn)?TRD)設(shè)備和銑削式(CSM)設(shè)備在地面沿著基坑輪廓,在泥漿護(hù)壁作用下形成一條狹長的等厚深槽[6](見圖5)。在設(shè)備提升過程中注入按照既定摻量及水灰比的水泥漿液,在單元槽段內(nèi)形成水泥漿液+泥漿混合漿液。然后,移除成槽設(shè)備,安裝下放型鋼調(diào)直所用的定位導(dǎo)向裝置(見圖6)。在水泥初凝之前,利用吊機(jī)沿著導(dǎo)向裝置下一期放預(yù)制鎖扣型接頭型鋼,上下節(jié)型鋼之間通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行對接[7]。待一期型鋼放置完成后,重復(fù)之前步驟下放二期型鋼,直至單元槽段型鋼全部下放完成,型鋼與型鋼之間通過鎖扣相互咬合(見圖7)。

依次重復(fù)上述流程,單個(gè)單元槽段連接成一個(gè)整體,在地下筑成集基坑支護(hù)、止水、承重于一體的水泥土連續(xù)鋼墻。

1.2.3 主要資源投入情況分析

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),施工現(xiàn)場僅需投入少量勞動(dòng)力、預(yù)制型鋼堆場及水泥拌漿后臺等。

首先,水泥拌漿后臺布置。該后臺主要用于水泥存儲(chǔ)及水泥漿液拌制,且單個(gè)后臺可供多臺設(shè)備同時(shí)使用,占地面積約200 m2,常規(guī)配備3人進(jìn)行拌漿及送漿工作(見圖8)。

其次,型鋼原材料布置區(qū)域。型鋼全部采用工程預(yù)制,一般根據(jù)施工設(shè)計(jì)需求可定尺加工成3 m,6 m,9 m,12 m等不同規(guī)格。常規(guī)來說,型鋼布置場地占用面積100 m2左右即可滿足現(xiàn)場施工要求。為輔助型鋼下放工作,施工現(xiàn)場可根據(jù)場地實(shí)際情況配備1臺～2臺輪胎式起重機(jī)或履帶式起重機(jī)。

至此,地下水泥土連續(xù)鋼墻場地布置已基本完成。成槽過程中產(chǎn)生的置換漿液處理可根據(jù)實(shí)際施工場地情況直接進(jìn)行外運(yùn)或現(xiàn)場固化等不同處理方式。

綜上,地下水泥土連續(xù)鋼墻主要資源投入情況如表2所示。

表2 地下連續(xù)鋼墻主要資源投入表

2 工藝對比分析

2.1 適用條件

地下連續(xù)墻是目前軟土地區(qū)常規(guī)的深基坑支護(hù)形式,廣泛適用施工場地面積及凈空高度不受限制的施工區(qū)域。

等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻是一種新型的基坑支護(hù)工藝。與常規(guī)地下連續(xù)墻工藝相比,其主要運(yùn)用場景的最大不同點(diǎn)是其能夠在施工場地空間及高度限制情況下實(shí)施。

2.2 施工工效

通過前文的介紹可知,地下連續(xù)墻施工工藝與等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻施工工藝兩者有諸多相似之處。例如,均需要投入成槽設(shè)備及大型起重吊裝設(shè)備,成槽過程中均需要產(chǎn)生置換泥漿等。但地下連續(xù)鋼墻施工工序較地下連續(xù)墻省去了鋼籠現(xiàn)場制作、清基換漿、混凝土澆筑等工序。作為業(yè)內(nèi)人士均知,這些工序占據(jù)了地下連續(xù)墻單幅槽段一半以上的施工時(shí)間。而等厚地下連續(xù)鋼墻,成槽后直接進(jìn)行型鋼下放,而型鋼采用工廠預(yù)制,完全不受加工時(shí)間制約。通過比較浦東機(jī)場站施工的75 m深地下連續(xù)墻及75 m深的等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻施工用時(shí)僅占地下連續(xù)墻施工用時(shí)的一半[8]。

因此,通過對比上述兩者施工工效,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻具有絕對優(yōu)勢。

2.3 資源投入

2.3.1 原材料

地下連續(xù)墻及等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻主要原材料投入情況詳見表3。

表3 原材料投入計(jì)劃表

通過表3可知,地下連續(xù)墻施工所用原材料為鋼筋及混凝土,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻施工所用原材料為水泥基型鋼。

近年來隨著政府部門對環(huán)保日益重視,混凝土原材料受砂石料影響日漸增大。反之,水泥原材料較混凝土而言則不受砂石料影響。

此外,鋼筋籠采用現(xiàn)場加工,鋼筋籠的加工質(zhì)量與現(xiàn)場加工人員的水平相關(guān)。但往往施工現(xiàn)場加工人員水平良莠不齊,造成鋼筋籠成品質(zhì)量不可控。然而,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻所用型鋼在工廠預(yù)制,加工精度可控。

通過兩者施工所用原材料進(jìn)行對比分析,地下連續(xù)墻受外界影響比較大,尤其是現(xiàn)場制作的鋼筋籠加工質(zhì)量較等厚地下連續(xù)鋼墻型鋼工廠預(yù)制在加工精度方面存在一定差距。

2.3.2 勞動(dòng)力投入

通過前文對兩種不同施工工藝的簡介可知,成套地下連續(xù)墻工藝需投入泥漿后臺處理人員、鋼筋籠制作人員、混凝土澆筑人員及配套的起重機(jī)械及成槽機(jī)械駕駛?cè)藛T等,為保證該工藝能夠順利實(shí)施,施工現(xiàn)場至少需要投入50人。反觀等厚地下水泥土連續(xù)鋼筋,由于涉及的施工工序較少,僅需投入后臺拌漿人員、起重機(jī)械及成槽機(jī)械駕駛?cè)藛T及型鋼對接人員,成套工序施工人員投入約10人。

從勞動(dòng)力人數(shù)投入角度來看,地下連續(xù)墻工藝所需人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等厚度水泥土連續(xù)鋼墻。隨著近年來國家青壯年適齡勞動(dòng)力逐年下降,用工成本日益增加,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻工藝用工優(yōu)勢勢必更加明顯。

2.4 施工場地占用情況

地下連續(xù)墻施工場地主要布置內(nèi)容為:鋼筋籠加工區(qū)及鋼筋原材料堆放區(qū)、泥漿處理后臺,成套工藝占用場地面積約3 000 m2。

等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻施工場地主要布置內(nèi)容為:水泥漿液存儲(chǔ)及拌制后臺、型鋼堆放區(qū)域,成套工藝占用場地面積約300 m2。

從場地占用情況來看,地下連續(xù)墻場地占用面積約為等厚地下水泥土連續(xù)墻的10倍,對施工場地面積要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。

3 經(jīng)濟(jì)效益對比分析

從前文兩項(xiàng)施工工藝的對比分析結(jié)果來看,地下連續(xù)墻從施工工效、各項(xiàng)資源投入數(shù)量均遠(yuǎn)高于等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻。因而,地下連續(xù)墻所需的各項(xiàng)人力、物力成本更高。

反觀等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻工藝,工藝相對較少,施工流程較地下連續(xù)墻更為便捷,施工效率更高,各項(xiàng)資源投入數(shù)量較前者而言具有明顯優(yōu)勢。

按照目前常規(guī)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)每立方米含鋼量約180 kg,每立方米地墻原材料費(fèi)用組成:混凝土500元/m3+鋼筋0.18 t×4 000元/t=1 220元。

由于等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻目前尚未大面積推廣應(yīng)用,按照之前試驗(yàn)參數(shù),對每立方米施工材料費(fèi)進(jìn)行價(jià)格估算。每立方米加固土體水泥摻量按10%計(jì),每立方米等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻原材料費(fèi)用組成:水泥1.8 t/m3×10%×435元/t+型鋼6 000元/t×0.55 t=3 378.3元。

從兩種不同工藝施工所用的原材料費(fèi)用對比來看,目前等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻材料費(fèi)用要略高于地下連續(xù)墻。但隨著等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻工藝的進(jìn)一步完善,型鋼可以進(jìn)一步做到回收重復(fù)利用。

如此,從長遠(yuǎn)角度來看,等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻施工工藝更加綠色、經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

通過對地下連續(xù)墻及等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻兩種相似又相近的工藝進(jìn)行工藝及經(jīng)濟(jì)效益對比分析,長遠(yuǎn)來看等厚地下水泥土連續(xù)鋼墻更適用特定環(huán)境下的深基坑工程。

雖然在軟土地墻深基坑支護(hù)地下連續(xù)墻工藝運(yùn)用的更加廣泛。然而,等厚水泥土連續(xù)鋼墻已在50深槽段內(nèi)插48 m長鎖扣型鋼多次試驗(yàn)成功,并且形成了一套完整的施工工法。目前,后續(xù)擬進(jìn)行鎖扣型鋼插拔試驗(yàn),旨在基坑施工完成后將鎖扣型鋼進(jìn)行回收利用,如此將極大地提高該工法的經(jīng)濟(jì)效益。

因此,隨著行業(yè)的不斷發(fā)展,施工技術(shù)不斷更新迭代,等厚水泥土連續(xù)鋼墻在軟土地區(qū)深基坑支護(hù)領(lǐng)域必將有一席之地。