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1、1 概论 本章提要 本章简要回顾了高层建筑施工技术发展的过程和目前的施工技术水平，为全书的学习提出一个初步的目标。 1. 1 高层建筑发展的历史和现状 19世纪末，随着科学技术的发展，钢筋混凝土结构、钢结构在土木工程领域取代传统的砖、石、木结构得到了推广和应用，建筑物的高度增加、层数增多、跨度增大，现代意义上的高层建筑开始出现。回顾高层建筑发展的历史，我们可以看到其中的代表建筑是美国1931年建成的纽约帝国大厦(高381m，102层)、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼(417m和415m，100层，“911”事件中被毁)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(441，9m，110层)，前苏联
2、和波兰于1953年和1955年分别建成的莫斯科国立大学(239m，26层)和华沙科学文化宫(231m，42层)，1978年澳大利亚悉尼建成的MLC中心(229m，65层)。1985年以来，亚洲的日本、新加坡、韩国，马来西亚，朝鲜及中国等国家迅速发展了高层及超高层建筑，其中有1996年建成的深圳地王大厦(高325m，69层)、广州中信广场(3219m，80层)，1998年建成的吉隆坡石油大厦(400m，88层)、上海金茂大厦(395m，88层)。将世界上最高的100幢建筑物的建成年代和在世界上各地的分布作表统计(表111)，则可以看出：随着时间的推移，20世纪中，北美洲在前100幢高层建筑中所占
3、的数量由多变少，而亚洲则从无到有，由少变多，并逐步成为了世界建造高层及超高层建筑的中心。第1页 到这10幢建筑中，美国占4幢，建于19311974年，且均为钢结构建筑；亚洲占6幢(其中中国4幢)，建于19962000年。进一步论证了亚洲已成为世界建造高层及超高层建筑的中心。这6幢超高层建筑有5幢采用了SRC组合结构，说明了SRC组合结构在超高层建筑中的应用，已经达到了相当的广度和深度，并逐步成为超高层建筑建造中的首选类型。 12 高层建筑施工技术的发展和现状 高层建筑施工与一般建筑施工的最大区别就是高层建筑需要有深埋的基础，需要用钢筋混凝土材料来建造坚固的墙体，另外建筑物特别高耸时，需要有既自
4、重轻、又强度高的材料来作建筑物的竖向受力构件，这时就有了钢和钢筋混凝土的组合结构。针对高层建筑施工的这些特点，我国近年来在高层建筑施工实践中摸索了很多经验，积累了丰富的工艺技术，创造了许多先进水平的成果。 在高层建筑深基础施工方面，从多层建筑物的基础施工技术的起点出发，认识到一般建筑物的基础埋深在2m左右，如果有地下室则埋深在4m左右，施工开挖采用放坡形式。如地下水位高的地区采用集水井降水或轻型井点降水，但是高层建筑物的基础，按规定的基础埋深要求，浅则45m，深达2030m，其施工难度大大增加，施工中必须采用支护结构给地下室基础施工创造作业空间，其支护结构的形式有重力式挡土墙、围护壁加锚杆和围
5、护壁加内支撑等数种。重力式挡土墙适用于6m左右深度的基坑，一般为深层搅拌桩或土钉墙结构；围护壁加锚杆适用基坑周边土体物理力学性质较好，适合锚杆嵌入锚固的工程条件；围护壁加内支撑适用于各种不同土性、不同深度、地质条件复杂的基坑，但要考虑内支撑对地下结构施工的影响。其地下室施工的顺序有顺作和逆作两种，顺作法适合大多13层地下室结构的施工，当基坑过深、地下室层数过多时，顺作方法呈现不合理现象，可采用逆作法施工，同时有一些地面需要尽快恢复交通的工程或希望施工中一边向下挖掘、一边向上建造的工程，则也宜用逆作法进行。 在高层建筑物的基础工程施工中，深基础的施工支护结构由围护壁和支撑结构体等组成，整个支护结
6、构是在先行施工完围护壁后逐层开挖土方、逐层施工支撑结构而逐渐形成的，因此高层建筑基础施工技术的发展已经从施工理论上认识到，整个支护结构是在受荷过程中逐渐形成的时变结构，支撑的施工过程关系到支护结构的安全，它必须遵循先撑后挖，边挖边撑，尽量缩短开挖面成撑时间的原则，根据不同的基坑开挖工艺方式，有不同的成撑工艺相配合，下面我们就采用钢支撑结构和钢筋混凝土支撑结构的高层建筑基础施工顺作法和逆作法两种施工过程分别叙述如下： 顺作法施工过程是在先施工完成基坑四周围护壁结构以后进行下列步骤施工(图121)： (1)开挖表层土，施工围护壁顶的圈梁和第一道支撑； (2)开挖第一道支撑至第二道支撑标高处的土方；
7、 (3)施工第二道支撑； (4)开挖第二道支撑至第三道支撑标高处的土方； (5)施工第三道支撑； (6)开挖第n-1道支撑至第n道支撑标高处的土方； (7)施工第n道支撑； (8)开挖第n道支撑至坑底标高的土方； (9)浇筑底板垫层和施工钢筋混凝土底板，并做好底板与围护壁的传力带； (10)拆除第n道支撑； (11)施工第n层地下室结构，并做好该层结构顶板与围护壁的传力带； (12)拆除第n1道支撑； (13)施工第n1层地下室结构，并做好该层结构顶板与围护壁的传力带； (14)拆除第二道支撑； (15)施工第二层地下室的结构，并做好该层结构顶板与围护壁的传力带； (16)拆除第一道支撑； (
8、17)施工地下一层结构，基础地下室施工完成。2 高层建筑深基础施工概述 本章提要 本部分就高层建筑深基础施工支扩结构问题研究的历史与现状、结构设计的选型，优化和特点作综合性概述。 21 软土地基中深基础工程施工支护结构问题研究的历史和现状 在软土地基中进行基础或地下工程施工是一个传统的施工问题，但随着基础深度的不断增加，地下工程体量的不断变大，这个问题又成为综合性很强的施工难题。它既有土的强度、变形和稳定问题，土与支护结构的共同作用问题，又有支护结构与基础施工工艺的配合问题，支护结构与为施工目的而构筑的栈桥、车道、起重机平台、轨道梁等的综合设计问题，同时还必须考虑施工过程中对周围环境的保护。
9、最简单的基坑开挖方式是采取放坡形式，这时的施工不用对基坑壁采取支护措施，但在软土地基中这仅适用于较浅的基础施工，如果基坑深度增加，放坡就会延伸到周围很大的范围，而且由于地下水的影响，边坡还会因渗水而塌方，对周围的环境会产生较大的影响。所以在城市工程施工中，深基础施工的地下空间往往是由支护结构的构筑而逐渐形成的，有时也称支护结构为基坑的围护结构。同时，随着城市环境保护要求的提高，为施工深基础而构筑的支护结构在逐步形成的过程中还必须考虑软土的流变特征，需要尽快地形成结构体系中支撑的强度和刚度，以有效地控制受施工扰动的土体变形。另外，由于现代化建筑物的深基础和市政地铁管线都比较深，平面尺寸也比较大，
10、因此为施工目的必须在基坑内设置一些运土车辆下坑的栈桥、固定式塔吊的基础或行走式塔吊轨道梁，在坑边设置一些周边的车行道和起重机、挖掘机的操作平台。从而使施工技术方案设计中的深基础施工方案成为一个综合了施工工艺、结构工程、岩土工程等多学科内容的技术问题。将为施工目的而构筑的基坑内的各类结构在设计中统一考虑，优化设计，形成最经济合理安全的施工方案是施工技术方案设计的原则，可以将这些为施工目的而构筑的结构统称为深基础的施工结构。 为了解决施工结构的分析、设计问题，收集和研究了许多国内外有关的理论和经验。因为上海的地质条件特殊，所以可以直接借鉴的不多，但在Tezaghi1,Peck2,Clough3,B
11、jerrum4,Tsui5等学者从20世纪40年代至80年代所阐述的深基坑稳定性分析、坑底隆起分析、基坑开挖引起的土体移动机理及对周围土体位移的数值分析等论点中得到了一些有用的启示。分析这些理论的发展我们可以看到，由丁crzaghl和Peck等人在20世纪40年代提出的基坑施工中的边坡土方稳定和荷载大小的预先估计的总应力法一直沿用至今，其间得到了许多改进和修正。20世纪60年代开始有学者在软土地基深基础施工中使用了仪器进行施工过程监测，这种现场监测数据经过反馈分析，提高了预测方法的准确性，其后年间各国逐渐制定可指导相应土方开挖施工的规程。20世纪80年代我国现代化建筑和地铁、隧道施工进入高潮，
12、鉴于我国沿海地区软土地基的特殊性，国内学者就适合中国国情的深基础施工基坑开挖提出了诸多理论分析和计算方法。例如黄强6提出的深基坑支护结构内力计算手册，刘建航院土和侯学渊先生7阐述的沿海软土地基条件下基坑工程施工原理，秦惠民、叶政青8介绍的深基坑施工实例，本人与吕风梧9、10提出的深基坑中水平封闭框架支撑体系的设计方法和以现浇钢筋混凝土框架为支撑体系的支护结构有限元数解法，孙钧院士11的地下工程设计理论，孙钧、汪炳鉴12关于地下结构有限元的解析方法，黄运飞13提出的深基础施工的技术方法，孙钧、蒋树展论述的岩石力学反演问题的理论和方法，尉希成15关于支挡结构设计方法的介绍，都在实践中取得了丰富约资
13、料和经验。随着施工技术的进一步发展，在深基础的施工设计问题上，对结构在软土地基中所受的土压力问题在深基础施工结构的变形问题，深基坑的整体稳定、施工方案选择以及施工过程第8页对环境的影响，结构分析中土的本构关系等方面，我们可以看到这样一些成果。 (1)关于深基础施工结构上作用的土压力研究 在深基础施工结构体系的围护壁上的土压力，工程上一般采用传统的库仑土压力理论和朗肯土压力理论。对于公式中的土的强度指标，由于实验方法不同，所得的结果会有较大的差异，而实际上作用于围护壁上的土压力介于静止土压力和极限状态下的主、被动土压力之间。对于悬臂的围护壁结构，其土压力通常可以按主动土压力计算，但对于有支撑或锚
14、杆的围护壁，由于其变形受到支撑或锚杆结构的约束，其土压力实际上未进入主动或被动状态，通常处于静止与主动或被动状态之间。传统理论无法考虑结构变形对土压力的影响以及土压力分布的空间效应，无法考虑土体固结、蠕变及开挖施工对土扰动的影响，也无法考虑施工过程延续中土体会产生的时间效应。 在20世纪40年代，Jacky16曾提出计算正常固结的粘性土静止土压力系数的经验公式，到50年代为Bishop17等的试验所验证。70年代Lambe18等人在分析这些经验公式的基础上认为深基础施工中土方开挖对周围土体变形影响的因素有八个，它们是：基坑的规模、土的性质、降水条件、时间、支撑系统、开挖和支撑的顺序、邻近基坑的
15、结构和设施、外加活动荷载。这种观点已经很接近施工技术发展研究的现状，其影响因素的后半部正是深基础施工结构要系统分析的问题。对于深基坑实际土压力的分析，因涉及到结构物的存在及与土体介质的相互影响，土体所处的状态无法简单地用主动、静止、被动三种情况来判别。大量的研究工作表明，土体的实际状态与挡墙的位移大小之间有密切关系。高大钊19论述过关于软土深基坑支护设计中的土压力问题，张崇烨等人20在外滩京城深基坑土方开挖中曾考虑施工工艺对成撑的影响乃至对围护壁和土压力的影响；孔莉莉21认为土压力沿深度发展呈三角形，实测值小于理论值，坑外土压力随基坑开挖的进行，墙体向内位移而衰减。要准确分析作用在施工结构上的土压力，采用有限元方法是可行和可靠的，但计算较依照极限状态的结果来得复杂一些。目前已有利用有限元方法对基坑支护结构进行平面和空间分析的方法，但全面考虑施工工艺过程因素的分析还有待完善。 (2)关于深基础施工结构的变形 深基础施工结构在周围土压力的作用下，一定会产生变形。唐九如、王俊佚等22认为桩体围护壁暴露时间长短对于侧移的影响是很重要的因素；张再兴23总结准确的挖土施工程序对控制变形至关重要；陈若然24论述支护结构为开挖提供有利条件，而开挖迅速为支护结构控制变形奠定基础；黄正述等25认为地
