深基坑工程的发展PPT课件.ppt

深基坑工程 1 内容 深基坑工程在我国的发展深基坑施工技术 逆作法 冻结法和型钢搅拌桩墙 基坑工程的失效模式与案例深基坑工程方案设计 2 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 以前的几十年中 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 3 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 因此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 4 技术难点 1 土力学的强度 变形 渗透三大课题全部都出现 2 施工因素的影响既巨大而又具有非常的不确定性 3 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 5 热点 1 事故的频率高 灾害的涉及面宽 对社会的影响非常大 引起政府和社会的高度关注 2 工程费用占造价的比例高 业主对基坑工程的压价 方案不合理和安全度过低是高事故率的潜在因素 3 施工方过度追求高速度和低成本是高事故率的直接引发因素 6 按照发展的过程 二十多年来我国的深基坑工程大致经历了三个阶段 20世纪的80年代20世纪的90年代21世纪的近10年 7 深基坑工程发展的三个阶段 第一阶段 20世纪80年代在一些大城市开始兴建高层建筑 深基坑工程问题逐渐出现 但那时多数是一层地下室 2 3层地下室比较少 主要的围护结构型式是水泥搅拌桩的重力式结构 对于比较深的基坑则采用排桩结构 如果有地下水 再加水泥搅拌桩止水帷幕 8 那时 地下连续墙用得比较少 SMW工法正在进行开发研究 由于缺乏经验 深基坑的事故比较多 引起了社会和工程界的关注 开始研究深基坑工程的监测技术与数值计算 有一些技术指南 但还没有开始编制基坑工程的规范 9 第二阶段 20世纪90年代总结经验 出现制定基坑规范的第一波 包括武汉 上海 深圳等地方规范和两本行业规范 一些地方政府建立深基坑方案的审查制度 开始出现超深 超大的深基坑工程 基坑面积达到2 3万平方米 深度达到20m左右 10 复合式土钉墙在浅基坑中推广使用 SMW工法开始推广使用 地下连续墙的大量采用 逆作法施工 支护结构与主体结构相结合的设计方法开始得到重视和运用 商业化的深基坑设计软件大量使用 内支撑出现了大直径圆环的形式和两道支撑合用围檩的方案 最大限度克服了支撑对施工的干扰 11 第三阶段 进入新世纪以后在更多的城市中 大规模地兴建高层建筑和地下铁道 地下工程向更深部发展空间 出现了更深 更大的深基坑工程 基坑面积达到了4 5万平方米 深度超过30m 最深达50m 深基坑工程施工与相邻环境的相互影响更趋严峻 在一些城市里又出现了新一波的深基坑工程事故 12 逆作法施工 支护结构与主体结构相结合的设计方法在更多的工程中推广应用 在我国 包括台北和香港 采用支护结构与主体结构相结合并用逆作法施工的深基坑工程已达101项 出现了第二波的基坑工程规范的修订与编制 13 14 通过20多年的工程实践和业内人士的努力 学术研究和工程研发非常活跃 在深基坑工程领域中 取得了很大的进展 主要表现为下面五个方面 15 1 设计思想的更新2 施工技术的发展3 设计方法的进步4 管理制度的建立5 标准化工作的开展 深基坑工程领域的进展 16 设计思想的更新 1 深基坑工程的设计是一个相对独立的设计项目或设计阶段 2 深基坑工程设计包括方案设计和施工图设计两个阶段 方案设计阶段的工作是决定性的环节 基坑工程设计的条件很大程度上取决于施工 基坑工程设计与施工组织设计的关系异常密切 在方案设计时必须统一考虑 17 3 深基坑工程设计不仅要满足地下室施工空间和安全的要求 而更重要的是必须满足保护环境的要求 4 深基坑工程设计应满足强度和变形两种极限状态 在许多情况下 由于环境条件的限制 满足变形控制的要求比满足强度和稳定性的要求更为严格 基坑工程的成败经常取决于变形控制 18 5 地下水是控制基坑工程性状的重要条件 水压力占作用于围护结构侧向压力的重要部分 地下水的动水压力和渗透破坏常常是基坑工程失效的主要原因 地下水影响是基坑工程设计中不确定性最大 控制最困难的问题 19 施工技术的进步 这里讲的是综合性的施工技术 施工技术的进步带动设计 检测等方法的进步 逆作法冻结法SMW工法 20 设计方法的进步 1 符合两墙合一使用要求的设计方法 两墙合一 是指围护结构同时作为地下主体结构一部分 即围护结构墙与地下室外墙合一 两墙合一 是充分发挥地下连续墙承载作用的一种设计思路 具有很大的经济意义 是地下连续墙作为围护结构的发展方向 正在一些重要的工程中采用 采取两墙合一设计的基坑工程 在设计方法上不同于一般的围护结构设计 对于承载 防渗 结构连接都提出了非常高的要求 推动了基坑工程围护结构设计方法的发展 21 2 深基坑工程数值计算方法的发展作用于柔性结构上的土压力实际上是结构与土共同作用的响应 采用有限元方法在原理上可以解决这类问题的计算 在实现中还有各种困难需要进一步去解决 20多年来深基坑工程的数值解计算方法得到了长足的进步 22 3 计算软件及商业化开发研究深基坑工程的设计计算的内容和要求日益提高 已经必须依靠计算机才能实现深基坑工程设计的计算工作要求 于是 计算程序的开发研究有了很大的发展 形成了一些商业化的计算软件 但计算软件只能作为一种工具和手段 garbageinto garbageout 正确的方法应当是计算加工程判断 不能盲目地依赖计算软件 23 上海力学学会举行的一次深基坑工程计算软件考核 开挖深度为15m的3层地下室基坑采用1000mm厚的地下连续墙三道钢筋混凝土支撑支撑的尺寸 位置平面布置都统一规定土层的设计参数和地面荷载也都统一规定 24 25 26 27 28 29 管理制度的建立 许多主要的城市都先后建立了不同形式的机构 规定了深基坑工程的设计方案必须经过评审 这一制度的建立为深基坑工程走向健康的发展提供了制度的保证 30 标准化工作的开展 20年来 在总结工程经验的基础上 许多城市编制了地方的深基坑工程技术规范 二本全国性的深基坑工程技术的行业标准 初步确立了我国深基坑工程的标准化体系 给深基坑工程的设计和施工有章可循 有法可依 第二轮的规范修编工作正在开展 总结十余年来的经验 31 施工技术的进展 32 深基坑工程的逆作法冻结法技术的应用型钢搅拌桩墙 SMW 在我国的应用 33 深基坑工程的逆作法 34 逆作法是地上和地下同时施工的方法 又称为逆筑法 逆作法利用先施工的地下连续墙和中间支承柱承受荷载 从地面逐层下挖并从上到下地完成地下室的梁板 楼面工程 利用上一层的楼板结构作为下一层开挖时的支撑 逐层交替开挖与浇筑楼板结构 与此同时 逐层向上建造上部结构 使地面上和地下可同时进行施工 因此 可以缩短工期 降低造价 是一种合理的建筑方法 具有明显的经济效益 35 1935年日本首次提出逆作法施工的概念 经历了70余年的研究与工程实践 目前已应用于高层建筑的多层地下室 大型地下商场 地下车库 地铁 隧道和大型变电站及污水处理池等构筑物 国际上采用逆作法建造的地下建筑 最大的是东京八重洲地下街 共 层 建筑面积 万m2 最深的地下街是莫斯科切尔坦沃住宅小区地下街 深达70 100m 最高的地下综合体是德国慕尼黑卡尔斯广场综合体 共 层 36 1994年日本新建的高层建筑中 地下结构有18 2 采用逆作法施工 1965 1989年 德国慕尼黑地铁共建57座地铁车站中 20座采用逆作法施工 我国在最近10余年来 在北京 上海 辽宁 深圳 广州等地推广了逆作法施工技术 有60多项工程项目的地下结构采用了逆作法施工 37 逆作法施工的基本概念图示 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 1 缩短工程施工的总工期2 基坑变形小 相邻建筑物的沉降小3 可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用4 使底板设计趋向合理5 可节省支撑费用6 可最大限度利用红线内的地下空间 逆作法的特点 48 缩短工程施工的总工期 带多层地下室的高层建筑 如采用传统方法施工 其总工期为地下结构的工期加地上结构的工期 再加装修等所占的工期 49 采用逆作法施工 一般情况下只有地下一层占绝对工期 其他各层地下室可与地上结构同时施工 不占绝对工期 因此可以縮短工程的总工期 地下一层 地下地上同时施工 装修 50 日本读买新闻社大楼 地上 层 地下 层 用封闭式逆作法施工 总工期只用了 月 比传统施工方法縮短工期 个月 法国巴黎拉弗埃特百货大楼 层地下室 用逆作法施工 工期縮短1 3 51 52 基坑变形小 相邻建筑物的沉降小 采用逆作法施工 是利用逐层浇筑的地下室结构作为围护结构的内支撑 与临时支撑相比 地下结构的刚度大得多 所以 围护结构的变形小得多 相邻建筑物的变形也小得多 同时 由于中间支承柱的存在 底板增加了支点 浇筑后的底板成为多跨的连续板结构 减少了隆起 53 54 德意志联邦银行大楼用逆作法施工 而联邦德国国家银行总部大楼的深度相同 用地下连续墙加五层土锚的传统方法施工 两者的比较如下 55 逆作法有七个 小 的特点 墙前水平位移小 墙后沉降小 坑底隆起小 差异变形小 楼板应力小 土压力小 墙体应力小 56 可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用 多层地下室采用常规的支护结构 包括锚杆与内支撑 都需要围护桩或围护墙 锚杆或内支撑 花费的工程费用很可观 采用逆作法施工 要求围护墙也能发挥永久性结构的承重作用 材料得到充分的利用 节省了地下室外墙与外墙下工程桩的费用 据分析可以节省地下室工程造价的1 3左右 57 顺作法施工 逆作法施工 58 使底板设计趋向合理 钢筋混凝土底板要满足抗浮要求 用传统方法施工时 底板的支点少 跨度大 上浮力产生的弯矩大 有时为了满足施工时的抗浮要求 而需要加大底板的厚度 或增强底板的配筋 用逆作法施工时 底板的支点增多 跨度小 弯矩比较小 底板的设计可以更为合理 59 可节省支撑费用 深度大的多层地下室 用传统方法施工时 为了减少支护结构的变形 需要设置强大的内支撑或锚杆 消耗大量的材料 费用相当可观 用逆作法施工 利用地下室的梁板系统来支撑围护结构 可以不设置临时的支 锚体系 节省材料 不需要拆撑 縮短工期 避免污染环境 60 可最大限度利用红线内的地下空间 多层地下室采用传统方法施工时 在地下室外墙与红线之间必须留有支护结构截面尺寸和施工操作面所必要的距离 縮小了地下室的建筑面积 采用逆作法施工时 在满足室外管线或构筑物布置的前提下 作为地下室外墙的地下连续墙可以紧靠建筑红线 61 62 逆作法施工的一些代表性工程 上海寥创兴金融中心上海仲盛商业中心广州新中国大厦上海世博500kV地下变电站 63 案例1 上海寥创兴金融中心 主楼37层 裙房3层 5层地下室 基坑平均开挖深度22 4m 地下室每层面积4000m2 64 地下连续墙厚度1000mm 深度35m 地下连续墙与中柱桩之间 中柱桩之间的差异变形不超过20mm和1 400柱距 使楼板不致产生裂缝 墙体侧斜孔的最大位移20 01 34 59mm之间 地下连续墙顶的水平位移很微小而没有测到 地下连续墙顶的竖向位移6 1 15 4mm之间 65 地下连续墙后的土体水平位移18 84 21 65mm之间 支撑轴力和楼板应力均控制在设计允许范围以内 支撑轴力86kN 392kN之间 楼板应力2 01kN 5 41kN之间 中柱桩的隆起变形13 5mm 29 9mm之间 66 案例2 上海仲盛商业中心 地上五层 地下三层 基坑面积50000m2 开挖深度13 5m 67 68 中心岛顺作 三级放坡 周边环板一层逆作 地下连续墙两墙合一 基坑外侧采用卸土放坡 69 案例3 广州新中国大厦 广州新中国大厦 地上 层 地下 层 平均开挖深度 采用逆作法施工 工期縮短 个月 工程占地7343m2 地下连续墙厚度800mm 深度25m 布置了6个深度为22 的降水井 70 71 案例4 上海世博500kV地下变电站 上海世博500kV地下变电站 开挖深度34m 基坑面积13000m2 地下结构外墙外壁直径130m 采用地下连续墙两墙合一 地下连续墙厚度1200mm 结构梁板代替水平支撑 环形临时支撑 逆作法施工 72 73 74 上海市的逆作法工法简介 YJGF02 96 1 工法特点2 工艺原理3 适用范围4 施工工艺5 质量标准6 机械设备7 施工安全8 工程实例及效益分析 75 工法特点 利用柱下桩和地下连续墙作为逆作法施工期间承受地上 地下结构荷载和施工荷载的构件 利用地下室楼板作为基坑施工的支撑 首层楼板结构完成以后 在楼板下挖土 采用土模承重法浇筑下一层楼板 循环采用上述方法继续施工 76 工艺原理 先沿建筑物周围施工地下墙 在建筑物内部按柱网轴线施工柱下支承桩 然后进行地下首层施工 完成后同时施工地下 地上结构 待大底板完成后 再进行复合柱 复合墙的施工 77 施工工艺 要点 按设计图纸要求 埋设地下结构相关节点的钢板及连接钢筋 暴露节点后按设计要求清理 焊接 结构沉降差控制 对地下连续墙底部和柱下桩的底部进行注浆 根据静载荷试验曲线 计算各工况的沉降 得出在极限沉降差范围内的上部结构可能施工的层数 进行沉降观测 拟合荷载 沉降关系 预测施工过程中的沉降差 控制施工 78 徐至钧赵锡宏编著逆作法设计与施工机械工业出版社2002年 79 冻结法技术的应用 80 利用人工制冷技术 使土层中的水结冰将天然土变成冻土以增加其强度和稳定性 冻结加固均匀完整 形成一道冻土墙 不仅可以承受水土压力和基坑开挖过程中的各种施工荷载 而且可作为一道防水性很好的止水帷幕 发挥围护结构的作用 在冻土墙的保护下进行地下结构的施工 冻结法施工在采矿工程中已经得到了广泛的应用 进行了大量的试验研究 积累了丰富的经验 但用于深基坑工程则是近十几年的发展 81 人工冻结法的应用开始于19世纪 1883年 德国阿尔里德煤矿井筒施工中首次应用冻结法并获得成功 1886年 瑞典24 长的人行隧道建设工程中 首先将冻结法应用于城市土木工程 100多年来 人工冻结法在各种工程建设中得到了应用 解决了许多困难的施工问题 82 德国多塞道夫中心火车站附近 扩展的地铁要经过居民建筑和闹市街道 隧道顶部离建筑物基础只有很小顶距离 在三段40m长的隧道施工中成功地采用了人工冻结法 日本名古屋建造地下输电隧道时 在两个隧道地连接处 成功地应用了人工冻结法技术 83 70年代 北京地铁建设时首次采用人工冻结法 冻结段长90m 深度28m 1975年 沈阳地铁 号井采用冻结法施工 井筒直接7m 冻结深度51m 1992年 1998年上海地铁施工中成功采用冻结法施工技术 现在已经成为成熟的施工方法 用以区间隧道的修筑旁通道 1997年北京复八线采用冻结法加固隧道顶部土层 84 冻结技术用于基坑工程的可行性取决于设计要求 现场及工程项目的限制条件 其中 地质条件和水文条件是评价冻结法可行性的两个重要因素 当地下水流速小于1 5m d时采用冻结法是可行而且是经济的 水质 水温是决定冻结法费用的重要因素 对于含盐量高的土 冻结成本会提高 冻胀可能引起地层移动 但并非人们想象的那么大 这在上海和北京的地铁应用冻结法施工中已有证实 可以通过速冻和泄压等方法减少冻胀量 85 案例5 冻结法在润杨大桥南锚碇的应用 润杨大桥南汊桥采用跨径1490m双塔单跨双铰钢箱梁悬索桥 根6 8 105kN的拉力通过锚碇及重力嵌岩基础传至地基 基岩为风化花岗岩 全风化层和强风化层分布不均匀 场地地下水位1 8 2 2m 区域赋存第四系孔隙微承压及基岩裂隙微承压两大含水层组 86 南锚碇冻结排桩围护体系是以含水地层冻结形成的冻结帷幕为基坑的封水结构 以排桩及内支撑体系为抵抗水土压力的承力结构 形成了新的围护技术 较好地解决了基坑围护结构的嵌岩及封水问题 锚碇的平面尺寸70 5 52 5m 基坑开挖到基岩 深度29m 采用钻孔排桩挡土 1 3m厚的冻土薄壁隔水 排桩冻结法 排桩直径1 5m 中心距1 7m 桩长35m 嵌岩6m 87 冻结帷幕布置在外侧 采用单排冻结孔冻结封水 与排桩插花布置 冻结孔深40m 冻结帷幕入岩11m 先浇排桩结构 再在外侧冻土 为了降低冻胀力对排桩结构的不利影响 在冻结帷幕外设置288个直径25cm的卸压孔 开挖过程中 实测冻胀力0 0907MPa衰减到0 0576MPa 从0 4 冻胀力增加到幅度最大 低于 4 以后变化很小 88 89 案例6 水平冻结技术在北京复八线地铁中的应用 区间隧道施工时 拱顶遇到饱和含水的粉细砂层 此段隧道地处格贸立交桥下 又有多条地下管线 为了确保地下管线和地面交通的安全运行 采用隧道内水平冻结法施工 水平距离45m 设计冻结壁厚1 2m 平均温度 10 C 冻结粉细砂持久抗压强度6MPa 抗弯强度2 5MPa 90 91 案例7 水平冻结技术在广州地铁三号线的应用 天河客运站折返线隧道 隧道中部以上为洪冲积砂层 渗透系数15m d 邻近建筑密集 地下管线纵横交错 采用水平冻结法形成138m长的冻结止水帷幕 从隧道两端向中部冻结 92 岩土工程丛书6马芹永编著人工冻结法的理论与施工技术人民交通出版社2007年 93 型钢搅拌桩墙 SMW 在我国的应用 94 SMW工法 在水泥搅拌桩体内加劲性型钢 形成组合结构的围护结构墙体 这种在日本已成熟应用的方法称为SMW工法 它组合了型钢受力水泥土止水的各自优点 截面比较小 适应性强 在我国推广使用的主要障碍是型钢造价高 一些单位致力于研究将型钢在工后拔出的技术 已取得进展 95 96 97 案例8 型钢 水泥土组合结构 SMW工法 工程名称 上海申海大厦地点 上海海防路基坑尺寸 基底边长30 65m 60 30m 基坑面积1798m2 开挖深度6 3 7m围护结构 采用双排搅拌桩内插H型钢组合结构形式 H型钢选用45号工字钢 型钢长12m 搅