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文档简介

拉森钢板桩支护基坑支护方案一、工程概况与编制依据

1.1项目基本信息

本项目位于XX市XX区,拟建建筑物包括主楼1栋(地上28层,地下3层)、裙楼2栋(地上5层,地下2层),总建筑面积约15.6万平方米。基坑开挖深度为12.5~15.3m,周长约420m,开挖范围内涉及软土层、粉砂层及粉质黏土层,地下水位埋深1.8~2.5m,场地周边为城市主干道及既有居民楼,最近距离约8m,对基坑变形控制要求严格。

1.2基坑设计参数

基坑支护结构采用拉森钢板桩+内支撑体系,具体参数如下:钢板桩选用IV型拉森钢板桩(截面尺寸400×170mm,每米重量76kg),桩长18m(嵌入基坑底以下5.2m);内支撑采用钢筋混凝土支撑(截面尺寸800×600mm)及钢支撑(Φ609×16mm),竖向设2道支撑,第一道支撑位于地面下1.5m,第二道支撑位于地面下7.0m;基坑周边设置管井降水井,井深25m,间距15m,确保坑底干燥作业。

1.3周边环境条件

基坑北侧为XX路,路下分布DN800给水管道、DN1000雨水管道及电力电缆,埋深1.2~2.0m;南侧为居民楼(6层,砖混结构,条形基础,基底埋深2.5m),距离基坑边线仅8m;东侧为在建工地,场地开阔;西侧为既有商业建筑,地下室距离基坑边线12m。周边环境复杂,需严格控制基坑开挖引起的地表沉降及管线变形。

1.4工程地质与水文地质条件

根据岩土工程勘察报告,场地地层自上而下为:①杂填土(厚1.5~2.3m,松散);②淤泥质粉质黏土(厚6.8~8.2m,流塑,高压缩性,fak=80kPa);③粉砂层(厚4.5~6.0m,稍密,渗透系数k=1.2×10⁻³cm/s);④粉质黏土(厚8.0~10.5m,可塑,fak=180kPa)。地下水类型为孔隙潜水,主要赋存于粉砂层中,水位受大气降水及地表径流补给,水位变幅约1.0m。

1.5编制依据

本方案编制主要依据以下规范及文件:《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)、《建筑地基基础工程施工质量验收标准》(GB50202-2018)、《拉森钢板桩技术规程》(YB/T4129-2022);本项目的岩土工程勘察报告(编号2023-XX)、基坑支护设计图纸(结施-01~08)、施工组织设计及现场踏勘资料。

二、支护方案设计

2.1设计原则

2.1.1安全可靠性原则

支护结构设计需确保施工全过程基坑稳定,满足承载能力和变形控制要求。本项目基坑开挖深度12.5~15.3m,周边存在既有建筑物和重要管线,支护结构需抵抗土压力、水压力及地面荷载作用,避免发生失稳、塌方或过大变形。设计采用极限状态法,按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别验算,确保结构安全系数不低于规范要求。

2.1.2经济合理性原则

在满足安全的前提下,优化支护结构形式和材料用量,降低工程造价。拉森钢板桩具有施工便捷、可回收利用的特点,相较于地下连续墙可节省造价约20%;通过合理布置支撑间距,减少支撑材料用量,同时缩短工期,间接降低施工成本。

2.1.3施工便捷性原则

设计方案需考虑现场施工条件和工期要求。拉森钢板桩采用振动锤沉桩工艺,施工速度快,对周边交通影响小;支撑体系采用钢筋混凝土与钢支撑组合形式,兼顾刚度与施工灵活性,确保各工序衔接顺畅。

2.1.4环境保护原则

严格控制基坑开挖对周边环境的影响,特别是南侧居民楼(距离基坑仅8m)和北侧管线。通过设置降水井降低地下水位,避免流砂现象;优化支撑预加轴力,减少地表沉降;施工过程中加强监测,及时调整施工参数。

2.2支护结构选型

2.2.1支护形式比选

本项目可选支护形式包括拉森钢板桩、SM工法桩、地下连续墙及排桩+锚杆。对比分析如下:地下连续墙刚度大但造价高、施工速度慢;SM工法桩止水效果好但需大量水泥,不适用于软土层;排桩+锚杆在软土层中锚固力难以保证。拉森钢板桩具有施工便捷、止水性能可靠、可回收等优势,适用于本项目的软土层和粉砂层地质条件。

2.2.2拉森钢板桩选型

根据基坑开挖深度和土层参数,选用IV型拉森钢板桩(截面400×170mm,每米重量76kg),桩长18m(嵌入基坑底以下5.2m)。钢板桩抗弯强度满足规范要求,在粉砂层中沉桩阻力小,止水效果良好,可有效防止坑外地下水渗入。

2.2.3支撑体系选型

结合基坑深度和周边环境,采用两道支撑体系:第一道钢筋混凝土支撑(截面800×600mm)位于地面下1.5m,提供较大刚度;第二道钢支撑(Φ609×16mm)位于地面下7.0m,施工方便且可施加预加轴力。支撑水平间距控制在4m以内,确保整体稳定性。

2.3计算分析

2.3.1荷载计算

作用于支护结构上的荷载主要包括土压力、水压力和地面荷载。土压力采用朗肯主动土压力理论,分层计算各土层压力;水压力按静水压力计算,考虑降水后的水位降低;地面荷载取20kPa(模拟周边道路行车荷载)。

2.3.2钢板桩入土深度计算

根据《建筑基坑支护技术规程》,采用极限平衡法计算钢板桩最小入土深度。考虑坑底抗隆起稳定性,入土深度需满足:D≥K×H×(γ'/γ''+q/γ''H),其中K取1.2,H为开挖深度,γ'为土体浮重度,γ''为坑底土体重度,q为地面荷载。计算得最小入土深度为4.8m,实际取5.2m,安全系数满足要求。

2.3.3内力计算

采用有限元软件MIDASGTSNX建立支护结构模型,模拟开挖和支撑施工过程。计算结果显示:钢板桩最大弯矩为285kN·m,出现在开挖面以下3m处;支撑轴力第一道为850kN,第二道为1200kN,均小于材料设计值。

2.3.4稳定性验算

(1)抗倾覆稳定性:抗倾覆安全系数Kq≥1.3,计算得Kq=1.52,满足要求;(2)抗隆起稳定性:采用普朗德尔公式计算,安全系数Kl≥1.6,计算得Kl=1.78,满足要求;(3)抗管涌稳定性:考虑降水后水头差,临界水力坡降i=γ'/γw=0.95,实际水力坡降i=0.82,安全系数Ks≥1.5,满足要求。

2.4构造要求

2.4.1钢板桩构造

钢板桩之间采用锁口连接,确保咬合紧密;桩顶设置冠梁(截面800×500mm),增强整体性;沉桩过程中垂直度偏差控制在1%以内,避免影响支护效果。

2.4.2支撑构造

钢筋混凝土支撑主筋采用HRB400钢筋,箍筋间距@200mm;钢支撑两端采用活络头,方便施加预加轴力(预加轴力设计值的50%);支撑节点设置加劲肋,防止局部失稳。

2.4.3降水系统构造

沿基坑周边布置管井降水井,井径600mm,井深25m,滤管长度8m,间距15m;降水井采用潜水泵,排水量控制在50m³/h,确保坑底水位低于开挖面以下0.5m。

2.4.4监测点布置

在基坑周边布置沉降观测点(间距20m)、水平位移观测点(间距25m)及支撑轴力监测点(每道支撑3个点),施工期间每日监测,数据异常时加密监测频率。

三、施工组织设计

3.1施工准备

3.1.1人员组织

成立专项施工小组,设项目经理1名、技术负责人1名、安全总监1名,配备专业打桩工8名、钢筋工12名、混凝土工10名、监测人员4名。所有特种作业人员持证上岗,施工前完成三级安全技术交底,重点讲解钢板桩沉桩工艺、支撑安装要点及变形监测要求。

3.1.2设备配置

主要施工设备包括:DZ90型振动锤(功率90kW)2台、KH180型履带式起重机(起重量50t)3台、HBTS80型混凝土输送泵1台、QY25型汽车吊1台、全站仪(LeicaTS16)1台、水准仪(DS3)2台。设备进场前完成调试与验收,确保振动锤夹具咬合力≥300kN,起重机起重性能满足钢板桩18m起重要求。

3.1.3材料准备

钢板桩按设计型号采购,每批次进场时检查锁口平直度(偏差≤2mm/m)、壁厚(允许误差±0.5mm)及材质证明(Q235B)。支撑体系钢筋采用HRB400,直径Φ25mm,钢支撑材质Q355B,焊条E50系列。混凝土采用C30商品混凝土,坍落度控制在140±20mm,配合比经试配确定。

3.1.4技术准备

组织技术人员深化施工图纸,明确钢板桩转角处理(采用定制异型桩)、支撑节点加劲肋布置(每节点设4块200×200×20mm加劲板)。编制《钢板桩沉桩作业指导书》《支撑预加轴力施工方案》,对施工员进行MIDAS模型交底,明确开挖步序与支撑施加时机。

3.1.5场地准备

清理基坑周边5m范围内障碍物,硬化施工道路(200mm厚C20混凝土),设置洗车槽及三级沉淀池。在基坑北侧预留材料堆场(300㎡),南侧居民楼侧设置2m高隔音屏。完成降水井试抽水,验证单井出水量(≥25m³/h)及水位降深(≥6m)。

3.2施工流程

3.2.1测量放线

依据规划控制点建立基坑周边监测基准网,采用全站仪精确放出钢板桩轴线(偏差≤10mm),每20m设置控制桩。标高控制点引测至周边建筑物,闭合差≤12√Lmm(L为测线长度)。

3.2.2钢板桩施工

(1)导向架安装:沿轴线安装双拼H型钢导向架(HN300×150),间距4m,确保定位精度。

(2)沉桩作业:采用屏风式打桩法,每10根桩为一段,先打设定位桩(垂直度偏差≤0.5%),再依次沉桩。振动锤夹紧钢板桩后,静压30秒确认锁口咬合,启动振动锤沉桩,速度控制在1.5m/min,避免倾斜。

(3)接桩处理:桩长不足时采用焊接接长,焊缝长度≥300mm,焊后经超声波探伤检测。

3.2.3降水系统施工

管井采用冲击钻成孔(直径600mm),井管采用Φ300mm无砂混凝土管,滤料填至地面下2m。潜水泵安装后进行24小时连续抽水,水位降至坑底以下0.5m后开始土方开挖。

3.2.4土方开挖

分层开挖:第一层开挖至第一道支撑底(-1.5m),及时安装支撑;第二层开挖至第二道支撑底(-7.0m),施加预加轴力;第三层开挖至坑底(-15.3m),每层开挖深度不超过2.5m。土方运输采用15t自卸车,出土坡道坡度≤1:8。

3.2.5支撑体系施工

(1)钢筋混凝土支撑:绑扎钢筋时预留轴力监测预埋件(JMZX-215型传感器),混凝土浇筑采用分层斜面推进法,振捣棒插入间距≤500mm。

(2)钢支撑:安装前先在钢板桩上焊接牛腿(三角钢板),钢支撑吊装就位后用200t千斤顶施加预加轴力(第一道500kN,第二道700kN),锁定采用特制楔形块。

3.2.6拆除支撑

主体结构底板及传力带(C35混凝土)达到设计强度80%后,按"先换撑后拆撑"原则:拆除第二道钢支撑→施工地下二层楼板→拆除第一道支撑→施工地下一层楼板。钢支撑采用气割分段吊运,混凝土支撑破碎后外运。

3.3关键工序控制

3.3.1钢板桩垂直度控制

沉桩过程中经纬仪全程监测,当倾斜度>1%时立即纠偏。采用"打一拔一"法处理锁口卡阻,确保相邻桩高差≤50mm。基坑开挖后对锁口进行注浆(水泥水玻璃双液浆)止漏。

3.3.2支撑轴力控制

每道支撑安装后24小时内完成预加轴力施加,轴力损失超过设计值10%时补张拉。采用频率读数仪采集传感器数据,每日比对设计值与实测值偏差。

3.3.3变形监测

(1)地表沉降:在基坑北侧道路及南侧居民楼布设沉降观测点(间距15m),采用精密水准仪按二等水准测量。

(2)桩顶位移:全站仪监测桩顶水平位移,报警值30mm(累计值)、3mm/d(日变量)。

(3)管线变形:对DN800给水管安装位移监测点(每10m1个),预警值10mm。

3.3.4降水控制

降水井运行期间定时观测水位,当单井出水量减少30%时进行洗井(采用活塞法)。坑内设置集水井(Φ1.0m×1.5m),配备潜水泵应急排水。

3.3.5应急预案

(1)渗漏处理:备有聚氨酯注浆机,遇渗漏时在钢板桩外侧注浆形成止水帷幕。

(2)变形超限:立即停止开挖,回填反压土方,必要时增加临时钢支撑。

(3)管线破坏:启动停水停电预案,联系产权单位抢修,同时采用注浆加固周边土体。

四、监测与质量控制

4.1监测体系设计

4.1.1监测点布置

基坑周边共布设沉降观测点32个,间距15~20m,重点加密南侧居民楼侧(间距10m)及北侧管线区(每10m1点)。水平位移监测点设于桩顶冠梁上,共28个,采用强制对中观测墩。支撑轴力监测点每道支撑布置3个传感器,分别位于跨中及两端。地下水位观测井沿基坑周边每30m布置1口,深度同降水井。

4.1.2监测频率

施工准备阶段:1次/周;钢板桩沉桩期间:1次/天;土方开挖至第一道支撑底:2次/天;开挖至第二道支撑底及坑底:4次/天;主体结构施工:1次/2天。遇暴雨、变形超预警值时加密至1次/2小时。

4.1.3预警值设定

地表沉降累计值20mm,日变量3mm;桩顶位移累计值30mm,日变量5mm;支撑轴力偏差±10%;地下水位日降速500mm。达到预警值时启动应急响应,超过报警值(累计值30mm,日变量5mm)立即停工处理。

4.2关键监测项目

4.2.1支护结构变形监测

采用全站仪(LeicaTS16)监测桩顶水平位移,坐标法计算位移量。在钢板桩外侧埋设测斜管(Φ70mm),每0.5m采集一次数据,重点监测开挖面以下3~8m软土层变形。数据显示:最大位移出现在开挖面以下5m处,累计值18mm,满足控制要求。

4.2.2周边环境监测

(1)居民楼沉降:在6栋楼四角及墙体中部布设沉降点,采用精密水准仪(DS05)测量。最大沉降量12mm,差异沉降0.15‰,低于规范限值2‰。

(2)管线变形:对DN800给水管安装位移监测点(每10m1个),采用静力水准系统测量。累计位移8mm,未达到10mm预警值。

(2)地下水位:降水井水位通过水位计实时监测,坑外水位稳定在-8.5m,坑内水位-16.0m,水头差7.5m,未发生管涌。

4.2.3支撑体系受力监测

钢筋混凝土支撑轴力通过埋设振弦式传感器(ZX-215)监测,钢支撑采用轴力计(JTM-2000)。数据显示:第一道支撑最大轴力780kN(设计值850kN),第二道支撑1150kN(设计值1200kN),轴力损失率均小于8%,预加轴力有效。

4.3质量控制措施

4.3.1钢板桩施工质量控制

(1)材料验收:每批钢板桩检查材质证明、锁口尺寸(宽度偏差±2mm)、平直度(弯曲矢高≤L/1000)。

(2)沉桩控制:垂直度采用双向经纬仪监测,偏差控制在0.5%以内;锁口间隙控制在3~5mm,采用榫榫连接;桩顶标高误差≤50mm。

(3)接桩质量:焊接采用坡口全熔透焊,焊后进行20%超声波探伤,焊缝高度≥8mm。

4.3.2支撑体系质量控制

(1)钢筋工程:主筋间距偏差≤10mm,箍筋间距±20mm,保护层厚度±5mm。

(2)混凝土工程:坍落度140±20mm,浇筑分层厚度≤500mm,振捣点间距≤500mm,养护覆盖土工布洒水7天。

(3)钢支撑安装:牛腿标高偏差≤5mm,支撑轴线偏差≤10mm,预加轴力采用油压表与传感器双控,误差≤±5%。

4.3.3降水系统质量控制

(1)成孔质量:井孔垂直度偏差≤1%,孔径偏差±20mm,井管居中偏差50mm。

(2)滤料填筑:采用粒径2~7mm石英砂,填筑密实度≥95%,井口封填采用黏土球。

(3)水泵运行:单井出水量≥25m³/h,电机温升≤60℃,运行电流不超过额定值90%。

4.4数据分析与反馈

4.4.1数据处理流程

监测数据每日采集后进行3次复核,剔除异常值后计算日变量及累计值。采用MATLAB软件建立位移-时间曲线,通过灰色预测模型(GM(1,1))预报未来变形趋势。当预测值达预警值80%时提前预警。

4.4.2信息反馈机制

建立“监测员→技术负责人→项目总监→建设单位”四级报告制度。每日监测报告包含变形云图、支撑轴力柱状图、水位变化曲线。异常数据1小时内现场核查,2小时内提交初步分析报告。

4.4.3动态设计调整

根据监测数据优化施工参数:当南侧居民楼沉降速率达2mm/天时,调整第二道支撑预加轴力由700kN增至850kN;坑底隆起超过3mm时,增加坑底加固(Φ600@400mm三轴搅拌桩,深6m)。

4.5验收标准

4.5.1分项工程验收

钢板桩验收按《建筑地基基础工程施工质量验收标准》(GB50202-2018),桩位偏差≤50mm,垂直度偏差≤0.5%。支撑验收按《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204),混凝土强度同条件试块达标率100%,焊缝质量一级合格。

4.5.2监测成果验收

提交完整监测报告,包含原始数据、分析图表、变形预测及处理措施。累计变形值、差异沉降、管线位移等关键指标均需满足设计及规范要求,验收结论由建设、监理、监测单位三方签认。

五、风险管理与应急措施

5.1风险识别与分级

5.1.1地质风险

场地淤泥质粉质黏土层厚度达8.2m,流塑状态易引发坑底隆起。粉砂层渗透系数1.2×10⁻³cm/s,降水不当可能导致管涌。开挖揭露后土体暴露时间超过2小时,可能发生流砂坍塌。

5.1.2环境风险

南侧居民楼距基坑仅8m,砖混结构对差异沉降敏感(限值2‰)。北侧DN800给水管道埋深1.8m,土体位移超过10mm可能引发接口渗漏。基坑西侧既有建筑地下室存在未探明管线,施工扰动可能造成破坏。

5.1.3施工风险

钢板桩锁口渗漏率约5%,局部渗漏可能发展成涌水。支撑体系预加轴力损失率8%,超挖导致支撑轴力突增。雨季施工时坑内积水可能引发机械故障。

5.1.4风险分级标准

采用LEC法评估风险等级:

-红色(重大):居民楼差异沉降>2‰、管线位移>10mm、支撑轴力超设计值15%

-黄色(较大):地表沉降>20mm/日、坑底隆起>30mm、单井出水量减少50%

-蓝色(一般):锁口渗漏、支撑轴力损失>10%、局部超挖≤0.5m

5.2预防控制措施

5.2.1地质风险防控

(1)坑底加固:开挖前在第二道支撑下方3m处施工Φ600@400mm三轴搅拌桩,桩长6m,水泥掺量20%,28天无侧限抗压强度≥1.2MPa。

(2)降水优化:管井降水启动前进行抽水试验,调整水泵频率维持坑外水位降深≤6m,避免水头差过大。

(3)土方管控:每层开挖完成后24小时内完成垫层浇筑,暴露土体覆盖防雨布。

5.2.2环境风险防控

(1)居民楼保护:在基坑南侧设置双排应力释放孔(Φ300mm,间距2m,深15m),填充聚苯乙烯颗粒缓冲变形。

(2)管线保护:给水管两侧采用袖阀管注浆(水泥-水玻璃双液浆),注浆压力≤0.3MPa,形成2m宽加固带。

(3)实时监测:采用自动化监测系统(频率≥1次/小时),数据超阈值自动触发声光报警。

5.2.3施工风险防控

(1)钢板桩止水:锁口处涂抹聚氨酯密封膏,沉桩后24小时内发现渗漏立即注浆(水玻璃-水泥浆)。

(2)支撑预控:钢支撑安装后48小时内完成二次张拉,轴力传感器与油压表双控。

(3)雨季防护:基坑周边设置截水沟(300×400mm),配备3台大功率水泵(流量100m³/h),储备500㎡防雨布。

5.3应急响应机制

5.3.1组织架构

成立应急指挥部,项目经理任总指挥,下设技术组、物资组、抢险组、通讯组。抢险组配备20名专业队员,24小时待命。建立与市政、消防、医院联动机制,应急联系电话张贴于现场入口。

5.3.2响应流程

(1)蓝色预警:现场负责人组织排查,2小时内制定整改方案。

(2)黄色预警:技术组现场会商,4小时内启动加固措施(如增设钢支撑、回填反压)。

(3)红色预警:立即停工疏散人员,抢险组30分钟内进场,同步上报建设主管部门。

5.3.3应急处置

(1)渗漏涌水:启动备用聚氨酯注浆机,在渗漏点外侧1m处斜向钻孔注浆,同时坑内回填至渗漏点以上1m。

(2)变形超限:立即回填土方至变形监测点下方,采用千斤顶对支撑进行二次加压,同步启动周边建筑物加固。

(3)管线破坏:关闭阀门隔离区域,采用快速凝固材料封堵接口,联系产权单位修复期间采用临时供水方案。

5.4应急资源保障

5.4.1物资储备

现场设置专用应急仓库,储备:

-注浆材料:聚氨酯(2t)、水玻璃(1t)、水泥(10t)

-加固材料:H型钢(300×300×10mm,50m)、钢支撑(Φ609×16mm,100m)

-排水设备:潜水泵(流量50m³/h,5台)、发电机(200kW,2台)

-防护物资:救生衣(20件)、应急灯(30个)、医疗箱(5个)

5.4.2设备保障

应急设备实行“双备份”:

-注浆设备:主机2台,备用1台

-起重设备:50t履带吊2台,协议租赁2台

-监测设备:全站仪(LeicaTS16)2台,备用1台

5.4.3演练机制

每月开展1次综合演练,重点演练:

-渗漏涌水处置流程(从发现到注浆完成≤40分钟)

-人员疏散路线(从基坑到安全区≤3分钟)

-跨部门联动(与消防、医院响应时间≤15分钟)

演练后评估改进,更新应急预案。

六、资源配置与可持续管理

6.1人力资源配置

6.1.1核心团队组建

项目配置专职安全工程师1名(注册安全工程师),负责日常安全巡查与风险评估;监测工程师2名(持有CMA监测资质),负责数据采集与分析;环保专员1名,监督绿色施工措施落实。施工班组实行“双班倒”制,打桩组12人、支撑组15人、土方组20人,确保24小时连续作业。

6.1.2培训与交底

每周开展1次技术培训,重点讲授地质突变处理(如粉砂层遇水软化)、支撑轴力调整技巧。采用VR模拟演练渗漏事故处置流程,提升应急响应能力。新进场人员必须通过“三级安全教育”考试,合格率需达100%。

6.1.3绩效管理

实施“安全质量一票否决制”,将变形控制指标纳入班组考核:累计沉降超15mm扣罚当月奖金30%,支撑轴力偏差超8%暂停作业整改。设立“技术创新奖”,鼓励优化降水井布局等工艺改进。

6.2物资与设备保障

6.2.1材料动态管理

建立材料BIM模型,实时追踪钢板桩库存(最低储备量200根)。采用“以旧换新”机制,回收拔除的钢板桩经修复后用于非关键部位。商品混凝土采用“零库存”策略,根据浇筑计划提前4小时通知供应商,减少现场滞留。

6.2.2设备运维体系

关键设备实行“定人定机”制度:振动锤操作员需持有特种作业证,每日检查夹具磨损量(超3mm立即更换)。建立设备电子档案,记录累计工作时间与故障率,对连续运行超72小时的设备强制保养。

6.2.3应急物资储备

现场设置标准化应急仓库,物资分区管理:

-注浆材料区:聚氨酯储罐(容量1m³)、水泥仓(吨袋包装)

-加固材料区:H型钢(300×300×10mm,长度6m)

-动力保障区:200kW发电机(柴油储备≥8小时用量)

每月清点物资有效期,确保应急物资随时可用。

6.3绿色施工措施

6.3.1节水与水资源循环

降水井抽排的地下水经三级沉淀(沉淀池容积50m³)后,用于:

-基坑周边道路喷淋降尘(日用水量约30m³)

-混凝土养护(覆盖土工布喷淋)

-场地绿化(种植耐旱植物)

水资源利用率达85%,较传统方案减少市政用水40%。

6.3.2噪声与扬尘控制

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