深基坑工程(高大钊).

深基坑工程同济大学高大钊2008年3月内容深基坑工程在我国的发展逆作法与冻结法的应用基坑工程的失效模式与案例深基坑工程方案设计在我国，深基坑工程是最近20多年中迅速发展起来的一个领域。以前的几十年中，由于建筑物的高度不高，基础的埋置深度很浅，很少用地下室，基坑的开挖一般仅作为施工单位的施工措施，最多用钢板桩解决问题，没有专门的设计，也并没有引起工程界太多的关注。20多年来，由于高层建筑、地下空间的发展，深基坑工程的规模之大、深度之深，成为岩土工程中事故最为频繁的领域，给岩土工程界提出了许多技术难题。因此也是岩土工程中发展最为活跃的领域之一，成为岩土工程的技术热点和难点。技术难点：1.土力学的强度、变形、渗透三大课题全部都出现；2.施工因素的影响既巨大而又具有非常的不确定性；3.各种破坏模式相互交叉，互为因果，设计计算模式的不清晰性；热点：1.事故的频率高，灾害的涉及面宽，对社会的影响非常大，引起政府和社会的高度关注；2.工程费用占造价的比例高，业主对基坑工程的压价，方案不合理和安全度过低是高事故率的潜在因素；3.施工方过度追求高速度和低成本是高事故率的直接引发因素。通过20多年的工程实践和业内人士的努力，学术研究和工程研发非常活跃，在深基坑工程领域中，取得了很大的进展，主要表现为下面几个方面：1.设计思想的更新2.施工技术的发展3.设计方法的进步4.管理制度的建立5.标准化工作的开展深基坑工程领域的进展设计思想的更新1.深基坑工程的设计是一个相对独立的设计项目或设计阶段；2.深基坑工程设计包括方案设计和施工图设计两个阶段，方案设计阶段的工作是决定性的环节。基坑工程设计的条件很大程度上取决于施工，基坑工程设计与施工组织设计的关系异常密切，在方案设计时必须统一考虑；3.深基坑工程设计不仅要满足地下室施工空间和安全的要求，而更重要的是必须满足保护环境的要求；4.深基坑工程设计应满足强度和变形两种极限状态，在许多情况下，由于环境条件的限制，满足变形控制的要求比满足强度和稳定性的要求更为严格，基坑工程的成败经常取决于变形控制。5.地下水是控制基坑工程性状的重要条件，水压力占作用于围护结构侧向压力的重要部分，地下水的动水压力和渗透破坏常常是基坑工程失效的主要原因，地下水影响是基坑工程设计中不确定性最大、控制最困难的问题。施工技术的进步这里讲的是综合性的施工技术，施工技术的进步带动设计、检测等方法的进步。逆作法冻结法SMW工法设计方法的进步1.符合两墙合一使用要求的设计方法“两墙合一”是指围护结构同时作为地下主体结构一部分，即围护结构墙与地下室外墙合一。“两墙合一”是充分发挥地下连续墙承载作用的一种设计思路，具有很大的经济意义，是地下连续墙作为围护结构的发展方向，正在一些重要的工程中采用。采取两墙合一设计的基坑工程，在设计方法上不同于一般的围护结构设计，对于承载、防渗、结构连接都提出了非常高的要求，推动了基坑工程围护结构设计方法的发展。2.深基坑工程数值计算方法的发展作用于柔性结构上的土压力实际上是结构与土共同作用的响应，采用有限元方法在原理上可以解决这类问题的计算，在实现中还有各种困难需要进一步去解决，20多年来深基坑工程的数值解计算方法得到了长足的进步。3.计算软件及商业化开发研究深基坑工程的设计计算的内容和要求日益提高，已经必须依靠计算机才能实现深基坑工程设计的计算工作要求。于是，计算程序的开发研究有了很大的发展，形成了一些商业化的计算软件。但计算软件只能作为一种工具和手段，garbageinto，garbageout.正确的方法应当是计算加工程判断。不能盲目地依赖计算软件。上海力学学会举行的一次深基坑工程计算软件考核开挖深度为15m的3层地下室基坑采用1000mm厚的地下连续墙三道钢筋混凝土支撑支撑的尺寸、位置平面布置都统一规定土层的设计参数和地面荷载也都统一规定管理制度的建立许多主要的城市都先后建立了不同形式的机构，规定了深基坑工程的设计方案必须经过评审，这一制度的建立为深基坑工程走向健康的发展提供了制度的保证。标准化工作的开展20年来，在总结工程经验的基础上，许多城市编制了地方的深基坑工程技术规范，二本全国性的深基坑工程技术的行业标准，初步确立了我国深基坑工程的标准化体系，给深基坑工程的设计和施工有章可循，有法可依。第二轮的规范修编工作正在开展，总结十余年来的经验。逆作法与冻结法的应用深基坑工程的逆作法逆作法是地上和地下同时施工的方法，又称为逆筑法。逆作法利用先施工的地下连续墙和中间支承柱承受荷载，从地面逐层下挖并从上到下地完成地下室的梁板、楼面工程，利用上一层的楼板结构作为下一层开挖时的支撑，逐层交替开挖与浇筑楼板结构；与此同时，逐层向上建造上部结构，使地面上和地下可同时进行施工。因此，可以缩短工期，降低造价，是一种合理的建筑方法，具有明显的经济效益。1935年日本首次提出逆作法施工的概念，经历了60余年的研究与工程实践，目前已应用于高层建筑的多层地下室、大型地下商场、地下车库、地铁、隧道和大型变电站及污水处理池等构筑物。国际上采用逆作法建造的地下建筑：最大的是东京八重洲地下街，共３层，建筑面积７万m2；最深的地下街是莫斯科切尔坦沃住宅小区地下街，深达70~100m;最高的地下综合体是德国慕尼黑卡尔斯广场综合体，共６层。1994年日本新建的高层建筑中，地下结构有18.2%采用逆作法施工。1965~1989年，德国慕尼黑地铁共建57座地铁车站中，20座采用逆作法施工。我国在最近10余年来，在北京、上海、辽宁、深圳、广州等地推广了逆作法施工技术，有60多项工程项目的地下结构采用了逆作法施工。逆作法施工的基本概念图示荷载立柱桩地下连续墙施工方向上部结构地面挖土面图12-17逆作法施工过程的受力示意1.缩短工程施工的总工期2.基坑变形小，相邻建筑物的沉降小3.可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用4.使底板设计趋向合理5.可节省支撑费用6.可最大限度利用红线内的地下空间逆作法的特点缩短工程施工的总工期带多层地下室的高层建筑，如采用传统方法施工，其总工期为地下结构的工期加地上结构的工期，再加装修等所占的工期。地下结构施工主体结构施工装修采用逆作法施工，一般情况下只有地下一层占绝对工期，其他各层地下室可与地上结构同时施工，不占绝对工期，因此可以縮短工程的总工期。地下结构施工主体结构施工装修地下一层地下地上同时施工装修日本读买新闻社大楼，地上９层，地下６层，用封闭式逆作法施工，总工期只用了２２月，比传统施工方法縮短工期６个月。法国巴黎拉弗埃特百货大楼，６层地下室，用逆作法施工，工期縮短1/3。广州新中国大厦，地上４３层，地下５层，平均开挖深度１９ｍ，采用逆作法施工，工期縮短１１个月。工程名称地下层数地上层数逆作工期节省造价逆作层数上海恒积大厦4225月11％4/4上海明天广场3567月12％6/3上海京沙大厦2275月10％4/2杭州凯悦大酒店93基坑变形小，相邻建筑物的沉降小采用逆作法施工，是利用逐层浇筑的地下室结构作为围护结构的内支撑。与临时支撑相比，地下结构的刚度大得多，所以，围护结构的变形小得多，相邻建筑物的变形也小得多。同时，由于中间支承柱的存在，底板增加了支点，浇筑后的底板成为多跨的连续板结构，减少了隆起。工程名称管线最大位移地下墙最大水平位移相邻柱最大沉降差上海恒积大厦水平14.6mm竖直17.0mm33.0mm13.7mm上海明天广场水平18.4mm竖直24.9mm19.0mm8.5mm上海京沙大厦水平23.5mm竖直16.5mm37.5mm7.0mm德意志联邦银行大楼用逆作法施工；而联邦德国国家银行总部大楼的深度相同，用地下连续墙加五层土锚的传统方法施工。两者的比较如下：施工方法变形量（ｍｍ）连续墙的水平变形底板隆起邻近建筑物沉降逆作法26~35184~20传统方法20~606025~50逆作法有七个“小”的特点墙前水平位移小；墙后沉降小；坑底隆起小；差异变形小；楼板应力小；土压力小；墙体应力小。可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用多层地下室采用常规的支护结构，包括锚杆与内支撑，都需要围护桩或围护墙，锚杆或内支撑，花费的工程费用很可观。采用逆作法施工，要求围护墙也能发挥永久性结构的承重作用，材料得到充分的利用，节省了地下室外墙与外墙下工程桩的费用，据分析可以节省地下室工程造价的1/3左右。顺作法施工逆作法施工使底板设计趋向合理钢筋混凝土底板要满足抗浮要求。用传统方法施工时，底板的支点少，跨度大，上浮力产生的弯矩大，有时为了满足施工时的抗浮要求，而需要加大底板的厚度，或增强底板的配筋。用逆作法施工时，底板的支点增多，跨度小，弯矩比较小，底板的设计可以更为合理。可节省支撑费用深度大的多层地下室，用传统方法施工时，为了减少支护结构的变形，需要设置强大的内支撑或锚杆，消耗大量的材料，费用相当可观。用逆作法施工，利用地下室的梁板系统来支撑围护结构，可以不设置临时的支、锚体系，节省材料，不需要拆撑，縮短工期，避免污染环境。可最大限度利用红线内的地下空间多层地下室采用传统方法施工时，在地下室外墙与红线之间必须留有支护结构截面尺寸和施工操作面所必要的距离，縮小了地下室的建筑面积。采用逆作法施工时，在满足室外管线或构筑物布置的前提下，作为地下室外墙的地下连续墙可以紧靠建筑红线。逆作法施工的一些代表性工程上海寥创兴金融中心上海仲盛商业中心广州新中国大厦上海世博500kV地下变电站上海寥创兴金融中心主楼37层，裙房3层，5层地下室，基坑平均开挖深度22.4m，地下室每层面积4000m2。地下连续墙厚度1000mm，深度35m。地下连续墙与中柱桩之间，中柱桩之间的差异变形不超过20mm和1/400柱距，使楼板不致产生裂缝。墙体侧斜孔的最大位移20.01~34.59mm之间。地下连续墙顶的水平位移很微小而没有测到。地下连续墙顶的竖向位移6.1~15.4mm之间。地下连续墙后的土体水平位移18.84~21.65mm之间。支撑轴力和楼板应力均控制在设计允许范围以内。支撑轴力86kN~392kN之间。楼板应力2.01kN~5.41kN之间。中柱桩的隆起变形13.5mm~29.9mm之间。上海仲盛商业中心地上五层，地下三层。基坑面积50000m2，开挖深度13.5m。中心岛顺作，三级放坡，周边环板一层逆作；地下连续墙两墙合一；基坑外侧采用卸土放坡；广州新中国大厦地上13层，地下5层，开挖深度19m，工程占地7343m2。地下连续墙厚度800mm，深度25m。布置了6个深度为22ｍ的降水井。采用逆作法，工期比顺作法减少11个月。上海世博500kV地下变电站上海世博500kV地下变电站，开挖深度34m，基坑面积13000m2，地下结构外墙外壁直径130m。采用地下连续墙两墙合一，地下连续墙厚度1200mm，结构梁板代替水平支撑，环形临时支撑，逆作法施工。上海市的逆作法工法简介(YJGF02-96)1.工法特点2.工艺原理3.适用范围4.施工工艺5.质量标准6.机械设备7.施工安全8.工程实例及效益分析工法特点利用柱下桩和地下连续墙作为逆作法施工期间承受地上、地下结构荷载和施工荷载的构件，利用地下室楼板作为基坑施工的支撑。首层楼板结构完成以后，在楼板下挖土，采用土模承重法浇筑下一层楼板。循环采用上述方法继续施工。工艺原理先沿建筑物周围施工地下墙，在建筑物内部按柱网轴线施工柱下支承桩。然后进行地下首层施工，完成后同时施工地下、地上结构。待大底板完成后，再进行复合柱、复合墙的施工。施工工艺（要点）按设计图纸要求，埋设地下结构相关节点的钢板及连接钢筋；暴露节点后按设计要求清理、焊接。结构沉降差控制，对地下连续墙底部和柱下桩的底部进行注浆；根据静载荷试验曲线，计算各工况的沉降，得出在极限沉降差范围内的上