基坑施工之“破冰”技术——沉井可控下沉法1549405528.doc

基坑施工之“破冰”技术沉井可控下沉法专利池概述近20年来，基坑工程成为土木工程界的热点、难点和焦点问题，且由于安全、工期、质量、造价、物耗等因素，代价巨大。沉井技术原本是基坑支护的一种重要、特殊的技术方案，但传统沉井技术存在的致命缺陷，以及其理论研究及工程应用严重滞后于基坑工程的迫切需求，使其应用于一般房屋建筑基坑工程或地铁基坑工程的案例鲜见报道。尤其是随着地下连续墙技术的广泛应用，沉井技术日益边缘化。多年来从事工程技术管理的丁慈鑫工程师对基坑工程存在的诸多问题进行了深入分析研究，提出了现有基坑工程施工新技术沉井可控下沉法，打破了被封存多年的“坚冰”，不但使沉井技术成为一般地下空间建筑基坑工程利于推广应用的技术，而且实现了该技术方法理论研究的突破，具有重大的技术、经济效益，利于建筑施工行业依靠科技进步，技术集成创新，加快转变经济发展方式。为更详细的了解沉井可控下沉法的内涵，加快其推广应用，本刊对丁慈鑫工程师进行了专访。施工技术：随着大体量建筑与地下空间开发项目的不断增多，基坑工程也越来越多，催生了地下连续墙技术的广泛应用，而沉井技术却背道而驰，日渐“没落”，您是怎么看待这一现象的？丁慈鑫：的确，如你所说，基坑工程中现代广义地下连续墙技术有部分取代沉井技术的趋势，沉井技术应用于一般房屋建筑基坑工程的案例目前几乎是空白。一方面是由于传统沉井技术存在着五大致命缺陷：一是空间姿态难以实时精确控制；二是施工期井内外土层变形极大；三是靠自重下沉与抗浮的理论使其耗材极高；四是沉井内开挖出土难度较大且代价较高；五是大型沉井施工技术不易为广大的施工企业普遍掌握与使用，这使得沉井技术无法成为一般房屋建筑基坑的候选技术方案，几乎被边缘化。而另一方面，沉井的技术理论研究及工程应用严重滞后于基坑工程的迫切需求。长期以来土木工程界一直存在着微弱的呼声，希望沉井技术获得突破，以广泛适用于一般建筑基坑工程，一些业内人员也做了相关的探讨研究和工程实验，但时至今日，尚未在技术理论及工程应用上获得根本性的突破。即使现代智能化气压沉箱技术科技含量较高，但其适用对象指向性极强，不具备在广大施工企业中普遍推广及在大量基坑工程中普遍应用的意义。从这个意义上来讲，研究沉井可控下沉技术，对沉井结构的空间姿态进行实时控制，实现对沉井技术致命缺陷的综合治理，以使沉井技术既可在广大施工企业中普遍推广又可广泛应用于一般地下空间建筑基坑工程，具有重大的技术、经济意义。施工技术：您在对基坑工程进行多年研究分析的基础上提出的“沉井可控下沉法”与传统沉井技术有什么不同？这一技术的内涵是什么？丁慈鑫：沉井可控下沉法是一种沉井控制下沉的施工技术方法，包含狭义和广义两个方面。狭义沉井可控下沉法，是对沉井结构全寿命期的空间姿态实施控制，尤其是对沉井结构施工期的空间姿态实施有效的精确控制；广义沉井可控下沉法，是对传统沉井技术的致命缺陷实施综合治理，扬长避短，充分发挥沉井技术的特征优势，以广泛适用于一般房屋建筑基坑工程。沉井可控下沉法专利池包含8个分项技术，其中1个核心概念技术与7个辅助支撑技术，目前已向中国国家知识产权局提交了14个专利申请，以及3个PCT专利申请。施工技术：请您介绍下沉井可控下沉法的8个分项技术以及实施效果。丁慈鑫：沉井可控下沉法包括沉井的空间姿态控制技术、螺旋锚组合应用技术、井内支撑组合桩技术、井外支撑体系技术、钢板刃脚技术、井底二次支护技术、双向千斤顶拖拽沉井下沉技术及汽车进入沉井内部运土技术，这8个分项技术共同构成了“沉井可控下沉法专利池”。沉井空间姿态控制技术是核心概念。在沉井的制作、下沉、终沉及永久使用等各种状态下，均由基桩支撑沉井，降低了对沉井结构的空间刚度与构件强度的要求，使沉井结构不易失控位移、变形与断裂。沉井借助千斤顶支撑于基桩之上，通过在沉井结构的受力支撑点-千斤顶-基桩之间相互交换荷载传递路径的方法，并利用千斤顶的高度可调性，可精确控制沉井结构平稳下沉且准确终沉。该技术效果表现为沉井全寿命期的空间姿态稳定性好，避免了传统沉井施工期间的突沉、超沉、中心偏移、平面旋转、竖向倾斜、变形断裂、井内涌土、井外塌陷等重大安全、质量事故。螺旋锚组合应用技术。在沉井（或基坑）四周外围的滑移土体中，向下沉（旋）入螺旋锚，用拉杆向上（主动或被动）提拉吊螺旋锚，拉杆的反力建立在支撑设施上，以此来限制或减少沉井（或基坑）外滑移土体的下沉。该技术效果表现为对井外土层的提拉吊起到了减载作用，可减少井外土层的下沉塌陷动力，降低深层土体的主动土压力计算数值，降低井内土体的隆起发生概率或数值。如利用螺旋锚的反力对沉井加载，将增大沉井的外加下沉力，促使刃脚提前进占，并减少沉井设计自重。井内支撑组合桩技术。沉井内部的桩基，采用若干段可拆卸的桩节轴向组合而成，预先打入地基中，沉井下沉施工时，通过拆卸桩节适应变换调整千斤顶的空间位置。该技术效果表现为以组合式的桩节实现施工过程中的可拆卸化，进而实现工具化，标准化。与不可拆卸的截桩方案相比较，该技术不但能够降低劳动强度，加快施工速度，而且还可回收利用桩节，减少资源的浪费。同时，数量众多的井内支撑组合桩，利于沉井规模向超大面积方向发展。井外支撑体系技术。井外支撑体系包括多层牛腿、上支撑管柱及管柱腰撑、下支撑桩基及千斤顶。当沉井下沉时，不断拆除上支撑管柱的底部管节，并适时拆除管柱腰撑及临时牛腿，以满足沉井下沉的施工要求。该技术效果表现为以组合式的外支撑系统实现施工过程中的可拆卸化，进而实现工具化、标准化。与不可拆卸的外部支撑构件方案相比较，该技术不但能降低劳动强度，加快施工速度，而且还能提高施工安全度，回收管柱节，减少资源的浪费。由于其构造简单，成本低廉，适应性强，操作简便，利于沉井技术为施工企业所推广，朝普遍应用方向发展。钢板刃脚技术。沉井的刃脚是极为重要的部位，新型刃脚结构包括混凝土井壁、混凝土刃脚实体、钢板刀片刃、钢板加劲肋、预埋铁件、弯矩平衡肋、水平圈梁、补偿垫块等多种组合体构造形式。该技术效果表现为这种新型刃脚结构具有井壁底宽大的踏面和较长的钢板刀片刃，沉井制作时对地基压强较小，可减少地基处理工作量；沉井下沉时，因钢板刀片刃较长且始终插入土层中，钢板刃脚不产生向井内挤土现象，有利于保护井内工程桩；挖空钢板刀片刃内侧土方时，井壁底正面阻力为零，降低了地基土对沉井的摩阻总抗力，利于沉井下沉；沉井终沉时，由于井壁底有宽大的踏面，地基承载力得到较充分的发挥，钢板刃脚内侧有足够的空间，利于在井壁底设计布桩。钢板刃脚技术的综合效果表现为提高了沉井建造与使用的安全性，加快沉井施工速度，提高沉井结构质量，降低沉井建造成本，支持沉井技术向深度发展。井底二次支护技术。在沉井内底层的水平支撑结构上设置导向圈梁，沿着导向圈梁外侧打入钢板桩墙，形成井底二次支护挡土墙，钢板桩墙与沉井下沉分别进行，交替进占，超前支护。该技术效果表现为钢板桩墙调动深层被动土压力以抵抗主动土压力，与沉井结构共同发挥挡土作用，如与井外止水帷幕联合使用，可从根本上解决井内涌土、井外塌陷的问题。尤其适用于饱和软黏土地区，促进沉井技术向深度发展。双向千斤顶拖拽沉井下沉技术。利用双向千斤顶，将其上部与沉井结构直接或间接地紧固连接，其下部通过轴向连接器与基桩紧固连接，操作收缩双向千斤顶拖拽沉井下沉。在此充分利用基桩的抗拔潜力，若基桩的抗拔力不足，则可采用螺旋锚对基桩叠加抗拔力。该技术效果表现为利用基桩的抗拔潜力，大大增加了沉井下沉的外加荷载，达到减轻沉井设计自重、减少耗材的目的，支持沉井技术向轻型化、超深度、普遍适用方向发展。汽车进入沉井内部运土技术。为了实现大面积大体量沉井的干式开挖目的，采用在井壁预留孔洞、井外设置活动栈桥、井内设置多层栈桥的技术组合方法，使得土方运输车辆直接进入沉井内部装土、运土。该技术效果表现为将挖土运土机械、挖土地点及运输路线进行空间与时间的优化组合，大幅度提高了开挖出土效率并有效配合了沉井下沉。施工技术：沉井可控下沉法适用于哪些工程？其操作流程是怎样的？丁慈鑫：沉井可控下沉法因其摒弃了传统沉井技术的缺陷，又充分发挥了沉井技术的综合优势，且操作简便、成本低廉，易于被广大施工企业掌握及推广，可应用于一般房屋建筑的地下工程或地铁车站基坑工程。利用沉井可控下沉法进行基坑施工，先将一般房屋建筑物的地下空间结构（或具有空腔的地下构筑物）在地面上大体制作完毕，且支撑于工程桩基之上，各层楼板上预留孔洞出土，形同沉井结构，然后在井内开挖出土且精确地控制其平稳下沉。依靠沉井结构自身的空间整体性，可完全替代一般的基坑支护功能。施工技术：对某一建设项目而言，沉井可控下沉法的应用可带来哪些技术、经济效益？丁慈鑫：沉井可控下沉法的应用可省略一般工程基坑支护方案及其费用；加快工程建设速度，降低成本；减少安全、质量事故的发生；为生命财产提供安全保障；可减少工程资金总量，延缓资金投入时间；促使建设项目提前投产，提前增加盈利收入；可充分利用土地面积与深度，大幅度提高城市地下空间的开发利用率。施工技术：结合当前国内基坑工程的发展现状及您对沉井可控下沉法技术的研究，您认为该项技术发展前景如何？丁慈鑫：目前全国每年的基坑工程费用总额超过3000亿元人民币，其中建材消耗1800亿元，包括超过2000万吨的钢材，超过6000万吨的水泥，3.5亿吨的混凝土，同时还消耗了超过1万亿吨公