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故宫博物院北院区基坑支护方案比选

TRD工法 2022年9月24日 项敏 235


摘 要


摘要:针对故宫博物院北院区建设工程项目的地层情况、水文概况及结构功能,分析了基坑设计的重难点。对地下连续墙、排桩+桩间旋喷桩、搅拌桩、钻孔咬合桩、TRD工法墙、CSM工法墙几种北京常见的止水帷幕工艺进行了对比,依据项目情况选取两种适用的地下水控制与基坑支护形式,即“地下连续墙+内支撑”或“双排桩/内支撑+TRD工法墙”方案。在综合考虑方案技术可行性与经济可行性后,在造价增加不多的情况下,推荐耐久性更高的地下连续墙作为本项目的基坑支护及止水方案。


关键词:故宫博物院北院区;基坑支护;方案比选;地下连续墙;排桩;地下水控制


0 前 言


故宫博物院作为中华文明源远流长的见证与载体,是我国最重要的优秀历史文化遗产之一,建设好、保护好故宫博物院对传承中华文化有着重要意义。随着故宫博物院影响力的扩大,观众人数不断增加,导致故宫超负荷运转,给故宫建筑、文物的安全保护带来较大的危害。为解决上述问题,2020年,文化部申报了故宫博物院北院区项目。本文主要分析故宫博物院北院项目基坑设计方案的重难点,进行若干种基坑止水及支护方案工艺比选,并综合考虑基坑支护方案的技术可行性与经济可行性,推荐选出较为适合的方案。


1 工程概况


故宫博物院北院区项目位于北京市海淀区西北旺镇西玉河村,北临南沙河,东至上庄东路,西邻上庄家园东路,南至玉河南路,如图1所示。

故宫博物院北院区基坑支护方案比选

本项目拟建建筑物包含文物展示用房、文物修复用房、办公服务用房。各建筑情况如表1所示。总建筑面积为102 000m2,其中,地上建筑面积66 905m2,地下建筑面积35 095m2。文物库房设置在文物修复用房的地下室,共地下3层,人防级别为核四常五。

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2 地质概况


场区地形较平坦,地貌单元属温榆河上游南沙河古道。按岩性及工程特性将地基土层划分为7个大层,分别为:


①杂填土层,杂色,稍湿~湿,松散,主要由建筑垃圾组成;

②粉质黏土层,黄褐~褐黄色,很湿,软塑~可塑;

③粉质黏土层,褐灰~灰色,局部黄褐色,很湿,可塑;③1黏土-重粉质黏土层,褐灰~灰色,局部黄褐色,很湿,可塑;

④细砂层,黄褐色,饱和,中密~密实;⑤粉质黏土层,灰黄~灰色,局部黄褐色,很湿,可塑,局部硬塑;⑤1重粉质黏土层,灰黄~灰色,局部黄褐色,很湿,可塑;

⑤2粉质黏土层,灰黄~灰色,局部黄褐色,湿,密实;

⑥粉质黏土层,黄褐~灰褐色,局部灰色,很湿,可塑;

⑥1黏质粉土-砂质粉土层,黄褐~灰褐色,局部灰色,湿,中密~密实;

⑥2黏土-重粉质黏土层,黄褐~灰褐色,局部灰色,很湿,硬塑~可塑;⑦粉质黏土层,灰色,很湿,硬塑~可塑;

⑦1黏土层,灰色,很湿,可塑~硬塑;

⑦2黏质粉土层,灰色,湿~饱和,密实。①层为人工填土层,②~③层为新近沉积土层,④~⑦2层为一般第四纪沉积土层。工程地质典型剖面如图2所示,各土层物理力学特性指标如表2所示。

故宫博物院北院区基坑支护方案比选

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3 水文地质概况

勘察期间(2021年4月中旬)于30.0m深度范围内观测到四层地下水。第一层地下水类型为上层滞水,水位绝对标高36.56~36.65m;第二层地下水类型为潜水,水位绝对标高32.52~34.76m;第三层地下水类型为承压水,水头绝对标高28.65~29.36m;第四层地下水类型为承压水,水头绝对标高22.85~22.92m。


工程场区历年(自1959年以来)最高地下水位与近3~5年最高地下水位均接近自然地面。根据地勘报告建议,拟建场地的抗浮设防水位按绝对标高42.50m考虑。


在钻孔取水样进行水腐蚀性测试后,根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)


判定,本场地第一层地下水对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋均具有微腐蚀性;第二层、第三层和第四层地下水对混凝土结构均具有微腐蚀性,在干湿交替作用下,对钢筋混凝土结构中的钢筋均具有弱腐蚀性,腐蚀介质为氯化物。


4 基坑设计重难点分析


本项目三面环水(北临南沙河,场内含崔家窑水库/西玉河水库,东侧永丰渠/西河儿将南沙河与场内水库相连通);同时项目地下文物库房等房间常年处于地下水位以下。各用房具体位置如图1所示。

故宫博物院北院区基坑支护方案比选

通常基坑工程为临时性工程,一般设计使用年限为1年,但由于本项目具有文化保护特殊性,设计采用的基坑止水方案需考虑应对百年隔水的情况。因此,地下水控制是影响本工程基坑支护安全的重要因素。


5 地下水控制方案比选及基坑支护方案分析


根据北京地区的地质条件,深基坑一般采用钻孔灌注桩进行支护。因桩间土体的存在,此种支护形式基本对地下水无阻挡作用,在基坑施工期间,


通常会对富水段采取降水明排的措施,但因为北京地区施工期间限制降水,故采用止水帷幕成为本工程地下水控制的首要选择。


北京地区常见的止水帷幕形式有地下连续墙、排桩+桩间旋喷桩、搅拌桩、钻孔咬合桩、TRD工法墙、CSM工法墙等,其工艺特点、适用环境及止水效果如表3所示,涉及的相关施工工艺流程及部分施工顺序如图3~8所示。


故宫博物院北院区基坑支护方案比选

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表3中TRD工法墙因其能对地下水起到良好的屏障作用,近年来得到了较多应用,如在地下水位高、砂层厚的北京通州城市副中心剧院、首都博物馆东馆及城市绿心三大公共建筑共享配套设施等项目工程均采用了TRD工法墙止水工艺。


故宫博物院北院区基坑支护方案比选

若本工程基坑支护采用支护桩形式,较于表3中的搅拌桩、旋喷桩、钻孔咬合桩及CSM工法墙的止水形式,考虑基坑安全、止水效果、绿色环保等因素,更建议采用TRD工法墙进行基坑止水;当有肥槽条件时,应考虑低渗透率的水泥土或细石混凝土回填;同时,地下室结构墙设置为双层墙体。因此,将“排桩+TRD工法墙”选为本项目的基坑止水支护方案之一。北京地区实施施工期间严格限制抽排地下水有关规定后,地铁、铁路的围护结构一般采用地下连续墙的形式。考虑本工程水系和建址周边情况,将“地下连续墙”选为本项目的另一止水支护方案。本项目接缝可采取旋喷止水方案,地下结构建议设置“多道防线”以防渗漏,地下连续墙内侧设置内衬墙,地下室每层结构施工前,在地下连续墙的墙面进行防水施工,即采用永久地下连续墙+内衬墙+分离结构墙。


北京地区常用的支护结构形式为“桩/墙+锚支护”,但是锚杆施工后会在止水帷幕留下成百上千的孔洞,水下锚杆堵孔成为一大难点,很难保证百年后的堵漏效果,本项目需尽量避免采用锚杆支护,可使用双排桩或内撑代替。考虑本工程场地详勘资料、基坑支护安全及施工可行性,采用方案一“地下连续墙(兼作地下室外墙)+内支撑”支护或方案二“双排桩/内支撑+TRD工法墙”的基坑支护止水方案,两种方案设计参数对比如表4所示。

故宫博物院北院区基坑支护方案比选


由于支撑结构自身施工、养护及拆除需要较长时间,且基坑内部存在大量穿越的支撑,给土方开挖和地下室结构施工带来较大难度,从而使整个工期加长,因此表4方案二在办公服务用房和文物展示用房区域取消支撑,采用双排桩。


6 设计方案经济可行性分析


本文建议的两种基坑支护设计方案所涉及到的施工工艺在北京地区的单价估算如表5所示,其中TRD工法墙因目前尚无定额条目,故所列价格均为市场价格。考虑两种方案的工程量后,估算的两种方案的综合造价对比如表6所示。


故宫博物院北院区基坑支护方案比选


故宫博物院北院区基坑支护方案比选

由表6分析可知,无论是采用定额或市场价格,方案一的综合总造价均较方案二高。采用定额价格,方案一的综合总造价比方案二高约20%~50%(其中办公服务用房、文物展示用房高20%,文物修复用房高50%);采用市场价格,方案一综合总造价比方案二高约10%~40%(其中办公服务用房、文物展示用房高10%,文物修复用房高40%)。但对于故宫博物院北院工程项目,保护地下室历史文物是重点。止水帷幕是第一道防水构件,止水帷幕的耐久性至关重要。尽管地下连续墙方案造价普遍略高,但长期隔水性会优于TRD工法墙。因此,在综合造价增加不多的情况下,更推荐耐久性更有优势的“地下连续墙+内支撑”方案作为本项目的基坑支护及止水方案。


7 结 论


本文根据故宫博物院北院区建设工程项目的地质、水文、结构情况进行基坑设计分析,对常见的各类止水帷幕进行对比分析,得出以下结论:


(1)地下水位控制为该项目的设计重难点。


(2)地下连续墙或TRD工法墙可用作本项目的基坑止水帷幕。


(3)通过对比“地下连续墙+内支撑”及“双排桩/内支撑+TRD工法墙”基坑止水支护方案的施工便利性、安全性及经济性发现,“地下连续墙+内支撑”虽造价较高,但长期隔水性会优于TRD工法墙。


故宫博物院北院为国家重点保护文物,因此在综合造价增加不多的情况下,更推荐“地下连续墙+内支撑”方案作为本项目的基坑支护及止水方案。


来源:《建筑结构》

作者:李东杰

编辑整理:项敏

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TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。

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TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。 


TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达50~60击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。


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