深基坑设计施工关键技术

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1、天津嘉里中心超大深基坑 设计施工关键技术,中建一局集团建设发展有限公司 周予启 2014年08月22日,提 纲 一、前 言 二、工程概况 三、设计由来 四、基坑设计 五、基坑施工 六、基坑监测 七、数值模拟 八、基坑事故,一、前言,前 言,基坑工程是集岩土工程和结构工程等专业于一体的系统工程，是将挡土、支护、防水、降水、挖土、监测和信息化施工等作为一个系统。 随着近年来城市化进程的加快和城市地下空间开发利用的发展，我国基坑工程设计和施工水平有了很大的提高。 尤其是近年来，伴随着不同区域的超限超高层第一高楼的规划和兴建，使得基坑工程迅速朝着超大、超深方向迅猛发展。,前 言,但应看到，基坑工程事故

2、多和设计不合理造成工程投资浪费的两个倾向同时存在。 太沙基：“岩土工程与其说是一门科学，不如说是一门艺术（Geotechnology is an art rather than a science）”,二、工程概况,天津嘉里中心工程位于天津市河东区六纬路、六经路、海河东路和八经路围成的地块内(场地面积8.6万m2）。由天津嘉里房地产开发有限公司投资兴建，是集办公、酒店、公寓、餐饮娱乐及购物于一体的综合建筑群。地上总建筑面积为499000m2，地下总建筑面积为221000m2。 建筑设计顾问：SOM、利安顾问； 结构设计顾问：奥雅纳工程咨询公司； 机电设计顾问：迈进中国工程设计； 国内设计单位：

3、天津市建筑设计院； 基坑支护单位：北京工业大学建筑勘察设计院 （联合设计）中建一局集团建设发展有限公司,2.1 天津嘉里中心工程概况,充分利用主体结构的中心岛法：钻孔灌注排桩+三轴水泥土搅拌桩止水帷幕周边钢管短撑组合支护设计形式。,2.2 天津嘉里中心工程基坑支护设计形式,中心岛法支撑布置示意图,中心岛法设计方案的优点：,减小了温度应力及变形的影响； 减小了支撑空间效应的影响； 降低了部分工程造价； 缩短了施工周期。 基坑开挖可根据业主开发进度进行，不受整体支撑施工限制； 塔楼主体结构钢构件安装方便，不受临时支撑的影响。,反压土护坡实景照片,降排水设计思路,上部潜水和浅层微承压水：以止水为主，

4、采用三轴水泥土搅拌桩止水帷幕隔断基坑内外的水力联系，坑内采取大口管井进行疏干。 深层层 微承压水：由于需降水头不大，采取坑外设置减压井的方式进行处理。,本工程基坑支护围护结构采用钻孔灌注桩+三轴止水帷幕的形式，与主体结构基本不发生任何联系，亦不受建筑结构设计进度的制约，基坑开挖的实现也不会对结构设计提出额外的要求，因此基坑设计对建筑结构设计基本无影响。 由于基坑中部土方可以大放坡开挖到基底，因此基坑中部主体结构尤其是塔楼部分，可以提前进行主体施工，而基坑周边反压土台占去的裙楼部分的施工，不占用总工期，因此中心岛法基坑设计对于总包单位控制总体施工进度非常有利。 同时，由于只在基坑周边设置短撑，中

5、部主体结构施工非常方便，尤其是塔楼主体钢构件吊装不会受到临时支撑的影响。,2.3基坑设计对建筑结构设计和总包施工的影响,过程照片,试桩施工阶段,土方开挖施工阶段,工程桩施工阶段,围护桩施工阶段,三、设计由来,方案一：两道钢筋混凝土内支撑 方案二：三道钢筋混凝土内支撑 方案三：中心岛法两道斜抛撑 方案四：中心岛法三道斜抛撑 方案五：中心岛法+边逆两层 方案六：中心岛法+边逆三层,天津嘉里中心超大深基坑设计由来,支撑体系选型：,国内常见的圆环支撑结合边桁架以及角撑的整体支撑形式。这种支撑体系主要优点为支撑刚度较大，能有效控制基坑变形，同时土方开挖也相对容易。通过合理布置支撑形式，避开基坑中部主体结

6、构，还可体提前开展中部主体结构施工。,天津津塔,上海绿洲中环中心,上海星河世纪城,武汉中侨官邸住宅,本工程初期支撑系统设计：,方案一：两道钢筋混凝土内支撑,方案二：三道钢筋混凝土内支撑,方案三：中心岛法两道斜抛撑,方案四：中心岛法三道斜抛撑,方案五：中心岛法+基坑周边逆作两层,方案六：中心岛法+基坑周边逆作三层,四、基坑设计,基坑支护单元计算软件： 理正、启明星、PKPM、天汉、大力神 基坑支护数值模拟软件： 同济曙光、FLAC、Plaxis、ABAQUS、ZSOIL,4.1、基坑设计工具,4.1 基坑设计工具,4.2、基坑设计体系选型,JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程 3.3.1

7、条,4.3、基坑设计条件,1、岩土工程勘察报告（工程地质条件、水文地质条件） 2、建筑结构条件（基础类型、基坑开挖深度） 3、周边环境（对基坑侧壁位移限制、降排水条件、周边荷载、地下地铁等构筑物、地上建筑物等） 4、施工季节（南方台风暴雨） 5、使用期限,4.4、基坑工程八个特点,（1）基坑围护体系是临时结构，与永久性结构相比，设计考虑的安全储备较小。因此基坑工程具有较大的风险性，对设计、施工和管理各个环节提出了更高的要求； （2）场地工程地质条件和水文地质条件对基坑工程性状具有极大的影响，基坑工程具有很强的区域性； （3）基坑工程与周围环境条件密切相关，在城区和在空旷区的基坑对围护体系的要求

8、差别很大，几乎每个基坑都有特殊性； （4）基坑围护设计不仅涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，而且基坑围护结构受力复杂，要求设计人员不仅具有很好的岩土工程分析能力，还应具有较好的结构工程分析能力； （5）作用在围护结构上的主要荷载土压力的影响因素很多，很复杂； （6）基坑工程空间形状对围护体系受力具有较强影响，土又具有蠕变性，因此基坑工程时空效应强； （7）基坑挖土顺序和挖土速度对基坑围护体系受力具有很大影响，围护设计应考虑施工条件，并应对施工组织提出要求。基坑工程需要加强监测，实行信息化施工； （8）基坑围护体系的变形和地下水位下降都可能对基坑周围的道路、地下管线和建筑物产生不良影响，

9、严重的可能导致破坏。基坑工程设计和施工一定要重视环境效应。 绝大多数基坑工程事故都与设计、施工和管理人员对上述基坑工程特点缺乏深刻认识，未能采取有效措施有关。,五、基坑施工,施工流程,施工典型照片,导管闭水试验,护筒埋设,钻机就位,钻进,钢筋笼制作,钢筋笼吊装,5.2 施工工艺的选择与确定（护坡桩）,施工典型照片,下隔水胆,下混凝土导管,混凝土灌注,二次清孔,5.2 施工工艺的选择与确定（护坡桩）,钢筋笼起吊全过程: 1、双机配合 2、六吊点水平起吊 3、空中回转立直,施工重点问题说明 钢筋笼吊装,保证钢筋笼吊直措施： 本工程钢筋笼采用一次整体吊装，起吊前在对应吊点位置对称的绑扎两根杉木杆，增

10、加其整体刚度，下钢筋笼时再将其取出,绑扎杉木杆,钢筋笼吊装数值模拟,施工重点问题说明 钢筋笼吊装,施工重点问题说明桩身垂直度控制,控制标准1/200 控制钻塔本身的垂直度 控制钻压 选择有良好导正性的钻头 对钻机手进行严格的培训 出现孔斜时安装扫孔器扫孔,孔径测试仪,孔斜测试仪,5.2 施工工艺的选择与确定（护坡桩）,施工重点问题说明 沉渣控制,桩底沉渣多少只是一个结果。如欲有效控制桩底沉渣，需采取成桩全过程的措施。即桩底沉渣不可能完全消除，只是量多、量少的问题。 控制护壁泥浆性能指标，尤其是泥浆循环使用时需采取除砂措施 完善一清孔方式 钢筋笼一次起吊，尽量缩短吊装时间 下完钢筋笼后进行二次清

11、孔,沉渣测试仪,六、基坑监测,随着城市的发展，基坑的开挖深度越来越深。由于地下土质、荷载条件、施工环境的复杂性，对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化的监测已成了工程建设必不可少的重要环节。对于复杂的项目，往往难以从理论上找到定量分析的结果，只能依赖于施工过程中的现场监测。 首先，靠现场监测数据来了解基坑支护结构的实际受力状态，为今后降低工程成本指标提供设计依据。 第二，可及时了解施工环境地下土层、地下管线、地下设施、地面建筑在施工过程中所受的影响及程度。 第三，可及时发现和预报险情的发生及险情的发展程度，为及时采取安全补救措施充当耳目。,6.1、基坑监测的必要性,6.2

12、、基坑监测要求,JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程 3.8.3条,6.2、基坑监测要求,GB50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范,6.2、基坑监测要求,GB50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范,6.3、基坑监测手段-常规设备,水平位移 垂直沉降监测,6.3、基坑监测手段-常规设备,护坡桩深层水平位移监测（测斜管）,6.3、基坑监测手段-常规设备,钢筋计构造示意图,（a）振弦式,（b）电阻应变式,钢筋计安装示意图,6.3、基坑监测手段-常规设备,锚索轴力计安装,6.3、基坑监测手段-常规设备,土压力盒构造示意图,土压力盒安装示意图,6.3、基坑监测手段-常规设备,孔

13、隙水压力计示意图,6.3、基坑监测手段-常规设备,地下水位监测示意图,6.3、基坑监测手段-常规设备,分层沉降和槽底隆起监测,6.3、基坑监测手段-基坑数字化远程自动监测,为什么数字化 数字化急剧地改变着人们的生活、工作、思维方式乃至整个社会的文化。 电子技术从模拟到数字化 数码随身听、DVD、数码摄像机、数码相机、MP3、数字电视、数码电冰箱。 技术发展趋势,工程迫切需求,6.3、基坑监测手段-基坑数字化远程自动监测,数字地球（1998）：可以嵌入海量数据的、多分辨率的、真实地球的三维表示。 数字城市：借助3S技术采集基础数据，运用数字技术建立城市区域内集成平台和虚拟环境，实现对城市基础设施

14、的动态监测管理。,三维数字地图与交通管理,6.3、基坑监测手段-基坑数字化远程自动监测,为了确保基坑施工期的安全，在基坑施工监测的基础上，对基坑关键部位的受力、变形采用全自动监测，并建立数字化的施工安全监控系统，实现监测数据的网络化、可视化及安全预警。 主要目标： 实现基坑变形和受力关键部位全自动实时监测 实现通过Internet能随时随地访问监测数据 实现监测数据可视化 实现监测数据的自动安全预警,6.3、基坑监测手段-类似工程实例,上海世博地下变电站基坑 上海中心基坑 深圳平安金融中心,上海世博地下变电站基坑三维监测可视化实例,上海中心基坑数字化远程监控系统,采集与无线传输系统,数据采集仪

15、与传感器连接,其它监测手段: 光纤光栅/数字全站仪等,光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。,七、数值模拟,关于反压土台护坡，目前的国家规范、地方标准均未对围护桩和反压土的位移如何计算做出说明。为了保证基坑安全，同时对本工程反压土护坡的围护体系的变形控制标准做出准确的判断，采用美国Itasca Consulting Group 公司的大型数值分析软件（FLAC）针对本工程的围护体系建立了数值模拟计算模型，根据降水、土方开挖

16、的实际工况，对反压土和围护桩的位移及内力进行数值模拟分析，并结合天津地区以往反压土护坡工程实例，建立了反压土护坡的变形控制标准。,数值模拟和施工监测,数值计算模型,数值模型边界条件水平方向考虑了不少于5倍坑深的计算长度，深度方向考虑了不少于3倍坑深的计算深度，土体计算单元最小为0.5*0.5m，最大计算单元为1*1m，土体计算模型为摩尔-库仑弹塑性模型，土体弹性模量和泊松比均取自本工程地质勘察报告。根据实际施工的工况，考虑了降水和土方开挖对围护体和反压土的影响。,不同施工工况数值模型,不同施工工况竖向沉降,不同施工工况水平位移,八、基坑安全,八、基坑安全事故,1、基坑安全事故的原因 2、广州海珠城基坑事故 3、杭州地铁基坑事故 4、北京万亨大厦基坑事故 5、基坑安全常见问题初探,1）工程勘察：勘察不详、不准、疏漏、失误。 2）工程设计：对支护参数进行设计时，需进行稳定性计算分析及与之紧密相关的边壁破坏模式的选定。 3）工程施工：施工质量、施工工艺、材料质量、施工机械