（道路与铁道工程专业论文）世博轴深大基坑开挖施工技术研究.pdf

摘要 摘要 随着城市文明程度的提高与施工技术的发展，建筑施工场地和环境的要求 日趋严格，采用逆作法技术进行深基坑支护的地下工程逐渐增多。逆作法技术 能够很好地解决基坑旆工周期长、对周围环境影响大、支护费用高的问题，但 无论是理论与实践，逆作法技术均还有大量的问题需要研究探索，这涉及到为 逆作法技术提供可靠的分析手段，以便指导整个逆作法施工过程，确定施工方 案、施工顺序，关键施工技术的改进，降低逆作法的施工成本，加快施工速度， 控制施工中出现的问题等多方面的因素。 本文以上海世博轴及地下综合体工程1 标段基坑工程为背景，对逆作法施 工中的若干施工技术进行了较深入的研究，旨在为本工程逆作法的设计和实施 提供一定程度的指导作用，主要研究内容和结论如下： 1 通过p l a x i s 有限元数值模拟，对不同的土台预留宽度、高度对基坑变 形及周边环境的影响进行讨论，过小的土台宽度会导致开挖中心土体时基坑变 形过大；过大的土台会造成开挖至板结构施工完成的时间长，导致开挖土台时 变形过大。另外，有斜抛撑时会造成土台高度过低，但支撑本身又对变形有控 制作用。本文综合考虑以上因素，建议浅三层中板预留土台高度取3 m ，底板预 留土台高度取4 m ，深三层中板预留土台高度取3 m ；浅三层和深三层预留土台宽 度取8 m 。 2 通过室内离心模型试验和杆系有限元法数值模拟，对有、无斜抛撑对基 坑变形及周边环境的影响进行讨论，根据浅三层和深三层基坑不同区域的环境 保护等级，建议浅三层和深三层靠近8 号线车站的东侧应设置斜抛撑，而在基 坑另一侧可以不设置斜抛撑。 3 通过a n s y s 三维有限元数值模拟和离心模型试验，对土台开挖时空效 应对基坑变形及周边环境的影响进行讨论，针对周边不同的环境保护要求，对 不同的土台开挖时限、不同的土台开挖顺序及不同的土台开挖宽度对基坑变形 的影响进行研究，结果表明：由于土体的蠕变而产生的连续墙变形8 0 以上发 生在预留土台开挖后的6 0 天内；开挖预留土台时，同时开挖的土块体积不应太 大，当采用跳挖方式开挖土台时，应先开挖连续墙附近无重点保护对象的区域； 浅三层中板处预留土台的开挖宽度宜为2 0 m ，深三层中板处预留土台的开挖宽度 摘要 宜为3 0 m ，浅三层和深三层底板处预留土台的开挖宽度宜为3 0 m 。 4 通过对典型监测断面处的现场实测数据进行分析与研究，得出了本基坑 工程中地下连续墙、重力式挡墙、车站及附属结构的一些变形特征。 关键词：基坑工程，逆作法，离心模型试验，有限元法，预留土台，斜抛撑 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei m p r o v e m e n to fc i t i e s c i v i l i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e ，b u i l d i n gc o n s t r u c t i o nm e e t sp r o b l e m so fr e s t r i c tc o n t r o lo ns i t ea r e aa n d c i r c u m s t a n c ep r o t e c t i o n i nr e s u l t ，t h es o c a l l e dt o p - d o w nc o n s t r u c t i o nm e t h o d ( t d c m ) g e tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o nw h i c hp r o m o t e si t sp r o g r e s s t d c mh a s r e s o l v e dc o m m e n d a b l yas e r i e so fp r o b l e m si nt h ef i e l do fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ， f o re x a m p l e ，t h ep e r i o do fd e e pe x c a v a t i o ni sl o n g , t h ei m p a c to ft h ep r o j e c t c o n s t r u c t i o np r o c e s so nt h es u r r o u n d i n gc i r c u m s t a n c ei ss e r i o u s ，t h ec h a r g eo fs h o r i n g i se x p e n s i v e l y , e c t h o w e v e r , t h e r ea r em a n yi s s u e st od i s c u s s ，s u c ha sp r o v i d i n g r e l i a b l ea n a l y s i sm e t h o df o rp r o j e c t ，i no r d e rt od i r e c tt h ew h o l ep r o c e s so ft d c m ， e s t a b l i s h i n gt h es c h e m ea n ds e q u e n c eo fc o n s t r u c t i o n , r e d u c i n gc o n s t r u c t i o nc o s to f t d c m ，e x p e d i t i n gt h ec o n s t r u c t i o np a c e ，a n dc o n t r o l l i n gt h ep r o b l e mi nt h ep r o c e s s o f t d c m t h i sd i s s e r t a t i o ni sc a r r i e do u tr e s e a r c ha n di n v e s t i g a t i o no i lb a s eo fs h a n g h a i e x p oa x i sa n du n d e r g r o u n dc o m p l e xp r o j e c tn o 1t e n d e r i n gs e c t i o n , t h e s ep a p e r s a i ma to f f e rs u p e r v i s ef u n c t i o nf o rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft d c mo fac e r t a i n d e g r e s s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i d t ha n dh e i g h to fr e m a i n e db e r ma r ed i s c u s s e dt h o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db yp l a x i s ，i ft h ew i d t ho ft h eb e r mi st o ol i m i t e d ，t h e d e f o r m a t i o no fp i tw i l lb eo v e r s i z ew h e ne x c a v a t i n g ，w h i l ei ft h ew i d t ho fb e r mi s g r e a t ，i tw i l lc o s tal o n gt i m et oe x c a v a t et op l a t e ，a n dt h ed e f o r m a t i o nw i l l a l s o g r e a t e ra n dg r e a t e ra l o n gw i t ht h et i m e b e s i d e s ，t h eh e i g h to fb e n nw i l lb es m a l li f t h e r ea r ei n c l i n e db r a c i n g s ，b u tt h eb r a c i n g st h e m s e l v e sc a nc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o n a l lo ft h e s ef a c t o r sw e r ec o n s i d e r e d ，t h e nt h er e a s o n a b l er e m a i n e db e r mh e i g h to f m i d p l a t eo nt h e e a s ts i d eo ft h ep i ti sp r o p o s e dt ob e3 m ，b o t t o m p l a t et ob e4 m ， m i d - p l a t eo nt h ew e s ts i d et ob e3 m ，a n dr e m a i n e db e r mw i d t ho nb o t hw e s ta n de a s t s i d e a r e8 m 2 t h ed e f o r m a t i o no fp i ta n dt h ei n f l u e n c et ot h es u r r o u n d i n g sw e r ea n a l y z e db y i i i a b s t r a c t t h ec e l l t r i 缸g em o d e lt e s t sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d ，i n c l i n e db r a c i n g sa r e p r o p o s e dt os e to nt h ee a s ts i d eo fl i n e8s t a t i o n , b u tn o tn e c e s s a r y o nt h ew e s ts i d e 3 t i m e s p a c ee f f e c to fb e r me x c a v a t i o nt ot h ed e f o r m a t i o no fp i ta n dt h e s u r r o u n d i n g si sa n a l y z e db ya n s y s t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n d t h ec e n t r i f u g em o d e lt e s t s t h ei n f l u e n c e st od e f o r m a t i o no fp i ta r ei n v e s t i g a t e do f d i f f e r e n tb e r me x c a v a t i o nt i m e ，s e q u e n c ea n dw i d t h i tc a nb ec o n c l u d e dt h a t8 0 o f d i a p h r a g mw a l l sd e f o r m a t i o nb e c a u s eo fs o i lc r e e pt a k e sp l a c e6 0d a y s a f t e r e x c a v a t i o n ；t h ev o l u m eo fs o i le x c a v a t e ds h o u l dn o tb et o ol a r g ea to n et i m e ；a r e a s n e x tt od i a p h r a g mw a l l sw i t h o u tp r o t e c t i o ns h o u l db ee x c a v a t e dw h e ns k i p d i g g i n g ； e x c a v a t i o nw i d t ha tm i d p l a t eo nt h ee a s ts i d eo ft h ep i ts h o u l db e2 0 m ，o nt h ew e s t s i d et ob e3 0 m ，a n da tb o t t o m p l a t eb o t he a s ta n dw e s ts i d et ob e3 0 r n 4 1 1 1 ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i a p h r a g mw a l l s ，s t a t i o na f f i l i a t e d s t r u c t u r e se t c i nat y p i c a lp i ta r ew o r k e do u tb ya n a l y z i n gt h ed a t am e a s u r e do nt h e i n s p e c t i n gs e c t i o n s k e yw o r d s ：e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g , t o p d o w nc o n s t r u c t i o nm e t h o d ( t d c m ) ， c e n t r i 如g em o d e lt e s t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，r e m a i n e db e r m ， i n c l i n e db r a c i n g i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：事翔= 7 h 口7 年1 月歹e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：咖翔0 如p 1 7 年f 月罗曰 第l 章引言 1 1 概述 第1 章引言 随着科学技术的迅速发展，国民经济水平有了显著提高。国家对城市建设 投入加大，城市化进程随之加快，由此引起的人口激增和城市的基础设施相对 落后之间的矛盾，要求不断地更新、改造城市的面貌和城市基础设施，在城市 发展问题上，则表现为城市空间的扩大与城市土地资源紧缺的矛盾。在这样的 背景下，世界城市化的进展，要求人们在限制耕地面积减少的同时充分开发与 利用空间资源。随着城市建设的发展，要求开发三维城市空间。目前各类用途 的地下空间己在世界各大中城市得到开发利用，诸如高层建筑多层地下室、地 下铁道及地铁车站、地下停车库、地下街道、地下商场、地下医院、地下仓库、 地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等n 1 。 我国在改革开放以来，城市化进程进一步加快，各大城市高层建筑发展迅 速，以上海、北京、广州、深圳、天津等地的高层建筑密度最大。目前发展的 趋势和特点是层数增多，高度增高，并积极参与国际高层建筑的竞争。随着高 层建筑的发展，伴随出现了深基础，由此出现了大量的深基坑工程，而且其规 模和深度仍在不断加大。由于城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道 路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁，虽属临时性工程，但其技术 复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本 身安全，而且会殃及临近的建( 构) 筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大 损失。 因此，基坑工程是当今土木工程最为复杂的技术之一，是一个系统工程， 涉及到工程地质与水文地质、工程力学与工程结构、土力学与基础工程和施工 与组织管理，是融多种学科知识于一体的综合性科学瞳3 。基坑工程施工中不仅要 保证基坑施工过程中的土体稳定，而且要严格限制周边的地层位移以确保四周 环境的安全。 1 2 世博轴基坑工程概况 第1 章引言 1 2 1 地理位置及工程范围 世博轴及地下综合体工程位于浦东世博园区，全长1 0 0 0 多米，宽1 1 0 米， 连通两座地铁车站和一个磁浮车站。地下空间从南至北分别穿越雪野路、南环 路、北环路、浦明路四条城市道路；地上南北连通两个城市广场及滨江世纪公 园，东西连通四大场馆。本工程在世博期间是重要的景观走廊和复合的公共人 行交通枢纽，在世博会后将成为地下空间系统的主干，是一个由商业服务、餐 饮、娱乐、会展服务、车库、储藏等多功能组成的大型商业、交通综合体。 本工程为世博轴及地下综合体工程1 标段，工程范围设计轴线为5 3 轴 5 2 1 轴，基坑全长2 0 0 m 左右，基坑宽度ll o m 。工程分为浅三层和深三层，浅 三层开挖深度为1 7 m ，深三层开挖深度为2 1 5 m ，现场地面标高为+ 4 2 m ，第一 层板的标高为+ 4 o o m ，第二层板的标高为- 1 o o m ，第三层板的标高为一6 5 m ，层 高5 5 m ，浅三层底板底标高为- 1 2 6 0 m ，层高6 1 m ，深三层底板底标高为一1 7 1 m ， 层高1 0 6 m ，基坑围护结构采用1 0 0 0 m m 的地下连续墙，深度分别为3 2 7 2 m ( 浅 三层部分连续墙) 、3 8 m ( 浅三层其它连续墙) 、4 3 m ( 深三层连续墙) 和2 8 1 m ( 深 三层与浅三层之间的隔断墙) 。基坑开挖采用逆作法施工。 本工程环境情况较为复杂，东西两侧规划道路红线距离为1 3 0 m ，基坑距离 耀华路与上南路规划道路红线l o m 左右，东侧紧邻已经建成的m 8 线耀华路地铁 车站，南侧紧邻即将施工的m 7 线上南路地铁车站。基坑距离在建地铁车站2 0 m 左右，m 8 线上南路车站出入口、风井距离本工程基坑仅2 5 m 左右。基坑施工既 影响已经建成的地铁车站和隧道，又存在与即将施工的m 7 线基坑相互影响的问 题。所以，本工程的环境保护要求较高。基坑与周围环境关系如图1 1 所示。 2 第1 章引言 ，。! ， 甥 爱一 。j 氐、二 目11 世陴轴基坑i 程半面不恿h 22 基坑安全保护等级 基坑东侧，53 轴52 l 轴( 上南路侧) ：l 级 基坑南例( 耀华路侧) ：l 级 基坑两侧( 规划园三路侧) ：2 级。 23 工程地质情况 世博轴及地下综合体工程位于上海市浦东新区，属滨海平原地貌类型，地 貌形态较单。场地位于吉河道沉积区，主要由饱和粘性土、粉性土及砂性土 组成。按其沉积年代、成因= 跫型及其物理力学性质的差异，可划分为个8 主要 土层，吾土层的特征如表11 所示，土层的物理力学参数如表12 所示。 表l 1 地层特征表 。层层 j 联名称 ：堪描述 号 l 杂填十 以牯性r 为主，宙植物根革，少录壳碎屑 。质松散 2 浜垃i 音黑色有机质，质软弱 弁氧化铁锈斑、铣锰质结核，失薄层粉性t 1 质随深度增加 1褐黄一扶黄色粘j 连渐盘软局部 t 开挖或暗浜地段谨层缺火 第1 章引言 灰色淤泥质粉质粘 含云母，夹薄层粉砂，土质不均 土 央灰色粘质粉十夹簿层粘性土，土性变化大，土质不均 淤泥质粘十含云母，有机质，夹薄层粉砂，十质软弱 i 灰色粘土含云母，夹少量贝壳碎屑及簿层粉砂 灰色砂质粉土夹粉含云母，有机质，夹薄层粉砂，局部夹多量粉质粘上，土质不 2 1 质粘l均，本次勘察区域内遍布 含云母，灾漳层粘性士，局部以砂质粉土为主，寸：质不均，颗 2 2 灰色粉砂粒成分以石英、长石为主。该层局部分布，拟建场地北部地下 1 层部分、南部预留3 0 层建筑区域缺欠，厚度变化大 灰色粉质粘上夹砂 2 3 拟建场地局部分布，夹较多量薄层粉砂，土质不均 质粉十 含钙质结核，夹薄层粉砂及粉f ：团块，二i ：质不均，主要分布在 3 灰色粉质粘土 场地北部1 层地下空间及南部3 0 层预留建筑区域 含氧化铁斑点，铁锰质结核，受沉积环境影响，可分为、 。一z 两个层，第h 层为粉质粘土，第h 层为砂质粉士， 4 灰绿色次生硬层 土质不均。拟建场地南部、北部区域分布，层厚变化较大，其 中第h 层呈零星分布，层厚较薄 2 灰色粉细砂颗粒成分以石英、长石为主，呈密实状态，土性指标佳 灰色粉砂夹薄层粘 3 粉砂与粘性土呈韵律沉积，粉砂颗粒成分以石英、长石为主 性土 灰色粉细砂颗粒成分以石英、长石为主，土质极佳 表1 2 土层物理力学性质参数表 同结试验渗透系数同结快剪 重度 士层层号 压缩系数压缩模量温度2 0 0 c温度2 0 0 c 粘聚力内摩擦角 1 , ( k y m 3 ) a o 1 - 0 2 ( m p a - 1 )e 蚰i - 0 2 ( m p a )k ( c m s )k ( c l i l s )c ( k p a )q 0 l 1 8 50 44 8 93 9 5 e 71 4 3 e - 62 l1 9 1 7 30 7 l3 2 7 1 3 5 e 62 7 9 e 61 21 9 夹 1 8 10 1 81 1 0 57 8 5 e - 61 2 7 e - 552 9 5 1 6 51 2 7 1 9 92 7 8 e 74 5 5 e 71 4l l 4 第1 章引言 l 1 7 40 7 53 0 61 3 e 73 4 8 e - 71 41 5 2 一i 1 8 1o 2 48 9 l1 0 8 e - 41 8 5 e - 442 9 2 2 1 8 5o 1 61 1 9 62 3 5 e - - 43 8 8 e - 423 0 5 2 3 1 8 20 3 95 1 l2 21 8 3 1 8 1o 3 26 1 07 8 3 e 71 9 8 e 61 92 l 41 9 6 0 2 27 5 66 9 3 e 71 o o e - 64 31 8 2 1 8 9o 1 21 4 9 503 2 5 3 1 8 9o 1 51 2 8 6o3 3 5 1 9 50 1 01 6 7 3o3 2 5 本工程地区的地下水主要有浅部土层的潜水、部分地区浅部土层中的微承 压水和深部粉性土、砂土层中的承压水。因本工程为深基坑，故浅部的潜水、 第。层微承压含水层均与工程建设密切相关；上海地区第一承压含水层( 第 层) 虽埋深较深，但局部与。层连通，其储水量丰富，施工中应考虑其的影响。 各种类型含水层的分布特征详述如下： 1 潜水 上海地区浅部土层中的潜水，埋深一般离地表面0 3 - - 1 5 m ，年平均地下水 位离地表面0 5 - - - 0 7 m 。由于潜水与大气降雨关系十分密切，故水位呈季节性波 动，因此潜水水位高低主要取决于降雨量的大小和雨期持续时间。根据该地区 的勘察报告，潜水埋深约0 8 0 - - - 2 1 0 m ，相应绝对高程为2 1 2 3 7 0 m 。 2 承压水 经勘察，拟建场地浅部分布有第：层砂( 粉) 土，该土层赋存的地下水水量 较丰富且具有一定的承压性，属微承压含水层；且拟建场地局部第。层与第 层直接联通，第层承压水头对第：层有一定的影响。 根据上海地区区域性水文地质资料，微承压水及承压水水头埋深一般约为 地面以下3 1l m ，随季节呈周期性变化。根据现场试验结果，第：。层承压水 头埋深于地表以下6 2 5 m ( 地面标高+ 4 4 7 m ) ，标高- 1 7 8 m ，：层承压水头埋深 于地表以下8 7 0 m ，标高- 4 5 6 m 。 5 第1 章引言 1 3 逆作法施工概述 1 3 1 逆作法的施工原理 建筑深基坑逆作法施工工艺，是指地面以下各层地下室采用自上而下的施 工顺序，借助地下室楼板结构的水平刚度和抗压强度对基坑产生支护作用，保 证基坑的土方开挖。由于地下室楼板结构从上而下施工，此时土方尚未开挖， 地下室的结构柱不能在楼板结构施工之前浇筑完成，因此必须为楼板结构设置 竖向的临时支承柱。 逆作法的工艺原理是：先沿建筑物地下室轴线( 地下连续墙也是地下室结构 承重墙) 或周围( 地下连续墙等只用作支护结构) 施工地下连续墙或其他支护结 构，同时在建筑物内部的相关位置设置中间支承柱和桩，作为施工期间( 地下室 底板浇筑之前) 承受上部结构自重和施工荷载的支撑。然后施工地面一层的梁板 结构，作为围护结构的支撑体系，施工地面层梁板结构之前，也可先进行盆 式大开挖，这样有利于土方工程的进行，节约施工工期，但是土方开挖的深度 以及盆边土的留设都必须经过设计，满足支护结构的设计要求方可进行。随后 逐层向下开挖土方和浇筑各层地下梁板结构，直至底板封底。与此同时，由于 地面一层的楼面结构已完成，为上部结构的施工创造了条件，所以可同时向上 逐层进行地上结构的施工。但在地下室底板浇筑之前，上部结构的允许施工层 数必须经过计算设计确定。 1 3 2 逆作法的分类 根据对围护结构的支撑方式，基坑工程逆作法，可分为以下几类作法： 1 全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板对四周围护结构形成水平 支撑。楼盖混凝土为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外 运土并向下运入建筑材料。 2 半逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期浇筑的交叉格形肋 梁，对围护结构形成框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。 3 部分逆作法：用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水 平抵挡，抵消侧向压力所产生的一部分位移。在基坑中部按正作法施工，基坑 6 第1 章引言 边四周用逆作法，也叫盆式开挖逆作法。 4 分层逆作法：此方法主要是针对四周围护结构，是采用分层逆作，不是 先一次整体施工完成。分层逆作四周的围护结构采用土钉墙。 1 3 3 逆作法施工的优缺点 逆作法施工的优点： 1 消耗社会资源少，该方法利用柱下桩及基坑周围地下连续墙作为逆作法 施工期间承受地上、地下结构荷载及其施工荷载的构件；利用地下室梁、楼板， 作为基坑的支撑，其中柱下桩的深度、桩径与地下连续墙的深度、厚度等需经 过计算确定。 2 高层建筑多层地下室的深基础采用逆作法施工，与传统的大开挖方法相 比，可以缩短工程的总工期，降低工程的总成本，同时工程所处的周围环境及 季节对工程施工影响小。 3 地下室各层混凝土梁、板的模板可采用土模，剪力墙的外模采用土模， 内模采用钢模等定型模板，简化施工程序，减少了支模工料。 4 逆作法土方采用人力开挖，坑底水平运输与取土设备垂直取土，然后将 挖出的土方提升装车外运。 5 地下多层逆作法挖土采用地下室首层梁板结构完成后，由专用取土设备 与人力相结合在楼板底下挖土，挖至下一层楼板标高后，浇筑该层梁板，然后 再用相同方法挖土，浇筑梁板混凝土，直到地下室底板完成。 6 与通常的开挖施工相比，逆作法施工不会发生因为基坑换撑引起的支撑 系统内力重分布；亦不存在支撑突然卸载对周围环境的危害。 7 周边的地下连续墙既可作挡土截水结构，又可作为地下工程的外墙，降 低成本。 8 逆作法施工只开挖有效范围的土方，与传统大开挖相比减少了土方工程 量和运输量。 9 逆作法克服了传统开挖施工的缺点，避免了大基坑长时间暴露而导致边 坡风化和护坡间土的塌落。 逆作法施工的缺点： 1 在逆作法施工中，地下结构中墙柱的混凝土搭接质量较难控制，措施不 7 第1 章引言 利，易出现漏水、承载力降低等后果。 2 在逆作法施工中，控制立柱的垂直度和承载力较难，因施工中静、动荷 载均作用立柱上，应重视立柱质量。 3 敞开式逆作法由于未同期浇筑各层楼板，侧向刚度较封闭式逆作法的刚 度小，施工中应采取措施，防止地下连续墙的过大变形。 4 与传统大开挖施工相比，逆作法施工过程中必须要随时观测地下中间支 承柱及地下连续墙的沉降量。 5 封闭式逆作法使施工人员在地下各层处于基本封闭状态下的环境中进行 施工，作业环境较差，地下通风与照明工程费用较大。 6 封闭式逆作法是在封闭状态下施工，大型机械设备难于进场，不能采用 机械化大面积挖土；而采用人工挖土，施工效率低；土方垂直运输采用专用取 土设备( 如塔吊等) ，取土装车外运，运输能力受取土口限制；土方水平运输采 用人力双轮手推车，运量少，耗费大量人力，效率低。 1 3 4 逆作法的效益 1 经济效益 采用逆作法，一般地下室外墙与基坑围护墙采用两墙合一的形式，一方面 省去了单独设立的围护墙，另一方面可在工程用地范围内最大限度扩大地下室 面积，增加有效使用面积。此外，围护墙的支撑体系由地下室楼盖结构代替， 省去大量支撑费用。而且楼盖结构作为支撑体系，还可以解决特殊平面形状建 筑或局部楼盖缺失所带来的布置支撑的困难，使受力更加合理。由于上述原因， 再加上总工期的缩短，因而在软土地区对于具有多层地下室的高层建筑，采用 逆作法施工具有明显的经济效益。一般可节省地下结构总造价的2 5 一3 5 。 2 环境效益 由于逆作法在地下室施工时采用首层楼面先整体浇筑，再向下挖土施工， 故其在施工中的噪音因首层楼面的阻隔而大大降低，从而避免了因夜间施工噪 音问题而延误工期。 地基处理通常采用敞开式土方开挖，产生了大量的建筑灰尘，从而影响了 城市的形象；采用逆作法施工，由于其施工作业在封闭的地表下，可最大限度 的减少扬尘。 8 第1 章引言 3 社会效益 由于逆作法采取表层支撑，底部施工的作业方法，故在城市交通土建中大 有用武之地，可在地面道路继续通车的情况下，进行道路地下作业，避免了因 堵车绕道而产生的损失。 采用了逆作法，0 0 0 层楼板结构先完成，可以利用结构本身作内支撑。 由于结构本身的侧向刚度是无限大的，且压缩变形值相对围护桩的变形要求来 讲几乎等于零。因此，可以从根本上解决支护桩的侧向变形过大的问题，使周 围环境不至于出现因变形值过大导致路面沉陷、基础下沉等问题，保证了周围 建筑物的安全。 采用逆作法施工，地下连续墙与土体之间粘结力和摩擦力不仅可承受垂直 荷载，还可充分利用它来承受水平风荷载和地震作用产生的建筑物底部巨大水 平剪力和倾覆力矩，大大提高了抗震效应。我国是个地震多发区，对地震的防 治是必不可少的。从建筑业角度来说，采用适宜的施工工艺便可将地震带来的 危害降低到最小，逆作法施工便具有这样的优点，所以在深基坑支护中大量应 用逆作法具有广泛的社会效益。 1 4 国内外研究现状分析 1 4 1 国内外基坑工程的发展及现状 近年来，随着城市建设的发展，愈益要求开挖三维城市空间。目前各类用 途的地下空间已在世界各大中城市中得到开发利用，诸如高层建筑多层地下室、 地下铁道及地下车站、地下停车库、地下街道、地下医院、地下仓库、地下民 防工事以及多种地下民用和工业设施等。并且随着人类对地下空间的不断开发 利用，深基坑开挖的深度越来越深，开挖的面积也越来越大。随着基坑向大面 积和超深发展，基坑施工的风险也越来越大。 在国外圆形基坑的开挖深度已达到7 5 5 m ( 日本) ，而非圆形的高层建筑基坑 已达到地下9 层( 法国) 。日本明石海峡大桥l a 锚墩基础为直径8 5 m 开挖深度达 6 4 5 m 的圆筒形基坑。日本东京湾隧道工程中川崎人工岛基坑是直径2 0 0 m 挖深 7 5 5 m 的大型海洋结构，作为既挡土又截水的地下连续墙厚度为2 8 m ，深度1 1 9 m 。 台湾高雄县水安乡的液化天然气接收站二期工程液化天然气地下储池外径为 9 第1 章引言 7 0 m ，开挖深度达5 0 2 7 m 的圆形基坑，地下连续墙的设计厚度为1 2 m ，深度达 o o m 。 目前，随着我国城市建设的快速发展，也出现了大量的深大基坑，表1 3 给出了国内一些基坑的基本资料。 表1 3 国内主要基坑的基本资料 名称地址修建时问平面尺寸 开挖深度( m ) 备注 放坡开挖结合 上海南站南 上海2 0 0 42 0 0 m x1 4 0 m1 3 3 8 中心岛与部分 广场基坑 逆作 地铁四号线 上海 2 0 0 46 0 0 m 24 0 m 修复基坑 上海南站北 上海4 0 0 0 0 m 21 2 5 全逆作法施t 广场基坑 南水北调穿 黄基坑 郑州2 0 0 63 5 0 m 25 0 1 逆作法施工 施工中出现喷 金茂大厦上海 1 9 9 71 9 6 0 0 m 21 9 6 5 砂 中心岛顺作、 仲盛商业中 上海2 5 0 m x2 7 0 m1 3 5周边结构环板 心大基坑 逆作 外环隧道浦 上海2 0 0 17 4 4 m 4 3 m3 0 4 采用分层降水 两段 方法 横隆广场上海 1 9 9 62 5 0 0 0 m 2 1 8 2 上海环球金 上海2 0 0 38 0 0 0 , 1 1 2 5 8 9 圆形基坑 融中心 武汉阳逻长 江公路大桥武汉 2 0 0 33 9 0 0 m 24 5 圆形基坑 南锚碇基坑 润扬大桥北 镇江2 0 0 16 9 m 5 0 m4 8 锚碇基坑 国家大剧院 基坑 北京 2 0 0 l2 5 0 0 0 m 2 2 8 5 ( 局部3 4 ) 椭圆形基坑 廖创兴金融 2 2 4 ( 局部 中心大厦 上海5 1 5 1 m 2 逆作法施工 2 8 4 ) 凯悦大酒店 基坑 杭州 1 8 6 0 0 m s1 4 9 5 逆作法施工 1 0 第1 章引言 1 4 2 逆作法的研究现状 目前对逆作法的研究主要是对一些工程经验与施工方法的总结，理论研究 成果还相当有限口。5 | 。研究的主要内容有周围土体的变形、围护结构的内力与变 形、立柱桩与地下连续墙的竖向受荷及沉降与差异沉降分析。 采用逆作法施工的地下结构大多处于交通繁忙、建筑物密集地区，对基坑 变形及周围环境问题要求都很高。国内外许多学者对基坑周围土体变形规律进 行了研究。h s i e h ( 1 9 9 8 ) 叩1 基于九个采用不同支护方法的工程实例的拟合分析， 认为逆作法施工与顺作法施工引起土体的变形规律基本相同。谢雄耀口1 将有限单 元法应用于逆作法施工全过程，得到各个工况下墙体位移和周围地表沉降，并 与实测资料进行了比较，取得了较为满意的效果。 逆作法施工条件下围护结构内力、变形与逆作法施工的特殊步骤关联紧密。 将传统开挖条件下的研究方法与成果同逆作施工特点相结合，分析其内在规律 是目前的研究趋势。在逆作条件下挡上结构的内力与变形研究方面主要有两种 不同的研究方法，有限元分析方法和实测方法。同传统的顺作法一样，逆作条 件下的有限元方法也分为“竖向平面弹性地基梁”和“连续介质有限元法”。 孔莉莉( 1 9 9 8 ) 阳1 通过工程实测资料分析认为：逆作法与顺作法在施工状态 下，墙体所受的土压力值均可以采用相同的计算方法。陈卫星( 2 0 0 0 ) 呻1 在用弹性 地基梁方法分析采用盆式挖土的逆作法施工条件下地下连续墙时认为，坑外土 压力可按开挖深度为盆底标高考虑，坑内土弹簧从坡顶开始设置，但土弹簧系 数应根据被动土压力的发挥情况进行折减；地下连续墙埋深较大时，坑外开挖 面以下的土压力分布在初期工况采用三角形分布。王元湘( 1 9 9 8 ) 、 b o s e ( 1 9 9 5 ) 1 、n g ( 1 9 9 8 ) n 引、刘兴旺( 1 9 9 9 ) n 3 3 等对逆作法施工情况下支护结构 形状的因素进行了分析，得到了一些规律性认识。考虑到逆作法施工是一个动 态过程，冯紫良( 1 9 9 9 ) n 町提出了岩土工程施工过程中体系演变问题的分析方法， 并成功地应用与森茂大厦的施工指导中。o u ( 1 9 9 6 ) n 鄹进行了逆作法施工条件下 开挖的非线性弹性三维有限元分析。 软土地区逆作法施工，围护结构通常采用地下连续墙，其即作为挡土结构 又作地下室外墙，即承重墙使用。另外支撑柱的设置也起到同样的作用，是结 构体系受力转换的必要过程，这一点是逆作法区别于顺作法的最重要的特征。 关于地下连续墙作承重结构的研究日本大林组在东京都千代田区队和千叶 第1 章引言 县施工的地下连续墙作了垂直荷载试验，试验结果认为地下连续墙与其他形式 的就地灌注桩相比有同等的或比其他就地灌注桩良好的承载力。冈田、上野等 人研究了施工方法对地下连续墙承载力的影响，认为施工方法对地下连续墙底 端承载力无影响。前苏联白俄罗斯国家建委进行地下连续墙垂直承载力试验， 该试验取地下连续墙断面6 5 c m x 2 5 0 c m ，墙深6 0 m ，也得出地下连续墙的承载 机理和钻孔灌注桩一样的结论。同济大学地下结构研究室于1 9 8 7 年进行了室内 地下连续墙承载力模型试验研究，1 9 9 1 年进行了单片地下连续墙承载力现场试 验，1 9 9 2 年进行了相邻槽段的地下连续墙承载力现场试验n 引，试验结果表明： 地下连续墙承受垂直荷载时，侧壁摩阻力与端阻力是同时起作用的，但侧壁摩 阻力和端阻力不是同时得到发挥。在初期的荷载阶段，位移小，荷载大部分由 侧壁摩阻力承担，传递到墙底的荷载很小。当位移s = 6 - 1 0 m m 时，侧壁摩阻力己 达到极限值，墙项的荷载增加量主要由端阻力承担。由于基坑开挖临空面的影 响，使侧壁摩阻力减小3 0 左右。1 9 9 3 年，在新闸路地铁车站对地下连续墙作 承重结构与基础、地基和上部结构共同作用进行了现场监测n7 1 ，实测结构表明， 在结构施工的不同阶段，墙、桩、箱各自分担的荷载均在发生变化，地下连续 墙的分担荷载稳定增长，箱基底板分担的荷载则逐渐减小，而桩基则为承担结 构荷载的主要因素。在上部结构施- r n 六层时，墙一桩一箱复合基础所分担的比 例为：墙2 3 5 、桩6 3 3 、箱1 3 2 。常红( 1 9 9 8 ) n 8 1 通过4 种不同形状地下连续 墙的模拟试验，对地下连续墙在垂直受荷时墙身及周围土体的应力、沉降特性 进行了实测，并分析了墙体的群桩效应，提出了地下连续墙作为垂直承重结构 的一下设计原则。在地下墙承重的理论研究方面，唐孟雄( 1 9 9 8 ) n 引，根据m i n d l i n 公式积分，推导出地下连续墙作为承重结构的墙一桩一土共同作用位移影响系数 为计算公式，得到了共同作用柔度矩阵，用于地下连续墙作承重结构与桩，筏( 箱) 基础和地基及上部结构共同作用分析中。 考虑逆作法施工的计算理论中，与顺作法施工计算理论的最大不同在于， 须同时考虑立柱桩与地下墙沉降。目前在桩基工程中应用最广泛的沉降计算方 法仍为半经验等代基础法。发展中的计算方法有荷载传递法、弹性理论法、剪 切位移法、有限元法等。 汤永净( 1 9 9 8 ) 啪1 将p o u l o u s 弹性理论法运用于逆作法施工中地下结构共同 作用的研究，分析了地下4 层地上2 2 层框筒结构在逆作法施工过程中地下连续 墙、桩的沉降、基坑开挖引起的地下连续墙、桩的隆起等性状。施占新( 2 0 0 1 ) 乜妇 1 2 第1 章引言 通过深基坑工程设计及环境效应的研究，指出逆作法施工具有完全可靠，快速 高效，节省投资的优点。孔令荣( 2 0 0 3 ) 口2 1 采用有限元软件a n s y s 对地铁中街站 逆作法施工开挖过程进行了数值模拟。通过计算得出了不同开挖阶段围护桩的 侧向水平位移、桩后土体的地表沉降、支撑体系的轴力及围护桩的应力，并按 一级安全等级对上述变形、强度进行了分析，计算得到的结果，均在规范允许 的范围，满足设计要求；另外还计算了顺作法围护桩的水平位移和桩后土体地 表沉降，与逆作法进行比较认为采用逆作法施工有较大的优越性。 1 4 3 时空效应法的研究现状 时空效应法就是考虑时空效应的施工步骤，其主要特点是：根据基坑规模、 几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置、基坑地基加固和施工条件，按照“分 层、分块、对称、平衡、限时”的原则确定的施工方案。实践证明，科学地制定 考虑时空效应的开挖、支撑设计施工方案，能可靠、合理地利用土体本身在开 挖过程中控制位移的潜力，达到控制基坑变形及保护环境的目的。因此采用时 空效应对基坑开挖进行分析是必要的。 基坑土体的空间作用，早在三四十年代己被重视，t e r z a g h i 1 等就注意到 小的开挖段产生的回弹量比大的开挖段要小的事实。研究表明，小的基坑开挖 段，其坑底土体回弹较小，影响范围也较小：大基坑开挖段其坑底土体回弹量较 大而且影响范围也较大，主要是因为小的开挖段的土体空间作用强于大的开挖 段的土体空间作用。可见，土体的空间作用对于基坑周围地层位移与坑底土体 回弹的影响是显著的。 1 9 6 0 年以前，t e r z a g h i 、p e c k 口叫等关于有支护深基坑的稳定性分析、坑底 隆起分析中，提出了深基坑开挖因卸载而引起周围土体移动的机理。对深基坑 开挖引起的周围土体位移的数值分析，揭示了基坑