无锡地区基坑支护设计中节能环保技术实践

   别小勇1，陈家冬2，吴  亮2

  （1．无锡市建筑设计研究院有限责任公司，江苏无锡214001；2．无锡市大筑岩土

  工程技术有限公司，江苏  无锡214000）

[摘要]伴随着无锡地区城市化进程的发展，地下空间开发力度加大。深基坑工程规模越来越大，周边环境越来越复杂，但是基坑支护设计还相对保守。介绍了在无锡地区基坑工程支护设计中的一些环保节能设计方案的实践，并提出了尝试在基坑工程支护设计中建立以碳排放量为目标函数的评价体系作为方案节能环保指标评价的标准之一，对于环境保护、节约能源有着重要的意义。

[关键词]基坑支护；设计；节能；环保；碳排放量；评价体系

[中图分类号] TU74；TU753.1  [文章编号]1002-8498(2016)04-0079-03

  无锡地区近年来城市化进程发展迅速，伴随着地下空间开发力度的增大，深基坑工程规模越来越大，深度也不断加深。由于基坑周边环境要素日益复杂，对基坑变形控制的要求越来越高。相应的，基坑支护设计所采用的手段日益保守和复杂，大直径灌注桩（地下连续墙）、多道混凝土支撑以及三轴搅拌桩的应用越来越多，支护结构所用混凝土可多达上万m3，支护造价动辄数以亿计，同时伴随着泥浆大量排放和地下水无序抽排，基坑支护施工事实上已成为地下工程污染大户，在保护周边建筑环境的同时破坏自然环境。

  当前，节能环保和绿色岩土的观念已经深入人心，在基坑支护设计实践中只有贯彻先进理念和采用先进技术的设计方案才能真正做到“安全适用、保护环境、技术先进、经济合理和确保质量”，也才能确保自身的长期可持续发展。目前，我们已在多个工程设计中展开初步实践，简要介绍如下。

1  节能环保理念在概念设计阶段的应用

1.1  节能环保理念在概念设计阶段的实践

  方案概念设计阶段在满足基坑安全需要的前提下要做到真正节能环保，应充分对施工现场进行调查测绘，并结合工程自身特点及地层特性进行多方案比较。

  1)取得建筑总图、地形图以及地下室设计图纸后，需要结合上述资料对基坑周边环境要素进行校核测绘，初步方案完成后还要取得施工现场布置总平面图以避开施工道路以及临建设施等，确保方案能够方便施工，安全可行。

  2)在充分分析场地条件前提下，尽可能采用自然放坡等耗材较少的处理形式，稳定性不足时可以辅助采用地面拉锚、坡面增加木桩、微型钢管桩以及降水等措施进行局部加强。对于周边环境条件复杂程度不一情况下，可采用分段、多种支护手段组合形式以尽量降低材料用量来实现节能环保的目标。无锡某工程结合周边环境分区采用斜抛撑、斜拉锚和二级放坡等手段支护，如图1所示。

  3)结合无锡地层特点充分利用第一硬土层力学指标较高、自立高度较大的特点上部适度放坡，对于目前较多的10m左右2层地下室，上部放坡4m左右可减少围护桩混凝土总量的20%~25%，节能减排效果非常显著。

  4)对于刚性桩的选择，在满足设计安全度前提下应优先选择预制桩（管桩、方桩），预制桩在制作及现场施工减排方面远优于灌注桩。其次可根据变形控制及工期情况选择灌注桩或钢板桩。

  5)当基坑开挖面积不大或基坑性状为条形时，采用内支撑支护形式其节能减排的效益较锚杆等其他形式好，因此应优先采用内支撑支护；当基坑面积较大情况下，采用内支撑结构混凝土的用量偏大，可采用双排疏桩刚性门架支护形式，其节能减排的效果最为显著。

  6)当必须采用内支撑时，应尽量采用斜抛撑尤其是钢抛撑形式（见图2）。

1.2节能环保理念在模型计算阶段的实践

  在总体设计方案确定后，根据岩土工程勘察报告所建议基坑参数进行设计计算。在该阶段，主要体会如下。

  1)对设计参数需要结合自身经验进行合理调整。计算得到的围护桩内力设计值可根据变形控制情况进行适度折减。

  2)对于大多数电梯基坑是否需要降低承压水头应根据地质报告以及相关施工反馈资料进行慎重分析。

  3)虽然目前大型的有限元分析程序在结构设计中已经广泛应用，但是由于岩土体的参数、本构模型复杂性在实践中应用还不多。目前简化的计算程序虽然可以总体对基坑的安全度予以把握，但是对于复杂的节点结构无能为力。在实践中采用二者相互结合的方法进行较为精确的计算，进而可实现对围护结构的安全、经济评估（见图3）。

2  竖向挡土结构应用节能环保技术的实践

  竖向挡土结构的选择尽量采用耗材量最少的桩型作为设计实施方案，如选用木桩、竹子、预应力管桩、预应力空心方管桩、钢板桩、SMW工法等，从保护环境角度可选用预制型桩，少用排污量大的水钻孔桩；如必须选用钻孔型桩，则在施工机具选型上尽量选用干挖钻机或旋挖钻机施工方法，以降低耗能及减少对环境的污染。

2.1  选择竹木材料作为竖向挡土结构

  通过选用木桩等材料替代坡脚超前锚杆实践证明其效果良好且施工方便，当边坡稳定性不能满足要求时可采用双排或多排木桩形成门架抵抗土压力。

2.2  选择可循环利用的钢材作为竖向挡土结构

  钢板桩/SMW工法承载力强，自身结构轻，钢板桩构成的连续墙体具有很高的强度与刚度，可有效完成基坑支护工作，同时钢材可循环利用达20~30次，因此具有显著的节能环保特点。此外，其具有施工简便，能适应不同的地质情况和土质，可减少基坑开挖量，作业占用场地较小。施工环保，取土量和混凝土用量大幅减少，可有效保护土地资源。因此在基坑支护实践中尽量利用。

2.3选择预应力管桩及预制方桩作为竖向挡土结构

  对于无锡地区2层地下室开挖深度10m以内时，当必须选择刚性桩支护情况下，如钢板桩等因工期导致造价偏高时尽可能采用耗能、耗材少的管桩或者方桩作为支护结构。同时，管桩可尽量采用常规PHC管桩。实践证明其造价可降低50%。目前已在无锡近10个2层地下室基坑支护设计中采用管桩支护技术，经济效益显著。

3  其他技术思路与需要解决的问题

3.1基坑支护设计中节能环保的其他思路

  1)设计中充分利用可再生材料作为结构体，这样可大大减少矿产的开采，最大限度保护矿产资源。最大限度减少使用冶炼及烧结的材料，多使用竹木等自然生长材料以减少碳排放量。

  2)多选用可循环使用的材料，如基坑支护中的型钢支撑、SMW工法中的工字钢等。

  3)在设计可能的情况下，充分利用降水管井建立自渗流体系的装置，可永久利用渗上来的地下水。

  4)轻型井点降水体系中，尽量采用竹管或PVC管代替钢管作为降水管使用。

  5)在基坑喷锚支护技术中，采用秸秆喷射混凝土技术，即在喷射混凝土中掺和一定量的秸秆材料，这样可以消耗掉一定量的农村秸秆（农村中的秸秆大部分在田里烧掉，影响环境），达到环保的目的。在达到喷射混凝土强度的前提下，秸秆的掺和量应做一定的试验。

3.2需要解决的问题

  在工程安全度得到保证的前提下，如何评价设计方案节能环保性目前还没有明确方法。如能根据设计方案的耗能、耗材（资源）量最终建立起以碳排放量为目标函数的评价体系，则可将设计方案的节能环保性进行量化计算，进而成为方案比较的重要依据。如假定某方案的总碳排放量分别由所用建材如水泥、混凝土、钢筋的生产过程以及现场施工过程等环节组成，建立工程碳排放量函数关系如下：

式中：A为材料总用量，b为单位材料碳排放量。

  可见，要想对方案的节能环保指标进行量化分析，目前需要解决的问题是要尽快进行计算分析，取得不同材料的碳排放量计算方法。

4  结语

  环保、节能、低碳及可持续发展的理念逐渐被人们所接受，岩土工程施工过程中大量耗能耗材、并对环境产生一定破坏，岩土工程师应认识到在满足工程建设目标的前提下，还要对方案的节能环保指标予以重点关注。在岩土工程领域尽量多使用竹、木、秸秆等可循环使用的建筑材料，尽量多利用太阳能、多节约水资源、多节约电能，对于能源和环境保护有着非常重要的意义。岩土工程师应不断通过技术创新和工艺改良，确保设计方案的节能环保。