深大基坑设计施工关键技术.pdf
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1、1深大基坑设计施工关键技术深大基坑设计施工关键技术 孙加齐2022.02.28 2022 2022 年注册土木工程师(岩土)继续教育培训2目 录深大基坑工程概述深大基坑支护设计与开挖方法深大基坑明挖顺作关键技术123深大基坑盖挖逆作关键技术4深大基坑顺逆结合关键技术5深大基坑撑桥一体关键技术6深大基坑无内支撑关键技术73深大基坑工程概述141 深大基坑工程概述1.1 发展现状 随着基坑工程向着深大方向快速发展,基坑支护设计与施工技术突飞猛进,近年来我国已是世界上深基坑工程最多、规模最大的国家。220世纪80年代首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市大量兴建高层建筑,多数带有地下室,基坑支护工程
2、随之剧增,基坑支护设计、施工与监测成为基础工程中的新热点。120世纪70年代只在少数大工程项目中有开挖深度在10m以上的基坑工程,而且是在较少或没有相邻建筑物和地下结构物的地区。320世纪90年代以后进入大规模城市建设与旧城改造阶段,在繁华市区进行深基坑开挖,提出新内容,面临新问题,进一步促进深基坑开挖技术的研究与发展,众多先进的设计计算算法和新的施工工艺付诸实践,技术先进的成功实例不断涌现。u 1.1.1 基坑工程迅猛发展51 深大基坑工程概述1.1 发展现状地下铁路及地下车站地下商场及地下通道地下停车场及地下仓库地下工业及民用设施地下人防及地下民防工事地下核电站及变电站地下综合交通枢纽地下
3、城市综合体 随着城市建设和更新升级的加快,满足不同功能用途的地下空间得到越来越多的开发利用,开发出地铁车站、地下商场、地下停车场、地下民用设施与军用设施等大型地下空间。u 1.1.2 地下空间开发利用61 深大基坑工程概述1.1 发展现状u 1.1.3 深大基坑发展趋势 开发规模越来越大,近年来出现很多开挖面积1030万、深度达45m的深大基坑。通常都位于建筑密集城市中心,周边环境与地质条件复杂,工期紧且环保要求严,导致基坑工程设计和施工难度越来越大,面临的安全风险越来越高。开发规模工程体量工程体量越来越大越来越大基坑深度基坑深度越来越深越来越深基坑面积基坑面积越来越大越来越大 施工风险施工难
4、度施工难度越来越高越来越高工期环保工期环保愈加严苛愈加严苛地质水文地质水文愈加复杂愈加复杂 71 深大基坑工程概述1.2 工程特点u 1.2.1 显性特征 就工程外在特征而言,基坑工程具有“深、大、险、难”四大显性特征。深深大大险险难难l通常20m以上l部分突破30ml基本1万以上l不少2万以上l基坑变形风险l基坑渗漏风险l支护施工难l土方开挖难81 深大基坑工程概述1.2 工程特点u 1.2.2 本质特性 从工程内在特性分析,基坑工程具有“区域性强、独特性强、综合性强、时空性强”四大本质特性。施工区域不同,周边环境条件和地下管网分布不同,基坑支护设计与施工需根据现场情况作出相应调整,没有统一
5、标准、分类。02独特性强涉及知识范围广,不仅需要岩土力学、流体力学和弹体力学,还需要结构工程的理论力学、材料力学等,勘察、设计、结构、降水、防水工程相互交叉、相互影响。03综合性强影响基坑支护体系稳定性和变形的因素较多,如基坑支护形式、降水方式、工艺间隔时间、基坑平面形状与动态荷载等,基坑开挖打破原有土体平衡,产生变形造成时空效应,变形日积月累,引发基坑安全风险。04时空性强所处地域不同,地形地貌和地质水文的差异较大,复杂多变的地质条件造成地质勘察数据差异较大。01地域性强91 深大基坑工程概述1.3 受制条件v 01 地质条件 不同的地质条件对围护结构体系作用差异很大,地质条件复杂性制约深基
6、坑施工,围护结构设计、施工均要根据具体地质条件因地制宜制定针对性方案。v 02 水文条件 地下水是制约基坑安全的主要因素,基坑风险出现多数是由于地下水处理不当所造成,特别是在软土地区超深基坑受多层承压水影响,针对地下水风险还需采取截水、降水、减压、回灌综合控制措施。v 03 环境条件 多数深大基坑工程周围紧邻道路、建筑物、地铁等,各类地下管线密布,施工场地狭小,环境保护要求高,特别在软土地区复杂环境条件下,基坑工程设计重心已由支护结构强度控制,转到以基坑和周边环境变形控制为核心的设计方法上。101 深大基坑工程概述l 围护结构倾斜、变形过大、开裂、折断;l 整体圆弧滑动失稳;l 沉降过大;l
7、立柱沉降、倾斜。01支护体系风险1.4 施工风险u 01 是符合设计和现行规范要求的工程 主要涵盖四方面风险:支护体系风险、坑底隆起风险、地下水风险和环境风险。l 地面沉降过大、裂缝、塌方;l 坑边建筑物沉降、倾斜、开裂或坍塌;l 地下管线变形过大、断裂;l 其他构筑物沉降量过大。04环境风险l 基坑内外地基承载力失衡;l 基底踢脚隆起过大。02坑底隆起风险l 围护结构漏水、涌砂、涌土;l 坑底管涌、突涌。03地下水风险111 深大基坑工程概述1.5 天津区域 属于滨海富水软土地质区域,地质与水文条件更差,深大基坑施工难度更大、施工风险更高。富水淤泥质软土地质基坑支护与开挖难度大坑底突涌风险1
8、2深大基坑支护设计与开挖方法2132 深大基坑支护设计与开挖方法2.1 深大基坑支护形式 围护结构:其作用是直接承受基坑施工阶段侧向土压力和水压力,并将此压力传递到支撑体系,每种类型在适用条件、工程经济性和工期等方面各有侧重。目前,深大基坑常用类型有围护结构由钢板桩围护墙、型钢水泥土搅拌墙、灌注桩排桩、混凝土连续墙等。u 2.1.1 有内支撑支护形式钢板桩围护墙型钢水泥土搅拌墙灌注桩排桩围护墙地下连续墙142 深大基坑支护设计与开挖方法2.1 深大基坑支护形式 止水帷幕:其作用是阻断坑外水体流入坑内或增大坑底水的渗流路径,便于机械挖土及提供坑内干作业施工条件等诸多目的。主要形式一为围护结构兼止
9、水帷幕,如地连墙、型钢水泥土搅拌桩、钢板桩及咬合桩等;形式二为水泥搅拌桩止水帷幕,其施工工艺有高压旋喷、两轴搅拌、三轴搅拌、TRD工法、CSM工法等。u 2.1.1 有内支撑支护形式高压旋喷止水帷幕三轴搅拌止水帷幕TRD 水泥土搅拌墙CSM 水泥土搅拌墙152 深大基坑支护设计与开挖方法2.1 深大基坑支护形式 水平支撑:其作用是用于传递和平衡作用在围护结构上的水土压力,与围护结构共同组成支护体系。常见的支撑类型有:钢支撑体系、混凝土支撑体系、钢与混凝土组合支撑体系等。u 2.1.1 有内支撑支护形式混凝土支撑体系钢支撑体系钢与混凝土组合支撑形式162 深大基坑支护设计与开挖方法2.1 深大基
10、坑支护形式 竖向支撑:其作用是承受水平支撑传来的竖向荷载,加强支撑体系的空间刚度,保证水平支撑的纵向稳定,要具有较好自身刚度和较小垂直位移。常见类型有临时格构柱+立柱桩、永久钢立柱+立柱桩。u 2.1.1 有内支撑支护形式临时格构柱+立柱桩永久钢立柱+立柱桩172 深大基坑支护设计与开挖方法2.1 深大基坑支护形式 主要形式有放坡、悬臂支护、桩锚支护。放坡是依靠土体自身的强度保持整个基坑的稳定,适用于浅基坑,此工艺简便、造价经济、施工进度快;悬臂支护是依靠围护结构抵抗侧向土压力和水压力,常见形式有单/双排桩悬臂桩支护、水泥土重力式挡墙、型钢水泥土搅拌桩等;桩锚支护是采用锚杆和桩共同组成支护体系
11、。无内撑支护为挖土和地下结构施工提供了极大的便利,工期快,施工成本低。u 2.1.2 无内支撑支护形式放坡形式悬臂支护桩锚支护182 深大基坑支护设计与开挖方法2.2 深大基坑降水类型 疏干降水的作用是降低开挖深度范围内的上层滞水、潜水,提高边坡稳定性、增加坑内土体的固结强度、便于机械挖土以及提供坑内干作业施工条件等诸多目的。常见的疏干降水类型有:封闭型疏干降水、敞开型疏干降水、半封闭型疏干降水。u 2.2.1 疏干降水疏干降水类型192 深大基坑支护设计与开挖方法2.2 深大基坑降水类型 减压降水的作用是通过有效降低基坑下部承压含水层的水头,防止坑底板隆起或突水产生流沙(基坑突涌)等工程事故
12、的发生,保证基坑稳定及施工与环境安全。适用于承压含水层水头对基坑稳定与安全施工有不利影响时的措施。减压降水方案类型有:坑内减压降水和坑外减压降水。u 2.2.2 减压降水坑内减压降水示意坑外减压降水示意202 深大基坑支护设计与开挖方法2.3 深大基坑开挖方式 是由上而下分层进行土方开挖方式,分层原则是结合土层和支护形式确定。对于有内支撑的基坑,第一层土方的开挖深度一般为地面至第一道支撑底,待第一道支撑施工完成达到设计强度后再开挖下一层土方,中间各层土方开挖深度一般为相邻两道支撑的竖向间距,最后一层土方开挖深度为最下一道支撑底至坑底。u 2.3.1 分层开挖分层开挖方法示意212 深大基坑支护
13、设计与开挖方法2.3 深大基坑开挖方式 岛式开挖是以中心为支点,从四周向中心进行土方开挖。适用于支撑形式为角撑、环梁式或边桁架式,中间具有较大空间情况下,利用中间的土墩作为支点搭设栈桥或者设置混凝土支撑栈桥。挖土和运土速度快,但支护结构变形量大,对支护结构受力不利。u 2.3.2 岛式开挖岛式开挖1岛式开挖2222 深大基坑支护设计与开挖方法2.3 深大基坑开挖方式 盆式挖土是先开挖基坑中间部分土方,周围四边预留反压土,待中间位置土方开挖完成或垫层、底板施工完成后再行开挖周边土方。盆式开挖能够有效的减少围护墙的变形,但周边土方不能直接外运,需集中提升后装车外运。u 2.3.3 盆式开挖盆式开挖
14、示意1 盆式开挖示意2 232 深大基坑支护设计与开挖方法2.4 深大基坑施工方法 明挖顺作是指在基坑开挖时,由上向下开挖土方至设计标高后,自基底由下向上进行结构施工,当完成地下主体结构后回填基坑及恢复地面的施工方法,具有施工作业面多、速度快、易保证工程质量、工程造价低等优点。因此,在场地交通和环境条件允许的条件下尽量采用。u 2.4.1 明挖顺作明挖顺作梁板钢筋绑扎明挖顺作混凝土浇筑242 深大基坑支护设计与开挖方法2.4 深大基坑施工方法 盖挖逆作是由地面向下开挖至一定深度后,将顶部封闭,其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工的一种方法。用结构梁板代替常规顺作法的临时支撑,以平衡作用在围护墙
15、上的土压力,适用于场地条件紧张,周边环境条件复杂、环境保护要求较高等问题。u 2.4.2 盖挖逆作逆作梁板结构支模实景盖挖接力倒土实景252 深大基坑支护设计与开挖方法2.4 深大基坑施工方法 结合了顺作法与逆作法优点,工程中常用的顺逆结合施工方法有:主楼先顺作、裙楼后逆作,裙楼先逆作、主楼后顺作,中心顺作、周边逆作。u 2.4.3 顺逆结合中顺边逆施工方法实景262 深大基坑支护设计与开挖方法2.5 深大基坑工程案例 我司在天津区域施工的深大基坑众多,挑选天津周大福、中信城市广场、天津和黄、平安泰达、国家大型地震设施5种类型的代表性案例进行深大基坑设计与施工关键技术讲述。工程名称工程名称基坑
16、面积基坑面积(mm2 2)最大挖深最大挖深(mm)地下层数地下层数施工方法施工方法围护结构型式围护结构型式支撑型式支撑型式备备 注注天津周大福天津周大福247002470032.332.34 4层层明挖顺作明挖顺作地连墙地连墙钢筋混凝土内支撑钢筋混凝土内支撑副楼盖挖顺做副楼盖挖顺做中信城市广场中信城市广场364003640016.916.93 3层层盖挖逆作盖挖逆作地连墙地连墙+灌注桩灌注桩3 3层地下结构顶板支撑层地下结构顶板支撑边逆先作边逆先作天津和黄天津和黄160001600022.3522.354 4层层中顺边逆中顺边逆地连墙地连墙2 2道内支撑道内支撑+3+3层楼板支撑层楼板支撑盖挖
17、侧向出土盖挖侧向出土平安泰达金融中心平安泰达金融中心165621656219.5/25.319.5/25.33 3层层明挖顺作明挖顺作地连墙地连墙4 4道钢筋混凝土内支撑道钢筋混凝土内支撑撑桥一体化撑桥一体化国家大型地震国家大型地震设施设施450004500018.418.43 3层层明挖顺作明挖顺作直斜桩直斜桩+旋喷桩锚旋喷桩锚无内支撑无内支撑止水帷幕止水帷幕天津康汇医院天津康汇医院850008500015.515.52 2层层明挖顺作明挖顺作直斜桩直斜桩+旋喷桩锚旋喷桩锚悬臂灌注桩悬臂灌注桩+斜撑斜撑无内支撑无内支撑止水帷幕止水帷幕天津区域深大基坑施工方法与支护形式典型案例27深大基坑明挖
18、顺作关键技术3283 深大基坑明挖顺作关键技术【典型案例】天津周大福金融中心建筑外观图 位于天津滨海新区核心区,涵盖甲级办公、精品商业、豪华公寓、超五星级酒店等多种业态,总建筑面积39万。地下4层,裙楼地上5层,塔楼地上100层,建筑高度530m。293 深大基坑明挖顺作关键技术3.1 基坑工程概况基坑底部标高 基坑长170m,宽185m,总面积2.47万;分为一期塔楼(简称塔楼,B1区)、一期裙楼(简称副楼,B2区)和二期裙楼(简称裙楼,A区)三个施工区域,其中A区1.07万、B1区0.56万、B2区0.84万。裙楼基底标高-23.6m;塔楼基底标高-27.7m,最深基底标高-32.3m。土
19、方开挖总量约55万m。基坑施工区域划分303 深大基坑明挖顺作关键技术3.2 建造难点 地处天津滨海淤泥质饱水软土地区,地下含水十分丰富;塔楼基坑最大开挖深度达到32.3m,土方开挖面穿过第一承压水,距第二承压水顶部仅有8.0m,基坑极易发生渗漏和坑底突涌风险。u 难点1 工程地质水文条件差-23.5m-23.5m-18.41m18.41m-32.3m-32.3m工程水文地质剖面313 深大基坑明挖顺作关键技术3.2 建造难点 中途被动接手:地连墙由其他单位先期施工完成,土方开挖至第二步。由于基坑地连墙及周边环境变形大,部分已超过预警值,原基坑施工单位被业主终止合同。u 难点2 基坑施工前期发
20、生严重变形2014.02进场时基坑施工场貌323 深大基坑明挖顺作关键技术3.2 建造难点 基坑变形严重:地连墙墙顶水平位移已达25.1mm,周边道路沉降变形已达24.8mm,基坑西侧燃气管线累计沉降量已达24.5mm。u 难点2 基坑施工前期发生严重变形基坑西侧地连墙水平位移曲线图0102030402013/5/12013/6/12013/7/12013/8/12013/9/12013/10/12013/11/12013/12/12014/1/12014/2/1地连墙顶水平位移地连墙墙顶水平位移(mm)报警值(mm)允许值(mm)0102030402013/5/12013/6/12013/7
21、/12013/8/12013/9/12013/10/12013/11/12013/12/12014/1/12014/2/1道路沉降累计周边道路沉降(mm)报警值(mm)允许值(mm)0102030402013/5/12013/6/12013/7/12013/8/12013/9/12013/10/12013/11/12013/12/12014/1/12014/2/1燃气管线燃气管线累计变形量(mm)预警值(mm)允许值(mm)基坑西侧道路沉降曲线图基坑西侧燃气管线沉降曲线图333 深大基坑明挖顺作关键技术3.3 基坑支护体系设计 裙楼、副楼基坑采用“地连墙+4道钢筋混凝土内支撑”支护,地连墙厚1
22、.0m、有效深度42.0m;塔楼基坑采用“单排灌注桩+5道钢筋混凝土环形支撑梁”支护,灌注桩1200mm1400mm。基坑支护三维效果图343 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 裙楼与副楼基坑之间设置800mm厚临时地连墙进行分隔,塔楼与副楼基坑之间由环形支护灌注桩隔开,实现基坑土方分仓开挖。u 3.4.1 整体支护,分仓实施基坑支护剖面图353 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 裙楼与塔楼区基坑先行施工、同时开挖,副楼区基坑暂缓施工,待裙楼地下结构、塔楼基础底板施工完成后再行施工,有效减少基坑变形。u 3.4.1 整体支护,分仓实施基坑分仓实施示意
23、图塔楼环形支撑副楼水平支撑裙楼水平支撑永久地连墙临时地连墙裙楼塔楼副楼363 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术u 3.4.1 整体支护,分仓实施u 施工整个基坑围护结构、竖向结构及首层水平支撑u 塔楼、裙楼继续向上施工,副楼区地下结构完成u 塔楼、裙楼依次支撑开挖至坑底,完成底板施工后,副楼依次自上而下施工支撑、土方u 塔楼、裙楼区地下主体结构完成,副楼区施工基础底板 裙楼、塔楼区均采用明挖顺作,副楼区采用盖挖顺作。373 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 副楼区首道支撑全部增做封板(局部增设出土口),整体兼做栈桥,既解决了场内交通和场地问题,保证了
24、塔楼的优先顺利实施,又增加了基坑刚度,控制了基坑变形。u 3.4.2 支撑优化,兼做栈桥首道支撑原设计效果图首道支撑优化后工程实景383 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 在南侧增设两个小的出土口,实现副楼区基坑土方多点开挖。同时,保证了行车路线、土方堆放、材料加工与堆放等场地。u 3.4.2 支撑优化,兼做栈桥增设出土口效果图增设出土口实景图393 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 对封板栈桥的荷载情况进行三维有限元分析,其结构变形、结构受压、立柱压应力均在可控范围内。u 3.4.2 支撑优化,兼做栈桥竖向结构应力分析支护体系三维有限元分析水平结构
25、应力分析水平结构变形分析403 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 鉴于裙楼基坑西侧道路、管线位移已超过预警值,充分考虑软土基坑时空效应,采用抽条开挖,超前支撑,减少无撑暴露时间,控制变形继续发展。u 3.4.3 抽条开挖,超前对撑抽条开挖平面示意图裙楼(A区)413 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 先抽条开挖对撑中间部位土方,迅速封闭对撑中间部位支撑梁;再开挖对撑两端部位土方,采用微膨快硬混凝土,及时封闭对撑梁。u 3.4.3 抽条开挖,超前对撑抽条开挖步序图423 深大基坑明挖顺作关键技术3.4 深基坑变形综合控制技术 结合对撑部位调整裙楼基础底
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