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施工技术丨我国基坑工程技术新进展与展望

新春特辑

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专家介绍

全国工程勘察设计大师,教授级高级工程师,总工程师

近年来,我国基坑工程不断发展,呈现出新的特点,主要表现在哪些方面?

王卫东:

规模越来越大。主楼与裙楼连成一片、大面积地下车库、地下商业与休闲中心一体化开发的模式频频出现,使得面积在10 000~50 000m2的基坑越来越多,有些甚至>100 000m2。典型的工程如上海铁路南站北广场,基坑开挖面积40 000m2;昆明恒隆广场,基坑开挖面积达到53 000m2;天津117大厦基坑开挖面积达100 000m2;无锡火车站北广场综合交通枢纽项目基坑开挖面积达到125 000m2;天津于家堡金融起步区一期工程超大规模基坑群的基坑总开挖面积达到140 000m2;上海虹桥交通枢纽工程的基坑开挖面积更是高达400 000m2。

开挖深度越来越大。开挖深度达到20~30m的基坑越来越多,有的甚至>50m。典型的基坑工程如广州地铁珠海广场站,开挖深度27m;武汉绿地中心主楼挖深30.4m;国家大剧院基坑工程大部分开挖深度26m,局部达到32.5m;上海世博500kV地下变电站开挖深度34m;润扬大桥南汊北锚碇深基坑的开挖深度达到50m;正在建设的为满足上海苏州河深层排水调蓄工程需求的竖井设计最大挖深达到70m。

周边环境复杂敏感。大量基坑工程邻近地下管线、建筑与地铁构筑物等。我国城镇化进程的加速、新一轮城市改造的推进以及城市轨道交通建设的飞速发展,使得基坑工程的周边环境更加复杂敏感。典型的工程如南京紫峰大厦,紧邻的南京地铁1号线隧道距基坑仅5m;上海兴业银行大厦,周边紧邻8栋上海市优秀近代保护建筑且周边有年代久远的地下管线;上海太平洋广场二期基坑距地铁1号线隧道外边线仅3.8m;上海越洋广场基坑紧贴运营中的地铁2号线静安寺车站结构外墙,开挖过程中暴露地铁车站的地下连续墙。

当前,新的深基坑开挖与支护技术有哪些?其技术特点与实际应用如何?

王卫东:

1、支护结构与主体结构相结合技术

1.1 技术特点

支护结构与主体结构相结合是采用主体地下结构的一部分构件(如地下室外墙、水平梁板、中间支承柱和桩)或全部构件作为基坑开挖阶段的支护结构,不设置或仅设置部分临时支护结构的一种设计和施工方法。

1.2 典型工程案例

上海世博500kV地下变电站,是上海2010年世博会的重要配套工程,建设规模位列全国同类工程之首,位于上海市中心城区。变电站为全地下4层筒形结构,地下建筑直径为130m,基坑面积约为13 000m2,开挖深度34m,为大型超深基坑工程。

基坑工程采用支护结构与主体地下结构全面结合的全逆作法方案。逆作阶段结构剖面如图1所示,基坑工程实景如图2所示。

图1 地下变电站基坑支护剖面

图2  地下变电站基坑工程实景

2、上下同步逆作法技术

2.1 上下同步逆作法

上下同步逆作法是一种特殊形式的逆作法,这种施工方法是先施工界面层,向下逆作地下结构的同时向上顺作施工地上结构(见图3)。

图3  上下同步逆作法示意

与常规的地下结构建造方法相比,上下同步逆作法方案具有诸多优点,如可缩短工程施工工期(对比见图4)。

图4  顺作和上下同步逆作施工工期对比

2.2 典型工程案例

南京青奥中心双塔楼项目位于南京市建邺区,地上建筑包括1栋314.5m高的68层五星级酒店及办公楼,1栋249.5m高的58层会议型酒店及配套设施;地下建筑共分为3层,主要为地下停车场、部分商业及设备用房。基坑面积约为11 000m2,基坑开挖深度为14~21m。

本工程基坑总体采用上下同步逆作法实施,具体支护结构设计方案如下:基坑周边采用“两墙合一”地下连续墙作为围护结构,兼作地下室主体结构外墙;基坑竖向利用地下3层结构梁板作为水平支撑;竖向支承体系普遍采用圆形或矩形钢管混凝土柱,并对核心筒进行了托换(见图5),局部位置采用临时角钢格构柱;在基坑逆作施工的同时,同步施工超高层塔楼上部结构。

图5  核心筒托换实景

3、超深地下连续墙技术

3.1 超深地下连续墙

复杂地层下的超深地下连续墙施工难度大,主要反映在如下几个方面:①超深地下连续墙往往是上部为软土地层,下部需穿越硬土层,如密实砂土甚至需进入基岩,如采用常规液压抓斗成槽则在硬土层及基岩中成槽,掘进困难且工效低,且抓斗齿易损坏、更换频繁;②超深地下连续墙如采用常规锁口管接头,起拔难度大,巨大的顶拔力因管身材料焊接加工质量或导墙后座强度不够导致锁口管拔断或埋管的风险机率将大为增加;③超深地下连续墙槽壁稳定与垂直度控制技术难度增加。

3.2 抓铣结合成槽技术

超深地下连续墙抓铣结合成槽工艺即在上部软土层中采用液压抓斗成槽机成槽,在下部硬土层中采用铣削式成槽机成槽。其施工主要原理是采用液压抓斗式成槽机和铣槽机的接力形式进行成槽,如图6所示。

图6  抓铣结合成槽示意

3.3 超深地下连续墙接头

超深地下连续墙接头可采用H型钢接头方式,施工时地下连续墙分为先行槽段和后续槽段,先行槽段的地下连续墙钢筋笼两端为H型钢,H型钢与先行槽段钢筋焊接形成整体,后续槽段可设置接头钢筋深入到接头的拼接钢板区;这种接头形式没有无筋区域,止水性能良好,且地下连续墙整体性好。超深地下连续墙也可采用铣接头,即在2个Ⅰ期槽段中间下入铣槽机,铣掉Ⅰ期槽孔端的部分混凝土后与II期槽段形成锯齿形搭接。

3.4 典型工程案例

武汉绿地中心项目基坑主楼最大开挖深度30.4m,采用1.2m厚的超深地下连续墙作为基坑的围护结构。地下连续墙穿过深厚细砂层、嵌入中风化基岩,完全隔断坑内外承压水,地下连续墙底部最大埋深达57m。深厚密实细砂层、含砾中细砂层和强风化砂质泥岩及细砂岩的标准贯入击数均远远>30击,主楼区中风化细砂岩的单轴饱和抗压强度达17MPa,采用常规的液压成槽机在工效、垂直度等方面均难以满足工程要求。

结合场地中风化岩层的分布和土层“上软下硬”的特点,主塔楼硬质砂岩分布区域1.2m厚地下连续墙采用了成槽质量高、工效快的“抓铣结合”的成槽工艺(见图7,8),即浅层采用抓斗式成槽机施工,深层采用铣槽机施工。

图7  地下连续墙铣削成槽

图8  超深地下连续墙钢筋笼吊装

4、超深水泥土搅拌墙技术

4.1 超深三轴水泥土搅拌桩技术

目前国内已从日本引入预钻孔结合连续加接长钻杆法三轴搅拌桩新型施工工艺,其施工设备采用大功率动力头,并采用可以连续接长的钻杆和适用于标准贯入击数>50的密实砂土层钻进的镶齿螺旋钻头,搅拌桩的深度可达到50m。该工艺在上海、天津等多个项目中得到了成功应用,取得了良好的技术效果。

4.2 TRD工法

该技术首先将链锯型切削刀具插入地基(见图9),掘削至墙体设计深度,然后注入水泥浆液与原位土体混合,并持续横向掘削、搅拌,水平推进,构筑成高品质的水泥土搅拌连续墙。该技术适应地层广,不仅适用于标准贯入击数<100的土层,还可在卵砾石层和软岩地层中施工。由该技术构建的墙体水泥土搅拌均匀、连续无接缝,

图9  TRD施工设备及技术原理示意

4.3 CSM工法

该技术结合了液压铣槽机设备的技术特点和深层搅拌技术的应用领域,可以应用到各种复杂的地质条件中(见图10)。

图10 CSM施工设备及铣削钻头搅拌示意

4.4 典型工程案例

上海国际金融中心项目位于上海市浦东新区,基坑面积约为48 860m2,开挖深度为26.5~27.9m,基坑采用顺逆结合设计方案。根据群井抽水试验,基坑的降水井深度≥45m。由于本工程场地深部第⑦层、第⑨层中的承压水连通,深度超过现有设备的施工能力,无法采用隔断的处理方案,因此考虑采用悬挂帷幕的方案。

5、节能降耗的基坑支护技术

5.1 桩墙合一技术

桩墙合一是将原本废弃的围护排桩作为主体地下结构的一部分,与其共同承担永久使用阶段荷载,如图11所示。

a水平向结合                                           b水平与竖向结合

图11  桩墙合一结合模式示意

5.2 可回收式锚杆支护技术

可回收锚杆主要有3种类型:机械可回收式、力学可回收式、回转式。

5.3 预应力装配式鱼腹梁支撑技术

当基坑采用传统钢支撑时,杆件一般较密集,挖土空间较小,在一定程度上降低了挖土效率。预应力鱼腹梁装配式钢支撑系统(IPS)是一种以钢绞线、千斤顶和支杆来替代传统支撑的临时支撑系统。预应力鱼腹式钢支撑体系由水平支撑系统和竖向支承系统组成(见图12)。

图12  预应力鱼腹式钢支撑体系组成

5.4 典型工程案例

虹桥商务区08地块位于上海市虹桥商务核心区,分为D13和D23 2个街坊,地上建筑为多栋2~10层多层建筑,均设置3层地下室。2个街坊基坑面积分别为4.6万m2和4.1万m2,开挖深度均约17m。在开挖深度范围的土层主要有②层粉质黏土层、③层淤泥质粉质黏土层和④层淤泥质黏土层。

该项目采用围护排桩与地下室外墙水平向结合的桩墙合一技术(见图13),桩墙间采用传力板带型传力方式,以满足外保温的设置需要。

图13 桩墙合一的实施

6、复杂环境条件下的软土深基坑变形控制技术

6.1 软土深基坑变形控制指标(见表1)

表1  基坑变形设计控制指标

6.2 深基坑变形控制方法

1)时空效应方法

充分利用软土基坑的时空效应,可有效地控制基坑的变形。对于长条形深基坑,可采用分层分段开挖,确定分层厚度和分段长度参数,且每段开挖中又分层、分小段,并限时完成每小段的开挖和支撑。典型长条形基坑的开挖方式和设计参数如图14所示。

图14 狭长形地铁车站基坑分层分段开挖示意及施工参数

对于大宽度深基坑,可根据基坑形状、环境保护情况和支撑布置情况采用分层、盆式分块开挖的方式施工,一个典型方形采用钢筋混凝土支撑的基坑开挖流程如图15所示

图15  大宽度基坑分块盆式开挖流程示意

2)分区施工方法

3)土体加固方法(见图16)

图16 基坑被动区土体加固的平面布置方式

4)隔断法(见图17,18)

图17  隔断墙法保护示意

图18  隔水墙法保护示意

6.3 典型工程案例

上海盛大中心基坑工程位于上海浦东新区2-11-1地块,基坑面积约7 000m2,塔楼区基坑挖深22.15m,裙楼区20.95m,邻近地铁4号线区域挖深17.15m。在邻近地铁4号线区域设置3层地下室、其余区域均设置4层地下室。地铁4号线区间隧道走向与本工程地下室沿福山路侧外墙基本平行,埋深约17m,地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约6.0m;地铁2号线隧道走向与本工程地下室沿世纪大道侧外墙基本平行,自西向东埋深逐渐增加,在本工程基地北侧范围内埋深16~17m,地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约38m;9号线隧道走向与本工程地下室沿世纪大道侧外墙基本平行,自西向东埋深逐渐增加,在本工程基地北侧范围内埋深约16~19m,地铁隧道结构距离本工程地下连续墙约8.5m。场地南侧福山路对面为待建的宏嘉大厦工程,与本工程距离约35m。另外,周边世纪大道、向城路和福山路下均埋设有大量市政管线。基坑周边环境条件复杂,环境保护要求极高。

基坑总体方案采用分区顺作实施方案。基坑周边设置两墙合一地下连续墙围护结构,并在坑内主楼区与裙楼之间后浇带位置设置临时隔断地下连续墙,将基坑分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区3部分(见图19)。然后采用顺作法在塔楼所在的I区架设5道水平内支撑系统(见图20),顺作施工完成Ⅰ区地下结构后,再同样采用顺作法依次在Ⅱ区和Ⅲ区内架设5道水平内支撑系统,施工完成相应的地下结构,最后从上至下凿除临时隔断地下连续墙并依次连接隔断墙两侧结构梁板,施工完成全部地下室。Ⅰ区基坑竖向设置5道水平钢筋混凝土支撑系统,采用

对撑体系的布置形式;Ⅱ区、Ⅲ区基坑普遍区域竖向设置1道钢筋混凝土支撑系统和4道钢管支撑系统,其中钢支撑采用伺服轴力自动补偿系统钢支撑。此外,还对Ⅱ区和Ⅲ区坑内土体进行了满堂加固。

图19  上海盛大中心基坑分区及支撑平面布置

图20  上海盛大中心基坑围护典型剖面

随着基坑工程进一步向大深度、大面积、周边环境更加复杂的方向发展,工程中会不断出现新的挑战。深基坑工程未来的发展方向是什么?

王卫东:

展望未来,深基坑工程可在以下方向进一步发展。

完善基坑工程设计计算理论和方法。

发展预制装配式支护技术。

发展新型支护结构形式。

开发新型施工装备。

推广自动化监测和远程监控的信息化施工技术。

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【领取方式】

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【活动时间】

2019年02月04日-02月10日

*本活动最终解释归《施工技术》杂志社所有

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关于《施工技术》杂志

《施工技术》杂志创刊于1958年,是国内建设系统权威的中文核心期刊。本刊及时追踪报道建设领域的最新技术,以其实用性强、内容丰富的特色,深受工程技术人员的欢迎和好评,发行量在国内建设领域遥遥领先。

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