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支护桩从竖直变倾斜 让建筑基坑减料不减质

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视觉中国供图

  40%

  不同的倾斜桩组合支护结构可以适应多种支护条件,而且无需水平内支撑,就能稳稳地控制支护变形以及周边环境。最重要的是,对比传统水平内支撑支护技术,基坑施工周期、造价和建材用量可降低20%—40%,大幅减少支撑施工涉及的大量高强度人工劳动,提升基坑工程工业化建造水平。

  我国建材生产碳排放量占全国碳排放总量的28%,地下设施建造和地下空间开发时常需要先修建复杂的围护体系,以保证施工安全。水平内支撑支护是软弱土地区最常见的支护方式,随着地下结构的建设进程,绝大多数水平内支撑都要被拆除。而这一过程需要耗费大量钢筋、混凝土等建材,是一只名副其实的“碳老虎”。

  天津大学郑刚教授团队研发的“基坑工程自稳型无支撑绿色支护技术及其工程应用”项目,突破了长期以来地下1—2层深度基坑围护体系采用水平内支撑技术的瓶颈,形成了系列倾斜桩无支撑支护技术。新技术可显著降低水泥、钢筋和砂石等建材消耗,在节能、降耗和减碳方面效益显著。日前,该项目获得2021年度天津市科技进步特等奖。

  传统基坑工程支护技术遇瓶颈

  俗话说,“万丈高楼平地起”,强调的是打牢基础的重要性。基坑就是建筑物施工建造的“第一步”,是施工时由地表向下开挖土体形成的地下空间,住宅、地铁、机场、商场、体育场馆、城市综合管廊、市政及其他城市地下空间开发等都大量涉及基坑工程。

  在基坑开挖和地下结构施工期间,为了防止基坑四周的土体倒塌、地表凹陷,甚至周围建筑破坏,需要用桩、墙结构配合水平内支撑进行挡土,以保证基坑和周边环境的安全。这些技术措施总体上构成了基坑支护结构体系。

  “悬臂支护和水平内支撑支护是软弱土地区基坑工程最常见的两种支护形式。”项目组成员、天津大学副教授周海祚介绍,悬臂支护是一种传统的无支撑支护,就是用一根根桩排列在基坑四周用于挡土。这种支护形式施工便捷,材耗低且工期短。但是悬臂支护“能力弱”,变形和稳定控制能力都比较差,如果遇到基坑周围有隧道等变形控制要求高的基础设施,就很难使用。所以一般悬臂支护只能用于软弱土地区深度5米以内的基坑。

  “遇到5米以上的基坑时,以往一般会采用水平内支撑支护。”周海祚介绍,这种支护增加了连接竖向支护桩的横向支撑,相当于搭了一个“架子”。这种支护形式自稳能力强,但所有水平方向搭建的“架子”在地下结构建造好后都要全部拆除,从而造成材耗多、造价高、工期长、施工难度大等问题。

  我国沿海、沿湖和沿河的不少重要城市所在地区土质软弱,而且随着高层建筑越来越多,绝大多数基坑深度都超过5米,因此施工中越来越多地采用水平内支撑支护技术。“别小看这种技术的材耗量,我们进行过测算,一个3层地下室深度、面积90000平方米的基坑采用水平内支撑支护消耗的建材相当于5—6栋25层建筑所需,而且这些最终大多会被拆除浪费。”周海祚说。

  倾斜支护兼具艺术感和高性能

  几十年来国内外建筑施工工程都在使用悬臂支护和水平内支撑支护这两项技术,虽然也在不断进行结构优化,减少材耗量,但始终没有突破这两种支护形式的范畴。

  早在10年前,郑刚就产生了关于低碳基坑的设想,并申请承担了科技部“十二五”科技支撑项目“可持续发展的现代基坑工程”。在团队组会上,郑刚不止一次地说:“为什么要做低碳创新?老学科要有危机感,创新才能有安全感。”

  郑刚敏锐地注意到一个细节,基坑工程支护桩都默认竖直打入。“何不突破常规,倾斜打入呢?”这个富有创造力的想法付诸实践后,不仅让支护桩变得充满艺术感,测试结果也很“美”。仅仅将部分桩倾斜10—20度,就可以大幅度提升支挡性能。

  “针对占基坑数量60%—80%的地下1—2层深度的基坑工程,我们研发了基坑倾斜桩无支撑支护技术(以下简称倾斜桩),这种技术的桩体与竖直方向呈一定角度倾斜设置。”周海祚介绍。随后团队又在倾斜桩的基础上,发展出了由倾斜桩与竖直桩或不同倾斜方向桩体组合并用冠梁连接的倾斜桩组合支护结构,如斜直交替桩组合支护、X形和个字形倾斜桩组合支护、斜直组合双排桩支护等。

  不同的倾斜桩组合支护结构可以适应多种支护条件,而且无需水平内支撑,就能稳稳地控制支护变形以及周边环境。最重要的是,对比传统水平内支撑支护技术,基坑施工周期、造价和建材用量可降低20%—40%,大幅减少支撑施工涉及的大量高强度人工劳动,提升基坑工程工业化建造水平。

  为倾斜桩铺平应用道路

  虽然各项数据显示,倾斜桩技术各项性能都非常优秀,但是作为一种全新的支护方式,其工作机理、分析理论、设计方法及技术标准都是一片空白。同时在走向应用的道路上,也缺乏施工技术和装备。

  为此,课题组开展了土工离心机试验、室内大型模型试验、数值模拟和理论分析的研究工作,提出了自稳型无支撑支护体系的五个作用,即地基梁作用、自撑作用、刚架作用、重力作用和减隆作用,揭示了自稳型无支撑支护技术变形和桩土相互作用机理,建立了变形和稳定分析理论和设计方法,主编了相关技术标准。

  同时针对施工设备无法满足城市环境低振动和低噪音的问题,课题组邀请工业界专家开展产学研合作,发明了预制倾斜桩静力压桩设备、倾斜钻孔灌注桩等成套技术与系列装备,解决了对应的施工难题。同时取得了“系列自稳型无支撑绿色支护技术开发”“自稳型无支撑支护技术分析理论、设计方法及技术标准”“城市环境下无支撑支护施工成套技术与系列装备”,和“工程应用”的全链条成果。

  目前,该成果已成功应用于天津市首个国家重大科技基础设施——“大型地震工程模拟研究设施”工程项目中。

  据介绍,该设施建成之后将成为世界最大地震工程模拟研究设施,项目基坑开挖深度达14.7米,基坑面积约29500平方米,而且基坑开挖深度范围内分布有厚层淤泥质软土。

  “原设计采用了两道水平内支撑支护,但水平内支撑的施工和拆除会占用工期,而且水平内支撑的存在会导致土方开挖、外运、基础与地下结构施工难度增大,且基坑支护结构与地下结构交叉施工不能满足振动台基础底板分块浇筑要求。”周海祚说。

  应用了该成果的自稳型倾斜桩梯级支护技术,把14.7米的基坑分为两级开挖,第一级支护开挖深度为8米,采用自稳型倾斜桩;第二级支护开挖深度6.7米,取消了水平内支撑。

  “第一级开挖完成后,自稳型倾斜桩支护的最大水平位移仅为12—24毫米,变形控制效果良好。”周海祚介绍,同时基坑土方开挖高效,施工便捷,取消的水平内支撑节省的钢筋、混凝土材耗量大致与一栋25—30层建筑面积20000平方米建筑物相当,工期缩短72天,直接节省造价约1100万元。

  成果还应用于天津、河北、福建、贵州、四川、湖北等省市的数十项工程。未来,天津大学郑刚教授团队还将进一步加强该项成果的技术推广,推动基坑工程在节能减排和持续健康发展方面的创新,为我国实现“双碳”目标作出贡献。