2022-06-09 1424 0
不同的傾斜樁組合支護結構可以適應多種支護條件，而且無需水平內(nèi)支撐，就能穩(wěn)穩(wěn)地控制支護變形以及周邊環(huán)境。最重要的是，對比傳統(tǒng)水平內(nèi)支撐支護技術，基坑施工周期、造價和建材用量可降低20%—40%，大幅減少支撐施工涉及的大量高強度人工勞動，提升基坑工程工業(yè)化建造水平。
我國建材生產(chǎn)碳排放量占全國碳排放總量的28%，地下設施建造和地下空間開發(fā)時常需要先修建復雜的圍護體系，以保證施工安全。水平內(nèi)支撐支護是軟弱土地區(qū)最常見的支護方式，隨著地下結構的建設進程，絕大多數(shù)水平內(nèi)支撐都要被拆除。而這一過程需要耗費大量鋼筋、混凝土等建材，是一只名副其實的“碳老虎”。
天津大學鄭剛教授團隊研發(fā)的“基坑工程自穩(wěn)型無支撐綠色支護技術及其工程應用”項目，突破了長期以來地下1—2層深度基坑圍護體系采用水平內(nèi)支撐技術的瓶頸，形成了系列傾斜樁無支撐支護技術。新技術可顯著降低水泥、鋼筋和砂石等建材消耗，在節(jié)能、降耗和減碳方面效益顯著。日前，該項目獲得2021年度天津市科技進步特等獎。
傳統(tǒng)基坑工程支護技術遇瓶頸
俗話說，“萬丈高樓平地起”，強調(diào)的是打牢基礎的重要性?；泳褪墙ㄖ锸┕そㄔ斓摹暗谝徊健?，是施工時由地表向下開挖土體形成的地下空間，住宅、地鐵、機場、商場、體育場館、城市綜合管廊、市政及其他城市地下空間開發(fā)等都大量涉及基坑工程。
在基坑開挖和地下結構施工期間，為了防止基坑四周的土體倒塌、地表凹陷，甚至周圍建筑破壞，需要用樁、墻結構配合水平內(nèi)支撐進行擋土，以保證基坑和周邊環(huán)境的安全。這些技術措施總體上構成了基坑支護結構體系。
“懸臂支護和水平內(nèi)支撐支護是軟弱土地區(qū)基坑工程最常見的兩種支護形式?！表椖拷M成員、天津大學副教授周海祚介紹，懸臂支護是一種傳統(tǒng)的無支撐支護，就是用一根根樁排列在基坑四周用于擋土。這種支護形式施工便捷，材耗低且工期短。但是懸臂支護“能力弱”，變形和穩(wěn)定控制能力都比較差，如果遇到基坑周圍有隧道等變形控制要求高的基礎設施，就很難使用。所以一般懸臂支護只能用于軟弱土地區(qū)深度5米以內(nèi)的基坑。
“遇到5米以上的基坑時，以往一般會采用水平內(nèi)支撐支護。”周海祚介紹，這種支護增加了連接豎向支護樁的橫向支撐，相當于搭了一個“架子”。這種支護形式自穩(wěn)能力強，但所有水平方向搭建的“架子”在地下結構建造好后都要全部拆除，從而造成材耗多、造價高、工期長、施工難度大等問題。
我國沿海、沿湖和沿河的不少重要城市所在地區(qū)土質軟弱，而且隨著高層建筑越來越多，絕大多數(shù)基坑深度都超過5米，因此施工中越來越多地采用水平內(nèi)支撐支護技術?！皠e小看這種技術的材耗量，我們進行過測算，一個3層地下室深度、面積90000平方米的基坑采用水平內(nèi)支撐支護消耗的建材相當于5—6棟25層建筑所需，而且這些最終大多會被拆除浪費?！敝芎ｌ裾f。
傾斜支護兼具藝術感和高性能
幾十年來國內(nèi)外建筑施工工程都在使用懸臂支護和水平內(nèi)支撐支護這兩項技術，雖然也在不斷進行結構優(yōu)化，減少材耗量，但始終沒有突破這兩種支護形式的范疇。
早在10年前，鄭剛就產(chǎn)生了關于低碳基坑的設想，并申請承擔了科技部“十二五”科技支撐項目“可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代基坑工程”。在團隊組會上，鄭剛不止一次地說：“為什么要做低碳創(chuàng)新？老學科要有危機感，創(chuàng)新才能有安全感?！?/p>
鄭剛敏銳地注意到一個細節(jié)，基坑工程支護樁都默認豎直打入?！昂尾煌黄瞥Ｒ?guī)，傾斜打入呢？”這個富有創(chuàng)造力的想法付諸實踐后，不僅讓支護樁變得充滿藝術感，測試結果也很“美”。僅僅將部分樁傾斜10—20度，就可以大幅度提升支擋性能。
“針對占基坑數(shù)量60%—80%的地下1—2層深度的基坑工程，我們研發(fā)了基坑傾斜樁無支撐支護技術（以下簡稱傾斜樁），這種技術的樁體與豎直方向呈一定角度傾斜設置。”周海祚介紹。隨后團隊又在傾斜樁的基礎上，發(fā)展出了由傾斜樁與豎直樁或不同傾斜方向樁體組合并用冠梁連接的傾斜樁組合支護結構，如斜直交替樁組合支護、X形和個字形傾斜樁組合支護、斜直組合雙排樁支護等。
不同的傾斜樁組合支護結構可以適應多種支護條件，而且無需水平內(nèi)支撐，就能穩(wěn)穩(wěn)地控制支護變形以及周邊環(huán)境。最重要的是，對比傳統(tǒng)水平內(nèi)支撐支護技術，基坑施工周期、造價和建材用量可降低20%—40%，大幅減少支撐施工涉及的大量高強度人工勞動，提升基坑工程工業(yè)化建造水平。
為傾斜樁鋪平應用道路
雖然各項數(shù)據(jù)顯示，傾斜樁技術各項性能都非常優(yōu)秀，但是作為一種全新的支護方式，其工作機理、分析理論、設計方法及技術標準都是一片空白。同時在走向應用的道路上，也缺乏施工技術和裝備。
為此，課題組開展了土工離心機試驗、室內(nèi)大型模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析的研究工作，提出了自穩(wěn)型無支撐支護體系的五個作用，即地基梁作用、自撐作用、剛架作用、重力作用和減隆作用，揭示了自穩(wěn)型無支撐支護技術變形和樁土相互作用機理，建立了變形和穩(wěn)定分析理論和設計方法，主編了相關技術標準。
同時針對施工設備無法滿足城市環(huán)境低振動和低噪音的問題，課題組邀請工業(yè)界專家開展產(chǎn)學研合作，發(fā)明了預制傾斜樁靜力壓樁設備、傾斜鉆孔灌注樁等成套技術與系列裝備，解決了對應的施工難題。同時取得了“系列自穩(wěn)型無支撐綠色支護技術開發(fā)”“自穩(wěn)型無支撐支護技術分析理論、設計方法及技術標準”“城市環(huán)境下無支撐支護施工成套技術與系列裝備”，和“工程應用”的全鏈條成果。
目前，該成果已成功應用于天津市首個國家重大科技基礎設施——“大型地震工程模擬研究設施”工程項目中。
據(jù)介紹，該設施建成之后將成為世界最大地震工程模擬研究設施，項目基坑開挖深度達14.7米，基坑面積約29500平方米，而且基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有厚層淤泥質軟土。
“原設計采用了兩道水平內(nèi)支撐支護，但水平內(nèi)支撐的施工和拆除會占用工期，而且水平內(nèi)支撐的存在會導致土方開挖、外運、基礎與地下結構施工難度增大，且基坑支護結構與地下結構交叉施工不能滿足振動臺基礎底板分塊澆筑要求?！敝芎ｌ裾f。
應用了該成果的自穩(wěn)型傾斜樁梯級支護技術，把14.7米的基坑分為兩級開挖，第一級支護開挖深度為8米，采用自穩(wěn)型傾斜樁；第二級支護開挖深度6.7米，取消了水平內(nèi)支撐。
“第一級開挖完成后，自穩(wěn)型傾斜樁支護的最大水平位移僅為12—24毫米，變形控制效果良好?！敝芎ｌ窠榻B，同時基坑土方開挖高效，施工便捷，取消的水平內(nèi)支撐節(jié)省的鋼筋、混凝土材耗量大致與一棟25—30層建筑面積20000平方米建筑物相當，工期縮短72天，直接節(jié)省造價約1100萬元。
成果還應用于天津、河北、福建、貴州、四川、湖北等省市的數(shù)十項工程。未來，天津大學鄭剛教授團隊還將進一步加強該項成果的技術推廣，推動基坑工程在節(jié)能減排和持續(xù)健康發(fā)展方面的創(chuàng)新，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標作出貢獻。
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