基坑支護設計中節能環保技術的實踐論文
［摘要］伴隨著無錫地區城市化程序的發展，地下空間開發力度加大。深基坑工程規模越來越大，周邊環境越來越複雜，但是基坑支護設計還相對保守。介紹了在無錫地區基坑工程支護設計中的一些環保節能設計方案的實踐，並提出了嘗試在基坑工程支護設計中建立以碳排放量為目標函式的評價體系作為方案節能環保指標評價的標準之一，對於環境保護、節約能源有著重要的意義。
［關鍵詞］基坑支護;設計;節能;環保;碳排放量;評價體系
［中圖分類號］TU74;TU753.1［文獻標識碼］A［文章編號］1002-8498(2016)04-0079-03
無錫地區近年來城市化程序發展迅速，伴隨著地下空間開發力度的增大，深基坑工程規模越來越大，深度也不斷加深。由於基坑周邊環境要素日益複雜，對基坑變形控制的要求越來越高。相應的，基坑支護設計所採用的手段日益保守和複雜，大直徑灌注樁(地下連續牆)、多道混凝土支撐以及三軸攪拌樁的應用越來越多，支護結構所用混凝土可多達上萬m3，支護造價動輒數以億計，同時伴隨著泥漿大量排放和地下水無序抽排，基坑支護施工事實上已成為地下工程汙染大戶，在保護周邊建築環境的同時破壞自然環境。當前，節能環保和綠色岩土的觀念已經深入人心，在基坑支護設計實踐中只有貫徹先進理念和採用先進技術的設計方案才能真正做到“安全適用、保護環境、技術先進、經濟合理和確保質量”，也才能確保自身的長期可持續發展。目前，我們已在多個工程設計中展開初步實踐，簡要介紹如下。
1節能環保理念在概念設計階段的`應用
1.1節能環保理念在概念設計階段的實踐
方案概念設計階段在滿足基坑安全需要的前提下要做到真正節能環保，應充分對施工現場進行調查測繪，並結合工程自身特點及地層特性進行多方案比較。1)取得建築總圖、地形圖以及地下室設計圖紙後，需要結合上述資料對基坑周邊環境要素進行校核測繪，初步方案完成後還要取得施工現場佈置總平面圖以避開施工道路以及臨建設施等，確保方案能夠方便施工，安全可行。2)在充分分析場地條件前提下，儘可能採用自然放坡等耗材較少的處理形式，穩定性不足時可以輔助採用地面拉錨、坡面增加木樁、微型鋼管樁以及降水等措施進行區域性加強。對於周邊環境條件複雜程度不一情況下，可採用分段、多種支護手段組合形式以儘量降低材料用量來實現節能環保的目標。無錫某工程結合周邊環境分割槽採用斜拋撐、斜拉錨和二級放坡等手段支護，如圖1所示。3)結合無錫地層特點充分利用第一硬土層力學指標較高、自立高度較大的特點上部適度放坡，對於目前較多的10m左右2層地下室，上部放坡4m左右可減少圍護樁混凝土總量的20%～25%，節能減排效果非常顯著。4)對於剛性樁的選擇，在滿足設計安全度前提下應優先選擇預製樁(管樁、方樁)，預製樁在製作及現場施工減排方面遠優於灌注樁。其次可根據變形控制及工期情況選擇灌注樁或鋼板樁。5)當基坑開挖面積不大或基坑性狀為條形時，採用內支撐支護形式其節能減排的效益較錨杆等其他形式好，因此應優先採用內支撐支護;當基坑面積較大情況下，採用內支撐結構混凝土的用量偏大，可採用雙排疏樁剛性門架支護形式，其節能減排的效果最為顯著。6)當必須採用內支撐時，應儘量採用斜拋撐尤其是鋼拋撐形式(見圖2)。
1.2節能環保理念在模型計算階段的實踐
在總體設計方案確定後，根據岩土工程勘察報告所建議基坑引數進行設計計算。在該階段，主要體會如下。1)對設計引數需要結合自身經驗進行合理調整。計算得到的圍護樁內力設計值可根據變形控制情況進行適度折減。2)對於大多數電梯基坑是否需要降低承壓水頭應根據地質報告以及相關施工反饋資料進行慎重分析。3)雖然目前大型的有限元分析程式在結構設計中已經廣泛應用，但是由於岩土體的引數、本構模型複雜性在實踐中應用還不多。目前簡化的計算程式雖然可以總體對基坑的安全度予以把握，但是對於複雜的節點結構無能為力。在實踐中採用二者相互結合的方法進行較為精確的計算，進而可實現對圍護結構的安全、經濟評估(見圖3)。
2豎向擋土結構應用節能環保技術的實踐
豎向擋土結構的選擇儘量採用耗材量最少的樁型作為設計實施方案，如選用木樁、竹子、預應力管樁、預應力空心方管樁、鋼板樁、SMW工法等，從保護環境角度可選用預製型樁，少用排汙量大的水鑽孔樁;如必須選用鑽孔型樁，則在施工機具選型上儘量選用幹挖鑽機或旋挖鑽機施工方法，以降低耗能及減少對環境的汙染。
2.1選擇竹木材料作為豎向擋土結構
透過選用木樁等材料替代坡腳超前錨杆實踐證明其效果良好且施工方便，當邊坡穩定性不能滿足要求時可採用雙排或多排木樁形成門架抵抗土壓力。
2.2選擇可迴圈利用的鋼材作為豎向擋土結構
鋼板樁/SMW工法承載力強，自身結構輕，鋼板樁構成的連續牆體具有很高的強度與剛度，可有效完成基坑支護工作，同時鋼材可迴圈利用達20～30次，因此具有顯著的節能環保特點。此外，其具有施工簡便，能適應不同的地質情況和土質，可減少基坑開挖量，作業佔用場地較小。施工環保，取土量和混凝土用量大幅減少，可有效保護土地資源。因此在基坑支護實踐中儘量利用。
2.3選擇預應力管樁及預製方樁作為豎向擋土結構
對於無錫地區2層地下室開挖深度10m以內時，當必須選擇剛性樁支護情況下，如鋼板樁等因工期導致造價偏高時儘可能採用耗能、耗材少的管樁或者方樁作為支護結構。同時，管樁可儘量採用常規PHC管樁。實踐證明其造價可降低50%。目前已在無錫近10個2層地下室基坑支護設計中採用管樁支護技術，經濟效益顯著。
3其他技術思路與需要解決的問題
3.1基坑支護設計中節能環保的其他思路
1)設計中充分利用可再生材料作為結構體，這樣可大大減少礦產的開採，最大限度保護礦產資源。最大限度減少使用冶煉及燒結的材料，多使用竹木等自然生長材料以減少碳排放量。2)多選用可迴圈使用的材料，如基坑支護中的型鋼支撐、SMW工法中的工字鋼等。3)在設計可能的情況下，充分利用降水管井建立自滲流體系的裝置，可永久利用滲上來的地下水。4)輕型井點降水體系中，儘量採用竹管或PVC管代替鋼管作為降水管使用。5)在基坑噴錨支護技術中，採用秸稈噴射混凝土技術，即在噴射混凝土中摻和一定量的秸稈材料，這樣可以消耗掉一定量的農村秸稈(農村中的秸稈大部分在田裡燒掉，影響環境)，達到環保的目的。在達到噴射混凝土強度的前提下，秸稈的摻和量應做一定的試驗。
3.2需要解決的問題
在工程安全度得到保證的前提下，如何評價設計方案節能環保性目前還沒有明確方法。如能根據設計方案的耗能、耗材(資源)量最終建立起以碳排放量為目標函式的評價體系，則可將設計方案的節能環保性進行量化計算，進而成為方案比較的重要依據。如假定某方案的總碳排放量分別由所用建材如水泥、混凝土、鋼筋的生產過程以及現場施工過程等環節組成，建立工程碳排放量函式關係如下:F(c)=∑F1(c)+F2(c)++Fn(c)式中:Fn(c)為某分項碳排放量，其計算方法為:Fn(c)=Ab式中:A為材料總用量，b為單位材料碳排放量。可見，要想對方案的節能環保指標進行量化分析，目前需要解決的問題是要儘快進行計算分析，取得不同材料的碳排放量計算方法。
4結語
環保、節能、低碳及可持續發展的理念逐漸被人們所接受，岩土工程施工過程中大量耗能耗材、並對環境產生一定破壞，岩土工程師應認識到在滿足工程建設目標的前提下，還要對方案的節能環保指標予以重點關注。在岩土工程領域儘量多使用竹、木、秸稈等可迴圈使用的建築材料，儘量多利用太陽能、多節約水資源、多節約電能，對於能源和環境保護有著非常重要的意義。岩土工程師應不斷透過技術創新和工藝改良，確保設計方案的節能環保。
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