深基坑工程方案设计及案例分析-1

深基坑工程方案设计及案例分析河南省电力勘测设计院张石友注册土木工程师（岩土）2011年11月主要内容一、概述二、深基坑工程的技术要求及技术难点三、深基坑工程方案设计四、深基坑工程设计文件及审查五、深基坑工程失效模式及案例六、火电厂深基坑工程案例分析七、深基坑工程领域的进展一、概述1.深基坑工程定义2.相关规范及资料3.深基坑工程在我国的发展1.深基坑工程定义建质[2009]87号文：开挖深度超过5m（含5m）的基坑（槽），及开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑（构筑）物安全的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。百度百科：为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填,包括勘察、设计、施工和监测等，称为基坑工程，是一项综合性很强的系统工程。高大钊：深基坑工程是指包括基坑开挖、降水、支护结构设计、施工与监测在内的总称。返回随着基坑的开挖越来越深，面积越来越大，基坑围护结构的设计和施工越来越复杂，所需要的理论和技术越来越高，远远超越了作为施工辅助措施的范畴，施工单位没有足够的技术力量来解决复杂的基坑稳定、变形和环境保护问题，研究和设计单位的介入解决了基坑工程的理论计算和设计问题，由此逐步形成了一门独立的学科分支——基坑工程。深基坑工程涉及结构工程、岩土工程和环境工程等众多学科领域，综合性高，影响因素多，设计计算理论还不成熟，在一定程度上还依赖于工程实践经验。因此，注重对已有工程成功经验的积累，总结失败教训，对减少基坑工程事故、减轻或消除基坑开挖对周围环境的不良影响非常重要。2.相关规范及资料《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）《钢筋混凝土设计规范》（GB50010-2010）《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ111-98）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）《建筑基坑工程安全技术规程》（JGJ167-2009）《岩土锚杆(索)技术规程》（CESC22：2005）《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》（建质[2009]87号文）——仅适用于房屋建筑和市政基础设施工程《河南省建筑边坡与深基坑工程管理规定（试行）》（豫建〔2010〕25号）2010.3——适用于河南省行政区域内边坡与基坑工程《河南省建筑边坡与深基坑工程设计方案评审办法》2010.4——适用于河南省建筑边坡与深基坑工程《基坑工程手册》（第二版）2009《深基坑工程》（电子版课件）高大钊2011.9返回3.深基坑工程在我国的发展在我国，深基坑工程是最近20多年中迅速发展起来的一个领域。之前的几十年中，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，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。近些年，随着深基坑工程的迅速发展，相继出台了基坑工程方面的行业、地方规程规范，相关部门也制定了规定、管理办法等。2009年住建部修定《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》（建质〔2009〕87号）后，各省、市相继制定或修定了各自的深基坑工程的管理规定及设计方案的评审办法，促使了深基坑工程的方案设计、施工、监测及安全措施进一步规范化，为深基坑工程健康发展提供了制度的保证。目录二、深基坑工程的技术要求及技术难点1.深基坑工程的功能要求2.环境保护与处理相邻关系的要求3.总体要求4.技术难点1.深基坑工程的功能要求a.挡土功能——为地下室施工创造安全的施工面b.止水功能——为地下室施工创造干燥的施工面c.作为地下结构外墙的使用功能——地下室施工结束后成为地下室的结构外墙2.环境保护与处理相邻关系的要求a.控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响——通过减小变形保护相邻建筑物b.控制降低地下水位对环境的影响——减少坑外地下水位的变化c.控制土锚对相邻场地的影响——保护相邻场地的地下资源的使用权3.总体要求表述一：既要保证合适、干燥、安全的施工空间，又要保证周边环境的安全。表述二：技术先进、经济合理，保护环境，确保基坑边坡稳定，并保证基坑周边环境安全。4.技术难点a.土力学的强度、变形、渗透三大课题全部都出现；b.施工因素的影响既巨大而又具有非常的不确定性；c.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；目录三、深基坑工程方案设计1.深基坑工程设计阶段2.深基坑工程方案设计内容3.深基坑工程设计的依据4.深基坑工程方案设计讨论设计的基本技术要求：安全可靠、经济合理、技术可行、施工便利——《基坑工程手册》1.4.11.深基坑工程设计阶段深基坑工程设计一般分为总体方案设计和施工图设计两个阶段，总体方案设计的任务是根据主体工程的性质和对地下室的使用要求、场地工程地质和水文地质条件、相邻环境对基坑施工的制约程度等因素，选择合适的围护结构与支撑体系、协调基坑工程与主体工程的关系、控制环境质量，为施工图设计和基坑施工组织计划提供控制性方案。2.深基坑工程方案设计内容1）确定开挖方案，包括地下水的处理方案；2）选择围护结构的类型；3）选用土层锚杆或内支撑，选择支撑材料；4）对土层锚杆或内支撑进行平面和竖向布置，包括围檩和立柱的布置；5）进行各项稳定验算和结构内力计算以确定围护结构、支撑、围檩或锚杆的材料强度和截面尺寸，确定是否需要加固坑底；进行降水的控制性计算；6）进行变形验算以检验是否满足环境要求；7）环境保护、监测、应急措施等内容；8）对施工方案提出要求；9）进行多方案的技术经济比较，优选方案。另参考《基坑工程手册》1.5.33.深基坑工程设计的依据深大基坑的设计是一项综合性的设计工作，它与上部结构（包括地下室）设计、工程地质勘察、地下室施工方案以及周围的自然环境、工程环境和社会环境都有密切的关系，因此，在基坑工程设计时必须具备下列几个方面的资料：主体结构设计条件工程地质勘察报告地下障碍物调查环境调查资料（开挖深度3倍范围内）基坑周边地区建筑物情况（开挖深度2倍范围内周边荷载情况）基坑周边地区市政设施情况基坑周边地区道路情况基坑工程施工条件相关规程规范、法律、规定相关的规划文件、批复文件当地经验4、深基坑工程方案设计讨论1）开挖方案的选择2）选择围护结构的类型3）支锚体系的选择4）支撑的平面布置5）支撑和锚杆的竖向布置6）立柱的设置7）降水设计1）开挖方案的选择a.两大工艺体系：放坡大开挖支护系统b.放坡开挖喷锚支护方案土钉墙方案锚索支护方案c.无支撑开挖重力式挡墙悬臂式挡墙锚固式挡墙d.有支撑的开挖分层开挖、支护法中心岛法e.组合型的开挖方案立面组合平面组合【基坑工程的支护结构不得超出用地红线，必须超越红线时应征得相邻地块业主的同意——豫建〔2010〕25号】返回底板地下室梁板支撑2）选择围护结构的类型确定了开挖方案以后，根据开挖方案的要求选择围护结构，选择围护结构时应考虑开挖深度、地质条件、地下水条件、施工条件和工程要求等因素综合确定。从总体来说，围护结构按材料和施工方法大体分为三种基本类型：水泥土搅拌桩排桩式围护结构地下连续墙其它形式：灌注桩加强的搅拌桩墙体双排桩格形地下连续墙组合型的重力式围护结构3）支、锚体系的选择当无法采用自立式挡墙（包括重力式和悬臂式）时，必须采用内支撑或锚杆体系来平衡土压力，以维持围护结构的稳定性。锚杆要受场地条件和地质条件的限制，而内支撑的适应性比较强；由于锚杆体系对坑内施工的干扰比较少，因此当具备可以采用锚杆体系的条件时，一般首选锚杆方案。在不具备采用锚杆体系的条件时，才考虑采取内支撑体系，但内支撑对坑内挖土和浇筑地下室的干扰比较大，在选用支撑的材料和形式时要根据施工要求，采取合适的布置方案，尽量减少对坑内施工的干扰。按深基坑支撑的受力特征，支撑体系实际上是一个空间体系，但设计时通常将它分解为平面支撑体系和立柱分别计算；对于开挖深度不大的基坑或基坑的某些局部，可以布置竖向斜撑或竖向斜撑体系。4）支撑的平面布置支撑的平面布置时应考虑支撑材料的性质、基坑的开挖深度、基坑面积大小与平面形状、挖土与出土方案以及环境对变形控制的要求等因素，通常应考虑几种不同的布置方案进行比较、论证，选择最佳方案采用。钢支撑和钢筋混凝土支撑的材料刚度和节点构造有较大的差异，平面布置时考虑问题的侧重面也不相同。5）支撑和锚杆的竖向布置锚杆锚固体上下排间距不宜小于2.5m，水平方向间距不宜小于1.5m。锚杆锚固体的上覆土层厚度不宜小于4.0m。倾斜锚杆的倾角以15~35为宜。支撑的竖向布置比锚杆复杂得多，因为内支撑的位置不仅取决于满足围护结构稳定和变形的要求，而且在很大程度还受控于地下室梁板构件的位置以及施工最小空间的要求。6）立柱的设置立柱是内支撑体系的竖向受力杆件，承受内支撑体系的重量，为了保持支撑体系的稳定，应具有一定的刚度和强度，并和支撑在节点处固定连接以形成支撑体系的整体刚度。a.立柱采用角钢制成的格构式结构；b.立柱必须牢固安置于立柱桩中；c.立柱桩必须满足承载力和变形的要求；d.支撑与立柱的连接构造；e.立柱与底板的防水措施；7）降水设计降水是在地下水位比较高的地区进行基坑工程设计时面临的一个重要问题。采取何种方案主要取决于水文地质条件及周边环境的要求。从施工来说则要求提供一个比较干燥的坑内施工环境，为此应使地下水位低于基坑底面0.5～1.0m左右。如地下水位高于这个位置，需要采取降水的措施，降水的方法很多，都可以达到这个目的。①降水设计内容a.降水设计要求b.降水方法的选择c.降水井的布设d.降水系统设计e.降水效果预测f.防范井点降水不良影响的措施②降水设计要求a.基坑开挖及地下结构施工期间，地下水位保持在基坑底以下0.5~1.0m；b.深部承压水不引起坑底隆起；c.降水期间邻近建筑物及地下管线正常使用；d.基坑边坡的稳定性。③降水方法的选择④平面布设a.坑宽小于6m，深度小于6m时，一般可用单排井点；b.坑宽大于6m时，宜采用双排井点；c.基坑宽度小于40m时，采用环形井点系统；d.基坑宽度大于40m时，采用多环形井点，在中央加一排或多排井点。⑤降水系统设计包括井深、井数、井距、井的结构及单井出水量的计算。需要根据不同的水文地质条件、基坑工程特点和降水的要求，区别不同的渗流特征，采用不同的方法进行设计计算。选择降水方案时应考虑以下几个问题：a.基坑降水深度的要求；b.场地地质条件，土层的渗透特性，地下水的类型、流向和补给条件；c.环境条件，场地周围的建筑物和市政管线的位置、类型、对沉降的要求；d.气象条件，雨季、特别是暴雨季节和暴雨量；e.施工单位所拥有的降水设备和数量；f.电源条件，需保证有稳定的电源或备用电源，以免断电时基坑积水而坍塌。目录四、深基坑工程设计文件及审查1.设计方案（方案设计阶段）2.设计文件及图纸（施工图设计阶段）3.深基坑工程安全专项施工方案（施工准备阶段）4.基坑工程的监测方案1.设计方案——方案设计阶段设计方案应包括支护结构、土方开挖、降排水措施、地表水的排泄与疏导、环境保护、监测、应急措施等内容，工程设计计算和分析必须符合有关规范的要求。设计方案审查：（以河南省为例）由河南省建筑边坡与深基坑工程专家委员会组织评审的范围：1.基坑开挖深度超过7m（含7m）；2.基坑开挖