国家大剧院基坑工程施工技术研究

1、国家大剧院基坑工程施工技术研究主要完成单位: 北京城建集团有限责任公司主要完成人: 余 波 杨晓城 陈 新 张奇志 翟春越 曾兆平 邹正盛 侯进峰 戴永忠获奖等级: 2003年北京市科技进步二等奖国家大剧院工程基坑规模属国内最大基坑之一，工程地质、水文地质条件均很复杂，施工涉及多层高承压水卵石地层，并且对环保问题很敏感和周围建筑物的安全控制标准很高。该项目通过对场区工程地质、水文地质条件及周边环境的综合分析，对多种支护方案进行了经济、安全的比较分析，最终确定了采用护坡桩、地下连续墙和隔水帷幕等多种支护型式联合并用，研究并应用了一套地下水控制技术，并进行了连续墙、锚杆、降水井的现场异位试验和地下

2、水动态控制抽水试验，确保施工工艺满足施工要求。应用多种软件进行支护结构优化设计，并按三维仿真的分析结果布点监测，确保基坑的安全。整个基坑工程实施后达到了基坑支护和地下水控制的双重要求，全面实现了可靠、经济、可行的工程目标。一、本项目主要研究内容(一)、超深基坑的支护技术研究1、研究内容超深基坑支护方案及经济、社会综合效益的分析比较；超深基坑综合施工技术的研究与应用效果评价。2、研究方法及结论通过对可供选择方案的分析、比较和评价，我们确定大剧院深基坑支护方案为：分步挡、降结合的方案，即：第一步：消防通道-13.58m基坑范围，护坡桩+锚杆+基坑外抽渗井；第二步：大面积-26m基坑范围，地下连续墙

3、+锚杆+基坑内疏干井+基坑外水位观测井；第三步：歌剧院-32.5m基坑范围，薄壁地下连续墙+基坑内疏干井+基坑外减压井。(二)、 地下连续墙施工技术研究1、研究内容确定高承压水卵石地层地下连续墙施工工艺，选择确定成槽设备及其组合以提高工效，使成槽工效达到二天一槽。高承压水卵石地层地下连续墙成槽垂直度控制及检测，控制地下连续墙成槽的垂直度偏差不超过1/200。适应高承压水卵石地层的成槽护壁泥浆性能研究、配制及施工中的调控措施。高承压水卵石地层条件下连续墙刚性接头防渗漏、防绕流措施研究。形成在在本工程类似困难地质条件下，地下连续墙施工各关键环节控制的成套技术。2、研究方法及结论根据试验结果，确定在

4、国家大剧院工程中采用“两钻一抓”的成槽工艺的施工方法，达到了一天一槽的施工速度，比预想的目标提高了一倍，比传统的成槽工艺提高了将近3倍，成槽精度也满足了预期要求。在综合考虑了各种槽段接头特点及接头型式的优势、劣势后，选定了工字钢型接头型式，并辅以其他措施阻止地下水的渗漏。3、研究成果实施国家大剧院202区地下连续墙全长约610米，经土方开挖检验，地下连续墙墙面平整坚实，垂直度、平面位置等均达到设计预期要求，杜绝了接头位置大面积的渗漏水，经业主、监理联合验收完毕，工程质量等级评定为优良。台仓部分止水帷幕采用300mm厚度素混凝土地下连续墙,总长度190米，深度为17m，槽段宽度一般为6.5-7.

5、2米，经后续工序检验隔水帷幕墙获得了预期的隔水效果，为后续工程创造了有利条件，该工艺也受到了各方面的好评。(三)、锚杆施工技术的研究1、研究内容高承压水卵石地层钻机的确定，选择适宜的成孔设备以保证成孔质量提高工效。高承压水卵石地层锚杆成孔工艺的研究。研究高承压水条件下的锚杆灌浆技术。高承压水条件下锚孔止水方法的研究。制订切实可行的高承压水卵石地层锚杆施工工艺。2、研究方法及结论通过锚杆试验最终选择KR80302作为正式锚杆施工设备。综合分析卵石分布情况及锚杆钻机设备性能，经现场多次试验与研究，确定了适宜场区水文地质条件的成孔方法，最后做端头扩孔处理，确保锚杆极限抗拔力能够满足设计要求。经反复研

6、究论证后认为针对高承压水砂卵石地层，以连续二次中压灌浆代替间歇二次高压灌浆，能够保证锚杆杆体的灌浆质量。为解决高压水头将所注水泥浆冲出或淡化问题，经多次研究论证，采取在锚束杆体前端设置充浆止水布袋方法进行封堵承压水。锚杆基本试验和锚杆破坏性试验表明，使用功率79KW以上KR80302全程跟进钻机是可行的，钻进速度平均可达3h/根，锚杆最大抗拔力达1510KN未破坏。3、施工效果锚杆施工技术研究，成功地达到了在高承压水卵石地层中施工锚杆，每台钻机每班完成4根(25m/根)的指标。经现场实际张拉测定，所有锚杆均满足设计要求，使锚杆最大极限抗拔力达到1500KN。对高承压水条件下孔口止水方法的研究，

7、达到成锚后不发生孔口流水的目的，满足了设计和施工要求。(四)、地下水动态控制技术研究1、研究内容在超深基坑高承压水卵石层中进行地下水动态控制的设计思路和施工方案。特殊地层中特殊管井在超厚卵石层中施工的设备选型。超厚卵石层中成孔工艺、洗井、封井技术。地下水控制过程中结构抗浮或防止沉降的措施。尽量减少对周围环境的影响，包括防止降水引起周围建筑物的不安全沉降和如何保护地下水资源。2、研究方法及结论方案比选根据现场地质、水文条件，结合基坑支护型式，比较了全面疏干、全面隔离、部分隔离和隔离控制共四种地下水控制方案，最终确定隔离控制方案。方案设计上层滞水用渗抽水井降水。主体结构外围用地下连续墙封闭隔离第一

8、层承压水。在连续墙内设抽水井，抽取槽内滞留水和第二层承压水向上的渗流水，并达到控制槽内水位的目的。东西两侧支护桩外设抽、渗井，作为丰水期阻隔潜水的备用井。在台仓结构外设隔水帷幕隔离第二层承压水，在地下连续墙内设第二层承压水水位控制井。用其抽取连续墙内第二层承压水以降低第二层承压水水头。地下连续墙外设观测控制井，观测地下水水位，以确认是否需采取必要的应对措施，保障基坑安全及解决施工中结构上浮问题。施工试验研究设备工艺选择试验表明，对于大颗粒地层，选用冲击反循环钻机施工较理想，非冲击型钻机在该地层条件下成孔困难。而根据连续墙两钻一抓成槽采用BG-12型旋挖钻机成孔，其成井速率更高，因此，建议也可采

9、用旋挖钻机成井。减压井单井抽水试验表明，单井出水量满足设计要求。减压井群井抽水试验按不同的抽水泵配置、不同的开泵数量、不同的排水量等，共做了三种方案的试验，最终确定了实际的减压井的数量。减压抽水井电源切换试验表明，应考虑二路供电，确保一路有电就能保证基坑安全，备用发电机要提前做好准备才能确保及时切换。地下水动态控制实施表明，减压抽水日排水量约20000m3，台仓中心第二层承压水水位从-16.52米降到-26.0米，满足设计和施工要求。利用膨胀橡胶、海带和木塞为膨胀止水材料，加工专用膨胀止水器进行封井，确认井已完全封死后，从设计标高处把井管截断，用钢板把井口焊死，完成封井工作。实施效果分析由于采

10、取有效的技术措施，没有发生因基坑工程施工导致周围建筑物发生沉降，引起建筑物本身被破坏的情况。同时，根据结构沉降观测结果表明，地下水动态控制满足结构抗浮要求。因此，降水工程完全达到预期的效果，整个202区地下结构施工没有因降水问题而耽误，降水效果很好。(五)、基坑工程监测分析及系统应用研究1、研究内容建立监测数据库系统，包括地表沉降、桩顶沉降、护坡桩水平位移、连续墙水平位移、锚杆应力、土钉墙水平位移等子库；监测数据分析处理、反馈系统，包括数据报表、变形曲线的查询、输出打印；测试设备的接入研究；监测数据处理系统，拟通过间接平差、拉格朗日插值法、三点移动平均法等完成监测数据处理；监测资料的分析和基坑

11、变形预报系统，拟链接3D-工程处理软件和警戒界限法对基坑的变形监测数据进行分析和进行预报。2、监测项目监测内容包括支护结构和相邻环境两部分，支护结构中包括支护结构的水平位移、锚杆轴力、桩顶或墙顶沉降；相邻环境包括周围土体沉降、周围建筑物的沉降。多种监测手段结合，构成了完整的监测体系。3、监测系统开发结合所采用的数字化仪器的特点和监测设计要求，开发出能满足监测要求的基坑监测分析系统，以便进行信息化施工。4、监测成果分析水平位移监测分析：最大水平位移的变化范围为4.6410.87mm。锚杆轴力分析：大多数锚杆轴力已略超出或接近锁定后的当日测值，但均小于设计锁定值。支护结构沉降分析：护坡桩(桩顶)沉

12、降变化较小，变化幅度位于-44mm之间。上述成果表明支护结构设计合理，满足基坑支护安全要求。二、本项目主要创新点1、结合本基坑工程的特点和地下水的情况，经多种方案、多种计算软件进行比选，选择出最经济合理的支护型式,即挡、降结合的方案，这样大大降低了大面积降水方案带来的环境安全风险和挡水方案需要的高昂的工程费用。在满足基坑支护要求的前提下，有效地降低了工程施工技术难度，也使工程造价趋于合理。2、解决了多层高承压水巨厚卵石地层中进行地下连续墙、锚杆和地下水动态控制施工工艺的难题，填补了该施工技术领域的空白。3、采用地下水动态控制技术，既保证了周围环境和基坑的安全，又解决了结构抗浮和沉降问题，大大减少了地下水的抽排水量，将环保放在施工中特别重要的地位，为复杂水文地质条件下地下水控制探索出了一条新的思路。4、采用了护坡桩、地下连续墙和隔水帷幕等多种支护型式联合并用，地下水动态控制也采用了疏干、抽渗、隔