《城市地下空间建设新技术》第2章

城市地下空间建设新技术住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年10月24-26日全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全国师资培训班2014年10月全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全国师资培训班第二章城市超深基坑地下工程设计与施工技术2.1概述2.2技术介绍2.3工程应用-天津站交通枢纽工程后广场工程2.4总结提纲3为了满足城市功能的需要，在今后数十年内我国将处于城市地下工程建设的高潮，城市地下空间的利用也必将由现在的浅层空间向中浅层空间（地面以下30m）发展。我国在深度较大的城市地下空间开发涉及到的地下工程建设的复杂理论和关键技术还缺乏深入、系统的研究。2.1概述城市地下工程是一个复杂的系统工程地下工程理论在软弱地层和极复杂环境下的应用施工工艺以及施工组织是否合理对支护体系是否成功具有重要作用地质环境的复杂性和不确定性、地面及地下建（构）筑物密布。。。。。。涉及多个学科的交叉2.1概述工程地质岩土力学工程结构等地下工程的设计理论和施工关键技术研究现状设计理论方面相互作用下土压力理论问题；开挖对环境影响的预测方法；基坑降水理论；两墙合一逆做法施工过程中产生的不均匀沉降对结构体系的影响；工程构件连接精度控制难度较大；层板混凝土的表观质量控制难度较大等等。基坑时空效应与变形控制软土地区由于开挖和降水使得空间受力状态发生改变科学地制定考虑时空效应的开挖和支撑的施工设计方案2.1概述2.1概述本章针对天津站交通枢纽工程后广场工程，结合该工程课题研究组的研究成果，介绍一些城市超深基坑地下工程设计与施工关键技术。主要存在以下问题（1）基于一维压缩试验以及常规三轴试验基础建立的计算参数属于简单情况下的加荷问题深基础、地下隧道、深基坑均涉及土的开挖卸荷问题采用加荷条件且不考虑应力路径的土体参数进行深基坑的分析设计不严格。（2）超深基坑开挖工程卸荷幅度很大，土体处于严重超固结状态基坑施工时降水与开挖交替进行，有效应力的增减导致土体加荷与卸荷的反复沿用加荷状态下的土的强度指标有可能导致设计安全度不足。2.2技术介绍2.2.1超深基坑开挖中的土力学问题考虑加、卸荷条件的土体特性单调卸荷条件卸荷应力路径UU表示竖向卸荷，水平向卸荷；等号右边的数字表示竖向加、卸荷应力与水平向加、卸荷应力的比值。UU=0和UU=∞分别代表了主动区和被动区两种极端情况下的应力路径。2.2技术介绍2.2.1超深基坑开挖中的土力学问题考虑加、卸荷条件的土体特性考虑开挖、降水交替施工过程考虑开挖降水作用比仅考虑开挖时土体总的回弹值小。降水后土体的强度显著提高，相同应力水平下，土体呈现较小的应变和变形量。降水对土的压密作用使得土体强度峰值高于仅考虑开挖作用土体的强度峰值。经历降水开挖路径与仅经历开挖路径的土体相比明显呈现超固结土的性质。2.2技术介绍2.2.1超深基坑开挖中的土力学问题考虑土体应力路径下的强度指标选取采用不同的试验方法，可得出截然不同的土体抗剪强度参数。《建筑地基基础设计规范》规定：对于饱和黏性土应采用在土的有效自重应力下预固结的三轴不固结不排水试验确定抗剪强度指标。《岩土工程勘察规范》中则没有明确采用何种参数，但规定土的抗剪强度试验方法应与基坑工程设计要求一致，符合设计采用的标准。建设部行业标准《建筑基坑支护技术规程》采用三轴固结不排水试验强度指标，且当地有可靠经验时允许采用直剪试验强度指标。冶金部行业标准中规定，采用水土分算时应选取有效应力强度指标，也可采用三轴固结不排水试验强度指标；采用水土合算时应选取三轴固结不排水试验强度指标，并应乘以0.7的折减系数。上海市工程建设标准《地基基础设计规范》规定：当采用水土分算时，取三轴固结不排水试验或直剪固快试验的峰值；当采用水土合算时，取直剪固快试验的峰值。2.2技术介绍2.2.1超深基坑开挖中的土力学问题考虑土体应力路径下的强度指标选取基坑工程设计时，土的抗剪强度的试验方法不宜采用直剪试验。在计算主动区土压力时采用固结不排水试验强度指标是比较合理的。被动区土体的强度指标一般也采用固结不排水剪强度指标。对于砂土和碎石土，计算支挡结构物上的主、被动土压力时应当使用土的有效应力强度指标。对于饱和黏性土，在计算和分析中一般使用总应力强度指标，如固结不排水(CU)和不固结不排水(UU)试验的强度指标等。2.2技术介绍2.2.1超深基坑开挖中的土力学问题基坑降水工程需要达到目的1）疏干基坑内储水，创造干式开挖作业条件；2）降低坑底承压含水层水头，防止突涌发生，避免渗流破坏；3）控制降水引起的地面沉降，避免较大差异沉降；4）控制降水对坑内梁、柱等围护、支护结构体的影响。2.2技术介绍2.2.2超深基坑降水设计与施工技术需要制定科学合理的基坑降水方案2.2技术介绍2.2.2超深基坑降水设计与施工技术科学合理的基坑降水方案疏干井设计减压井设计地面沉降计算所需资料基本水文地质资料：含水层厚度H；含水层的渗透系数K；影响半径R；含水层的补给条件；地下水流动方向；水力梯度；等等基坑工程平面位置以及周边环境资料2.2技术介绍2.2.2超深基坑降水设计与施工技术基坑工程施工环境越来越复杂基坑深度越来越大环境保护要求越来越高深基坑降水工程中含水层之间的水力联系是一个非常重要的因素。水力联系较小，潜水层疏干对承压含水层几乎没有降压效果，需要对承压含水层设置减压井降水，增加工程造价。水力联系较大，当潜水层疏干后承压含水层水位已经满足抗突涌稳定验算要求，不需要对承压含水层进行减压措施，不需要设置止水帷幕。2.2技术介绍2.2.2超深基坑降水设计与施工技术井流降水按照“分层降水、按需降水、动态调整”的原则。回灌井对地面沉降有很好的控制效果。可先设置最上层水平支撑，然后开始进行坑内降水；宜采用分层、分段降水与分层、分段挖土的施工方法以减小降水引起的变形。2.2技术介绍2.2.2超深基坑降水设计与施工技术进行超深基坑承压含水层的降压设计应考虑疏干对承压含水层水头的影响的有利作用。分析降压对环境的影响（地面沉降）时，必须考虑疏干井疏干降水运行对承压含水层的水头有显著降低作用带来的地面沉降。工程施工中可根据场地地下水分布特点、基坑开挖深度及承压水控制要求，制定承压水的控制策略。可采用基坑分块开挖至设计坑底标高、分块打设基础的方案，减少基坑开挖到底后的突涌风险。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙是一种较为先进的地下工程结构形式和施工工艺。在泥浆护壁的情况下，开挖一条狭长的深槽，在槽内放置钢筋笼，并浇灌水下混凝土，筑成一段钢筋混凝土墙段。将若干墙段连接成整体形成一条连续的地下墙体。地下连续墙可供截水防渗或挡土承重之用。由于地下连续墙的造价较高，因此，选用需经过技术经济比较后才可决定采用。2.2技术介绍以下几种情况宜采用地下连续墙：1）处于软弱地基的深大基坑，周围又有密集的建筑群或重要的地下管线，对周围地面沉降和位移值有严格限制的地下工程。2）既作为土方开挖时的临时基坑围护结构，又可作为主体结构的一部分的地下工程。3）采用逆作法施工，地下连续墙同时为挡土结构、地下室外墙、地面高层房屋基础的工程。2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工1.导墙施工导墙是地下连续墙挖槽前沿两侧构筑的临时构筑物。可控制地下连续墙施工精度，具有挡土作用和维持稳定液面的作用，同时还可以作为重物支承台。导墙的施工顺序：测量定位—挖槽—绑扎钢筋—支模板及对撑—浇筑混凝土—拆模加横撑—墙两侧回填土夯实。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工2.泥浆除了护壁之外，泥浆还有携带泥渣、冷却和润滑挖槽机械等作用。泥浆必须有适当的比重，良好的流动性和形成泥皮的性质。施工过程中应对泥浆的技术性能进行检查。泥浆经适当处理后可重复使用或废弃。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工3.成槽成槽是地下连续墙施工中决定墙体施工进度和质量的关键工序。挖槽时要加强观测，重点应注意控制挖槽的垂直度、倾斜度和深度，要采取措施防止槽壁塌方。成槽时，应采用合理的挖槽速度，挖槽时要求连续作业。挖掘过程中保持泥浆液面不低于导墙顶面规定的高度。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工4.钢筋笼加工与吊放钢筋笼的长度应根据单元段的长度、墙段的接头型式和起重设备能力等因素确定。制作钢筋笼时，要预先确定浇筑混凝土用的导管的位置，除考虑设计结构要求外，尚应考虑吊装的受力要求。吊装钢筋笼前，应对挖槽质量和钢筋笼质量进行全面检查，符合质量标准后才可吊钢筋笼入槽。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工5.水下混凝土灌注混凝土浇注是地下连续墙施工中的重要质量控制点。地下连续墙的混凝土浇注应符合一般水下混凝土浇注要求。施工中，混凝土配合比的设计应比其结构设计强度等级提高一级。混凝土浇注高度一般宜高出墙顶设计标高0.5-0.8m，保证凿除废浆层后，墙顶标高应符合设计要求。2.2技术介绍2.2.3超深基坑工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工：测量放线导墙施工建泥浆生产系统建钢筋加工平台商混检验泥浆生产泥浆泵送钢筋进场钢筋验收泥浆检验成槽验收吊放钢筋笼下导管下接头箱(一期槽)水下混凝土浇注成槽施工移机泥浆回收钢筋加工原材检验焊接检验拔接头箱(一期槽)拔导管试块留样成槽施工6.地连墙后压浆工艺施工地连墙后压浆法施工，可减小地连墙的沉降从而保证墙的承载力。后压浆法将压浆管与钢筋笼焊接插入墙槽底，混凝土浇注后一定时间内将水泥浆注入压浆管，水泥浆液与墙底沉渣及加固土体发生化学反应后固化，在墙底部形成水泥结石，墙底端受力面积增大起到扩底效应，增加墙底端阻力。2.3工程应用-天津站交通枢纽工程后广场工程2.3.1工程简介天津交通枢纽工程是集普通铁路、京津城际高速铁路、城市轨道交通、公交和周边市政道路于一体的特大型综合项目。以天津站前后广场为核心，集中在东至李公楼立交桥，西至五经路，南至海河，北至新开路区域范围内，总占地面积为94.46万平方米。天津站交通枢纽工程平面位置图天津站交通枢纽工程轨道换乘中心剖面图2.3工程应用-天津站交通枢纽工程后广场工程2.3.1工程简介天津站交通枢纽工程轨道换乘中心各层平面图地下一层地下二层地下三层地下四层2.3工程应用-天津站交通枢纽工程后广场工程2.3.1工程简介天津站交通枢纽工程Ⅰ标段长264m，宽73～10