91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 627 基地周边管线分布表 序号 东侧供电 194/1218 H0.00 S0.60 供电 195/1100 煤气 300 H0.00 S0.60 配水 625 H0.00 S1.86 煤气 3

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1 626 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 浙江宝业建设集团有限公司静安交通枢纽及商业开发项目部黄洒华叶军惠陈连禄朱露敏郦华祥 一 工程背景及研究对象 ( 一 ) 工程背景 1 背景工程的建筑结构特点上海市静安交通枢纽及商业开发项目由办公 商业 地下车库 设备机房等功能组成, 总建筑面积 m 2, 建筑东西占地约 120 米, 南北约 110 米, 地上裙房 7 层, 塔楼 18 层, 地下 3 层, 总用地面积 m 2, 建筑占地面积 11320m 2, 基坑占地 15816m 2 工程建成后是集公交枢纽 地铁换乘 高档商场 餐饮 娱乐 展示等多功能为一体的现代化 智能化综合建筑 同时也是上海市政府十一五规划中 60 座综合客运交通枢纽项目中首先要建成的 17 座交通枢纽之一 基地以中部用地分界线分东西二块, 西侧地块 (A 地块 ) 属上海天顺经济发展有限公司, 场地面积 m 2, 东侧地块 (B 地块 ) 属上海通安房地产开发有限公司, 场地面积 8801m 2, 两地块联合开发, 统一设计, 同步施工 主体结构均设置三层地下室 基础采用桩筏基础 建筑室内 ±0.00 相当于绝对标高 +3.20m, 室外自然地坪 -0.70m 基础底板面设计相对标高为-14.20m( 局部设备机房底板面标高为 m), 裙楼基础底板普遍厚度为 1000mm( 其中顺作区 1500mm), 塔楼区域基础底板厚度为 1800mm 2 背景工程的周边环境概况本项目位于上海市静安区 15 号地块, 东至常德路 南至愚园路 西至胶州路 北至北京西路 项目建设用地约 2 公顷, 地块北面为赵家桥小区, 西面为静安区招商服务中心 ( 公寓 ) 和明园大厦办公楼 本工程处于上海市的闹市中心静安寺附近, 地理位置极其重要, 周边环境复杂, 管网密布 本工程基坑开挖深度大面 14.7m, 工程基地北 南 东三侧由三条交通道路围成, 东侧常德路下为地铁 7 号线区间隧道, 隧道顶部埋深为自然地坪下约 12m, 距离本工程围护结构外边约 8.6m~13.3m, 西侧有紧邻的静安区招商服务中心 (28F) 及明园大楼 (12F), 北侧赵家桥路隔开的为赵家桥小区 ( 最高 28F), 南侧中部紧靠本工程用地红线的为麦克公寓保留建筑 (8F), 位于基坑内凸区域, 动工之前已经偏离基坑方向向东南侧倾斜 8.84, 但建筑内仍有大量居民居住, 底层也有商户正常营业中 本工程北 南 东三侧交通道路下均布置有密集的管线, 且大部分管线年代已久远, 另外北侧及东侧部分管线已侵入本工程用地红线以内 北侧最近的配水管线距离围护结构为 7.6m, 东侧最近的供电管线距离围护结构仅为 1.7m, 而煤气管线距离围护结构也仅为 3.2m, 南侧配水管最近的距离围护结构为 2m 经统计, 场地南侧 北侧及东侧管线情况见表

2 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 627 基地周边管线分布表 序号 东侧供电 194/1218 H0.00 S0.60 供电 195/1100 煤气 300 H0.00 S0.60 配水 625 H0.00 S1.86 煤气 300 H0.00 S0.60 配水 225 H0.00 S0.70 配水 300 H0.00 S0.70 污水 230 H0.00 信息 4 孔市话 H0.00 S0.70 雨水 900 H0.00 信息 1 孔市话 H0.00 S1.00 南侧配水 150 H0.00 S0.60 雨水 H0.00 信息 18 孔市话 94/2149 H0.00 S0.60 污水 230 H0.00 煤气 225 H0.00 备注 : 管线排布根据每侧序号由近基坑向远离基坑方向排布 南侧煤气 200 H0.00 S0.60 雨水 300 H0.00 配水 200 H0.00 S 背景工程的地质条件 根据本场地地质勘察单位上海申元岩土工程有限公司提供的 静安寺交通枢纽及商业开发岩土工 程勘察报告, 本场地地貌属上海四大地貌单元中的滨海平原类型, 地下水属于潜水类型, 其主要补给 来源为大气降水和地表径流 拟建场地深部第 7 层为第一承压含水层, 根据上海地区已有工程的长期水 位观测资料, 承压水层水位呈周期性变化, 水位埋深的变化幅度一般在 3.0~11.0m, 7 层层顶埋深约为 38~40m, 经设计验算, 基底抗承压水头稳定性安全系数能够满足规范要求 本场地地貌类型属滨海平 原, 地势平坦, 地面标高一般在 2.45m~2.55m 之间, 地坪平均标高约为 m, 场地挖土将涉及 及 5la 层土, 其中 3 4 层土均为饱和淤泥质土层, 在基坑开挖时易产生蠕变现象, 第 3 层 局部夹薄层粉砂, 基坑开挖过程中由于水头差可能产生流砂或管涌现象 场地内工程地质条件及参数列 表如表所示 : 序号 土层名称 杂填土 素填土 2 灰黄色粉质黏土 灰色淤泥质粉质黏土 灰色淤泥质黏土 a 灰色黏土 b 灰色粉质黏土 36.3 ( 二 ) 背景工程的施工特点和难点分析 1 工程周边环境异常复杂 含水量 (%) 土体物理力学参数 压缩模量 (MPa) 容重 kn/m 3 背景工程位于上海市静安区核心地块 周边建筑物密集, 地下管线纵横交错 工程整体基地北 南 东三侧, 由三条交通道路围成 工程基坑东侧紧邻地铁 7 号线区间隧道 ( 最近距离约 7m), 工程 南侧半岛区域紧邻已经发生向南倾斜的保护建筑麦克公寓 ( 最近距离约 12m), 周边还有大量建筑物 c (kpa) Φ ( ) 孔隙比 e 渗透系数 (10-7 cm/s)

3 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 麦克公寓在本工程未开工时已经发生向东南侧方向的偏斜, 其中向南倾斜斜率为 7, 向东倾斜斜率为 5.4, 向东南侧偏斜的总斜率已经达到 8.84, 虽然如此, 该公寓内仍有大量人员居住在内, 目前该公寓底楼为正在营业的商业用房, 二楼以上均为居住用房, 居民入住比例较高 考虑拆迁成本太高以及居民维稳等问题, 业主希望对麦克公寓进行保留并妥善进行纠偏 2 工程场地地质条件差本工程场地地貌属上海四大地貌单元中的滨海平原类型, 地下水属于潜水类型, 场地挖土将涉及 及 51a 层土, 其中 3 4 层土均为饱和淤泥质土层, 在基坑开挖时易产生蠕变现象, 第 3 层局部夹薄层粉砂, 基坑开挖过程中由于水头差可能产生流砂或管涌现象 3 工期紧本工程 2009 年 1 月 9 日开工, 要求交通枢纽部分 2010 年 3 月 31 日前移交甲方以便服务上海世博会, 在此 14 个月内需完成全部的地墙 工程桩 土体加固 挖土 地下室结构以及交通枢纽部分建筑结构施工, 工期非常紧张 基地西侧地块 (A 地块, 属上海天顺经济发展有限公司, 具体场地分块情况 ) 场地在进场时已拆迁完成, 正式移交我司施工, 东侧地块 (B 地块, 属上海通安房地产开发有限公司 ), 拆迁尚未完成, 何时移交尚未确定, 由于东侧 Ⅰ 区土体加固及地墙施工均为施工关键线路, 东侧的移交滞后给工期带来更大的压力 4 工程施工难点多本工程周边紧邻地铁, 管线密布, 建筑物众多, 施工难度较大 另外本工程基坑南侧的麦克公寓属于三面环坑的孤岛建筑, 向基坑内内凸, 施工中的轻微变化均将直接对麦克公寓产生较明显的影响, 而麦克公寓本身已经向东南侧偏斜, 内凸的形态产生的影响结果也有待我们分析和研究 另外, 如何在确保工程安全 进度目标以及麦克公寓内居民安全的前提下对麦克公寓进行有效的纠偏工作, 也是施工的一大难点 ( 三 ) 研究对象通过对背景工程特点及难点的分析, 我们进行了大量的检索和对比工作, 发现至目前为止并无类似本工程情况的在软土地基下深基坑内凸高层建筑变形控制方面的研究, 为此, 我们最终确定通过本项目来对软土地基下深基坑内凸高层建筑变形控制的研究与实践 二 技术路线的选择和确定 ( 一 ) 可行性分析对于周边房屋保护问题, 常规的施工方案是先对保护建筑进行加固及纠偏, 然后再进行基坑的施工 然而本工程中, 由于麦克公寓在工程施工前已经发生向东南侧的严重偏斜, 而动工之初因规划高度和公交枢纽的噪音控制等问题, 居民一段时间中对立情绪非常明显, 出于维稳的要求, 业主及相关职能部门要求麦克公寓周边施工场地外不允许进行土体加固 隔离桩施工等一切作业, 这就使在麦克公寓内部及附近对其加固和纠偏失去了可能性 同时, 由于本工程工期的要求, 也无法先进行麦克公寓的加固处理再进行基坑施工, 只能将对麦克公寓的加固与纠偏工作穿插于基坑施工过程中 对此我们进行了认真的分析, 考虑麦克公寓主要向东南侧尤其是南侧偏斜较严重, 而基坑位于麦克公寓的北侧, 基坑施工产生的变形, 势必将导致麦克公寓产生一定的变形, 而这种变形也必将是近基坑点的变形大于远基坑点的变形, 这种变形对纠正麦克公寓的偏斜是有利的, 也就是说, 在本工程中, 利用基坑施工中土体压力差产生的变形, 主动的纠正麦克公寓的倾斜度是有可行性的 为了将这种定性的分析具体量化, 确实可以指导具体的施工实践, 通过理论分析, 择优确定具体的

4 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 629 实施方案, 并力争通过施工的实践, 对软土地基下深基坑内凸高层建筑变形控制的研究理论作进一步的完善 ( 二 ) 整体施工方案的可行性选择目前常规的深基坑施工方案分为顺作法施工和逆作法施工两种, 本工程东侧由于邻近地铁, 故考虑采用目前上海地区经过多个项目的成功经验, 单独划分出一条 15~20m 宽度范围单独进行顺作法施工 在余下大面积区域的施工中, 我们对逆作法和顺作法施工的优缺点进行了对比, 见下表 顺作法与逆作法优缺点比较 顺作法逆作法 优点 1. 施工作业面多 2. 方法简单 速度快 3. 支撑构架单纯 4. 工期较易掌握 5. 较易掌控工程质量 6. 工程造价低 1. 以刚性高的地墙作为挡土支撑, 侧向变形较小, 安全性较高 2. 节省加设支撑之时间与费用 3. 不规则基地或施工场地狭小基地施工较易 4. 地上地下结构体同时施工, 进度较快, 工期短 5. 地下施工, 节能环保, 受气候影响小 缺点 1. 有支撑在, 部分位置开挖受限制 2. 施工总工期长 3. 城市生活干扰大 4. 对周围环境破坏大 1. 逆作节点施工复杂 2. 钢柱需插入桩基, 钢柱垂直度较难控制 3. 开挖产生的回弹情况会对结构带来不利影响 4. 作业环境差 通过以上的对比分析, 从保护周边环境 加快交通枢纽交付以及控制高层建筑变形的目的出发, 我们最终确定了 分区实施, 顺逆结合 的实施方案 : 在临近地铁区域, 划分小块区域进行顺作法施工, 在其余区域, 为减少对周边环境变形的影响, 加快交通枢纽的交付, 对交通枢纽采用上下同步施工的全逆作施工方法, 而在交通枢纽以外部位, 则采用只进行下部施工的半逆作法施工 针对本工程的重点和难点情况, 从工程的实际情况出发, 结合目前施工行业的生产技术及施工工艺现状, 我们对本工程的施工方案进行了综合的考虑和策划 ( 三 ) 逆作法挖土施工的现状及分析 1 逆作法概述逆作法施工工艺, 是施工高层建筑多层地下室 ( 或其他地下多层结构 ) 的一种有效方法,1935 年日本首先提出了逆作法工艺概念, 随后试用于地下室工程, 目前理论和施工工艺方面研究较多的是日本 美国和英国, 在工程应用方面, 日本 美国 英国 法国 德国 加纳等国和台湾地区都有应用 在日本, 据统计在 1994 年新建的高层建筑中, 地下结构有 18.2% 采用逆作法施工 我国对逆作法研究和施工运用较迟, 最早于 1955 年在哈尔滨地下人防工程中, 提出应用逆作法施工技术, 后在 20 世纪 80 年代将逆作法正式应用于多层地下室施工, 最早的逆作法施工技术应用于上海基础工程科研楼和上海电信大楼, 其后如上海人民广场地下变电站 福州世界金龙大厦 上海恒积大厦 北京地铁大北窑车站 上海地铁黄陂路车站 陕西路车站 常熟路车站等, 到了 21 世纪, 随着技术的成熟, 更是迎来来了逆作法施工的热潮, 众多诸如上海长峰商城 上海曹安商贸城 上海 500KV 世博地下变电站等等一大批大中型工程纷纷采用逆作法施工 目前, 逆作法已列入国家标准 建筑地基基础设计规范 GB 和冶金工业部发布的行业

5 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 标准 建筑基坑工程技术规范 YB 之中, 上海 广州等地也陆续公布了地下室逆作法施工工法 (YJGF02-96 YJGF07-98 YJGF ), 建设部也将 逆作法 列为建筑业 10 项新技术内容之一, 由此也可看出逆作法技术已日趋成熟, 其在地下空间的开发利用中拥有宽广的前景 虽然逆作法在国内外都得到了极为广泛的应用, 但是工程中仍然还有一些问题未能得到完全的解决, 比如逆作法的挖土问题 逆作法临时支撑柱的定位调垂问题等, 虽然在这些问题上, 土木工程师们都在施工中做了大量的探索和研究, 但逆作法中仍有诸多问题等着我们去研究和克服 2 具体案例下面给出上海这种高地下水位软土地基情况下的较为典型的几个逆作法施工工程案例 : 案例一 : 上海市城市规划展示馆工程, 座落于地铁 1 号线人民广场站, 位于西藏路与人民大道路口, 基地占地面积 3625m 2, 主体建筑面积 18071m 2, 其中地上五层, 地下二层, 主体建筑高度 39.5m, 挖深 11.35m 工程由于地处闹市中心, 周边管线众多, 环境非常复杂, 其中工程东侧为运行中的地铁 1 号线隧道及人民广场车站, 隧道最近处距离基坑仅 4m 多 出于保护地铁安全的角度出发和施工工期的要求, 施工采用地上地下同时作业的全逆作法施工 上海城市规划展示馆的逆作法挖土, 采用了 盆 式与抽条挖土相结合的挖土方式, 其抽条挖土主要采用了人工挖土的形式, 抽条尺寸较小 具体施工工况如下 ( 上部结构施工工况此处不再描述 ): 工况一 : 首层土方采用 盆式 明挖 为保护地铁隧道的安全, 盆边 土靠近地铁一侧留 10m 宽, 其他三侧留 7.2m 宽, 盆边土方挖至 -2.5m 标高, 然后按 放坡分挖至 -7.6m 标高, 斜坡上作出踏步, 以利地面层模板支设 工况二 : 待地面层梁板完成并且混凝土已达到了设计要求强度后, 开始挖地下一层 盆边 土 挖除 盆边 土采用 抽条 法, 抽条挖土对称进行以形成对撑并随浇捣好 150 厚垫层, 和原 盆中 垫层连成一个整体 垫层完成后及时跟进地下一层结构梁板的施工 工况三 : 在地下一层梁板混凝土强度达到设计要求后开始挖第二皮土方, 土方挖至 m, 挖土方法及流程同第一层土方开挖 工况四底板完成后及时进行地下竖向结构的施工, 直至地下结构完成 案例二 : 长峰商城位于长宁区地铁二号线中山公园站, 即长宁路 汇川路和凯旋路合围处 由 60 层 238 m 高的主楼和 10 层裙房组成 基坑面积约 22000m 2, 开挖深度为 m ( 局部为 24 m), 地下 4 层, 采用一柱一桩逆作法施工 长峰商城的挖土, 采用了分区分块的挖土方式, 根据实际的基坑工程土方工程的施工情况, 土体开挖主要分为 5 层土体, 其中第五层土为主楼区域 土体开挖顺序和支撑安装按实际工程工况进行 具体施工工况如下 : 第一次土体开挖 : 采用盆式挖土, 分四个区挖至 -6.7m 标高, 挖除后施工 B0 板及其主楼区域板带撑, 待 B0 板强度达到要求后, 挖除第一层土体的盆边留土, 施工 Bl 板及主楼区域板带撑 第二次土体开挖 : 分四个区分别挖至 -l1.6 m 标高, 施工 B2 板及主楼区域板带撑 第三次土体开挖 : 分四个区分别挖至 -l4.8m 标高, 施工 B3 板及主楼区域板带撑 第四次土体开挖 : 分四个区分别挖至 m 标高, 施工裙楼底板及主楼区域临时支撑 第五次土体开挖 : 开挖主楼区域第五层土体挖至 m 标高, 施工主楼底板 案例三 : 上海仲盛商业中心工程位于上海闵行区都市路, 总占地面积 60700m 2 地上 5 层, 地下

6 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 层, 檐口高度 28m, 总建筑面积 29.2 万 m 2 其中地上部分为商业用房, 地下为超市 车库 设备机房等, 是一座现代化 多层式的大型广场 基坑面积约 50000m 2, 呈不规则等腰梯形状, 基坑周长约 900m, 工程采用中心岛结合周边逆作施工方案 仲盛商业中心整个基坑土方开挖遵循 分层 对称 限时 先撑后挖 严禁超挖 原则, 开挖面的高差控制住 3m 以内, 并按 l 2 进行放坡 施工采用分区分块跳跃式挖土, 并与结构施工紧密衔接 基坑周边地下 1 层的结构顺作施工, 以设计后浇带分成了 17 个自然段作为流水段, 地下 2 层结构和地下 3 层结构采用逆作法施工 ; 基坑中部的结构全部采用顺作法施 施工工况如下 : 第 1 次挖土是将基坑四周逆作区挖至 -6.65m, 基坑中央留中心岛, 裙边留土宽度 8.0m, 坡顶标尚为 m, 坡底标高为 m, 坡度采用 1 2, 并用 50mm 厚水泥砂浆加钢丝网护坡, 确保土体稳定 开挖时取三点对称同时开挖与隔段开挖相结合的方式 第 2 次挖土为 ~ m 大开挖, 逆作区按三级放坡, 顺作区土方全部挖完, 挖土流向全面铺开从东向西逐步后退挖土 本次挖土分 2 个阶段 第 1 阶段 : 先将中心岛土方由标高 m 向下分层 分区 分块 分二级接力开挖至标高 m 第 2 阶段 : 将中心岛土方由标高 m 向下分层 分区 分块开挖至基底标高 m, 周边放坡掏挖, 最后形成四周逆作区土方三级边坡 第 3 次挖土是逆作区 ~ m 逆作挖土 整个挖土区域分 11 块, 共有 16 个取土口 采用四点同时开挖和间隔跳挖相结合的方法 第 4 次在逆作区出 m 结构楼板以后, 逆作区 ~ m 逆作挖土, 留 200mm 厚土层人工修整 土方量共 m 3, 挖土方法与第 3 次挖上方法相同 3 案例分析及本工程拟采取的措施细观前一章节叙述的案例 : 上海城市规划展示馆的逆作法施工, 由于工程基坑的面积不大, 工程采用了 盆式 挖土模式, 并辅以较为严格的限时 对撑 抽条的半人工 半机械的逆作法挖土施工, 在特定环境条件下取得了成功 上海长峰商城的逆作法施工, 由于基坑面积较大, 工程的挖土采取了 盆式 留土与分区分块挖土的方法, 成功解决了大面积深基坑的逆作法挖土施工问题 上海仲盛商业中心, 由于基坑面积超大, 工程采用了中心顺作 周边逆作的施工方案, 在逆作施工中, 采取盆式留土, 分层 分区 分块挖土的模式, 也取得了良好的效果 逆作法挖土通常采用如案例一所用的传统的 盆式 挖土结合限时 对称 抽条挖土的方法 但是, 这种方法存在着结构跟进较晚, 造成支撑在挖土后长时间方能形成的情况 ( 混凝土垫层及盆边留土只能在一定程度上减少围护变形的发展 ) 另外, 由于 盆 边土的挖除受抽条宽度 立柱及工程桩影响, 往往易造成工程进度进度的滞后 因此, 根据不同的基坑形式, 采取因地制宜的施工方案显得非常必要 而上述这些案例, 采用的挖土方式各不相同, 但均在逆作法挖土施工中取得了良好的效果, 这也为我们在本工程的挖土中开拓了新的思路, 为本工程的逆作法挖土施工起了良好的借鉴作用 本工程基坑形状不是非常规则, 尤其在麦克公寓侧呈环绕半岛建筑麦克公寓的凹形基坑形式, 对基坑的变形要求又以南侧麦克公寓处和东侧地铁 7 号线沿线最高 因此, 挖土施工方案必须着重考虑这两侧的变形控制方案 另外, 对于传统 盆式 挖土结合限时 对称 抽条挖土方法中临时支撑依赖垫层的做法, 我们也进行了深入思考, 力争在挖土中充分利用逆作法结构的刚度, 及时形成结构梁

7 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 板, 减少挖土结束至结构形成期间基坑围护的变形, 以进一步减少基坑施工对环境的影响 由此, 我们萌生了分区分块结合抽条挖土的挖土方法, 并利用主体结构及时跟进以代替垫层起到支撑作用的想法 ( 四 ) 对挖土方案的理论分析和方案选择 1 挖土施工的提出根据上述章节中的分析, 结合本工程基坑的具体特征, 我们有针对性的分别按照常规挖土方式和我们构想的挖土方式进行了不同的方案编制, 具体方案如下 : 方案一 : 采用传统的 盆式 挖土方法, 结合限时 对称 抽条挖土方案, 在底板施工时采用中心岛式的结构施工方法 具体工况如下 : (1) 首次挖土采用盆式挖土 (2) 按照限时 对称 抽条的原则, 并按照顺序依次挖除盆边土, 浇筑素混凝土垫层 ; 然后按照相同方式和流程 (3) 盆式挖土至大底板板底, 先施工盆底区域的结构底板, 待盆底区域结构底板完成后, 按照编号顺序挖除盆边土, 每挖除一块盆边土后迅速跟进相应编号区域的底板施工, 直至底板施工及落深区支撑全部完成 (4) 挖除落深区土方, 施工落深区底板, 拆除落深区钢支撑 (5) 施工逆作法区域竖向结构 方案二 : 采用分区分块挖土方法结合局部变形要求严格部位抽条挖土的施工方案 具体工况如下 : (1) 采用盆式留土的方法, 结合后浇带的具体部位和施工出入口在场地南侧的实际情况, 按照顺序进行挖土 (2) 按照分区分块的方法, 按照顺序进行挖土, 每挖除一块土体随即跟进相应区块的结构施工, 结构完成后再进行下一区块的挖土和结构施工 (3) 底板挖土工况 1 按照分区分块的方法, 并按照顺序依次挖除相应区块的土方, 每挖除一块后及时跟进相应区块的结构施工 ( 施工结构时允许下一区块的土方进行开挖, 但在结构形成前, 下一区块的盆边留土必须予以保留, 结构完成后方可挖除 ); 2 环内凸高层建筑区域在原有分块的基础上再次进行细分, 每一分块挖土及垫层施工时间要求控制在 24~36 小时以内 ; 3 待普遍区底板全部完成以后, 施工落深区底板 2 挖土方案的理论分析针对上述两个不同的方案, 我们对本数值模拟采用大型三维数值模拟软件 FLAC3D, 对整体基坑各个施工工况进行数值模拟 弹塑性本构模型由于可以考虑土体失效, 能够更好地模拟基坑的变形性状 本工程计算采用常用 Mohr-Coulomb 模型进行计算 本基坑工程由于涉及大面积基坑分区分块开挖, 因此现场情况极其复杂, 初步评估主要反映在以下几个方面 : (1) 地下连续墙以及相关楼板支撑 (2)7 号线轨道交通 (3) 麦克公寓荷载和变电站荷载 (4) 场地的土层分布较为复杂, 模型中需反映场地地基土的分层情况

8 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 633 (5) 施工工况复杂, 需要将放坡开挖考虑在内 (6) 基坑开挖工况的完全再现 初步评估采用线弹性模型来定性对施工方案进行优选 有限元模型的总尺寸为 160m 120m 80m, 为了从定性上更加准确的确定最优施工方案, 模型总单元划分个数为 82.4 万, 总结点个数为 万 模型四周边界约束水平位移, 模型底部边界位移全约束 两个方案比选采用同样的土层参数进行计算 3 挖土方案的确定从计算结果不难看出, 方案一和方案二均可满足设计要求的变形要求, 而方案二中的围护结构变形更小, 对麦克公寓保护更加有利 另从施工实际考虑, 方案一和方案二均可满足交通枢纽准时交付的使用要求, 但方案一施工周期要较方案二更长, 可能会造成世博会开幕时地下室底板仍未完成的情况, 为防止世博会开幕后施工收到影响, 综合对周边环境保护和施工工期情况的分析, 我们最终确定选取方案二作为正式实施的施工方案 ( 五 ) 对应急预案的理论分析和方案选择 1 应急注浆方案的提出施工中为了预防开挖过程中麦克公寓纠偏过快, 倾斜变化过大, 引起麦克公寓本身结构的破坏, 特别制定了相应的控倾纠偏预案, 一旦达到既定的实施条件, 立即着手实施 由于受不能场外作业的条件限制, 我们只能在基坑与场地围墙之间采取措施, 来固结麦克公寓下方的土体, 减少因基坑施工而带来的外部土体的变化, 因为远离麦克公寓, 所以我们准备采用一种新型的远程定向注浆系统, 斜向对麦克公寓处的土体进行加固, 但考虑麦克公寓下方存在长度约 18m 的预制方桩基础, 由于年代久远, 部分工程资料遗失, 我们无法得到建筑物下方桩的具体定位, 故我们无法直接将注浆管斜向打入到建筑物正下方进行土体加固, 只能考虑在离开建筑物一定距离范围处进行斜向注浆, 同时也需严格控制注浆的压力, 防止因压力太大, 造成桩受水平压力造成损伤, 也避免由于压力过大而使建筑物上抬, 造成建筑物承台板与桩脱离的不利局面 为了合理确定注浆的具体施工方案, 我们分别编制了不同排数 不同角度的注浆方案, 分别如下 : 方案一 : 采用双排斜向注浆, 均从地墙顶斜向施工, 注浆深度及角度, 浆液水灰比 0.5, 其中水泥 粉煤灰为 2 1, 注浆压力控制在 0.1~0.3MPa 方案二 : 采用双排注浆, 一排从地墙顶斜向注浆, 注浆深度 配合比, 水泥用量, 注浆压力均同方案一, 一排在地墙外垂直双液注浆, 双液注浆配合比为水 水泥 水玻璃 = , 注浆压力 0.2MPa 方案三 : 采用三排注浆, 前两从地下连续墙顶部斜向施工, 注浆的相关参数同方案一, 另一排在地墙导墙外垂直进行双液注浆, 注浆参数同方案二 方案四 : 采用从地下连续墙内部斜向注浆, 注浆管采用间距 1200mm 梅花型布置, 注浆参数同方案一 2 注浆方案的理论分析对于上述四个方案, 我们进行了分析对比 ( 见表 ): 注浆方案比选 方案 方案一 ~ 三 方案四 施工分析 需要搬迁部分临时房, 施工现场将搬迁部分办公楼, 总体可行 注浆孔成密目网式不知, 满足注浆要求, 但给地下连续墙造成众多隐患

9 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 根据上表比较结果, 我们从中选择了方案一 ~ 方案三, 并对不同注浆形式进行分开和组合, 分别对此进行数值模拟 3 坑外注浆方案的确定经过理论计算分析, 采用方案三 : 由多排注浆进行组合施工的方式, 效果优于单排或任意双排组合的效果, 故我们最终决定选择方案三作为本工程控制麦克公寓倾斜的辅助措施 由于房屋向南侧偏斜较大, 故施工中主要考虑房屋向北侧纠偏, 为了防止麦克公寓在纠偏过程中反方向倾斜, 在地下二层楼板施工完成时 ( 或麦克公寓斜率达到 5 以内而斜率变化仍未收敛时 ), 需迅速施工垂直角度的双液注浆, 以便及时对基坑与麦克公寓进行隔离, 如果施工完后麦克公寓变形仍然有继续加速发展的趋势, 立即跟进 50 及 75 的斜向注浆, 以避免麦克公寓的加速倾斜, 使其沉降趋于收敛 ( 六 ) 技术路线的确定在确定了几个关键施工方案后, 我们基本确定了整个工程基坑的施工技术路线 : 基坑采用 分区实施 顺逆结合 的总体设计方案实施, 将基坑整体基坑分为 Ⅰ 区和 Ⅱ 区两部分分别进行顺作及逆作实施, 其中近地铁 7 号线侧狭长形基坑采用顺作实施, 以降低基坑整体开挖实施过程中大范围卸土对地铁七号线的影响, 面积较大的 Ⅱ 区采用逆作实施, 在交通枢纽部分进行地上地下同步施工的全逆作施工 其中逆作区域采用 ( 四 ) 中确定的挖土方案进行实施, 在达到应急措施实施条件时, 按照 ( 五 ) 确定的应急注浆方案在坑外进行注浆 本工程 Ⅰ 区顺作基坑临近地铁区域区共设置四道支撑, 其中第一道支撑为钢筋混凝土支撑, 第二 三 四道为 Φ 钢管支撑 Ⅱ 区逆作基坑除塔楼区域因采用顺作及出土口部位局部设置砼支撑外, 其它部分均采用 逆作法 施工工艺并利用结构梁板代替水平支撑体系, 除此之外在 Ⅱ 区西南角设备机房底板落深区域加设一道砼支撑围檩与 Φ 钢管相结合的第四道水平支撑体系 支撑体系立柱采用角钢格构柱及钢管柱 ( 内灌芯 ) 因部分立柱今后将外包钢筋混凝土作为工程的永久结构柱, 故立柱桩施工的垂直度要求为小于等于 1/300 1/500, 以保证今后不因立柱桩倾斜过大而增大结构柱截面, 从而影响建筑功能 下面针对该施工方案的具体的施工工况进行了三维数值模拟分析, 运用理论来分析按此施工后基坑围护以及地铁可能发生的变形 麦克公寓的倾斜度可能发生的变化等等, 以此来验证施工方案的安全性 三 深基坑内凸高层建筑变形控制数值系统分析确定了最优开挖方案后对该大型深基坑内凸高层建筑的变形控制进行系统的理论分析, 评估该施工方案 ( 一 ) 数值模型 1 土体及结构力学本构模型根据施工方给出的施工方案, 本数值模拟采用大型三维数值模拟软件 FLAC3D, 对整体基坑各个施工工况进行数值模拟 弹塑性本构模型由于可以考虑土体失效, 能够更好地模拟基坑的变形性状 本工程计算采用常用 Mohr-Coulomb 模型进行计算 2 三维计算模型的建立计算模型包括基坑围护结构 基坑东侧已建好的地铁 7 号线上下行线, 基坑东南侧的麦克公寓, 基坑西侧的变电站以及基坑周边一定影响范围内的土体等 基坑平面尺寸约 160m 120m, 开挖深度为 15m 左右, 最深处为 17.4m 考虑基坑的开挖深度, 对保

10 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 635 护建筑麦克公寓, 运营地铁 7 号线, 变电站以及周边道路管线等的影响, 三维模型取为 350m 330 m 80 m, 计算模型的上边界为自由边界, 底部全约束, 各个侧面限制水平方向的位移 土体及坑内加固体采用实体 (zone) 单元模拟 ;7 号线地铁隧道主体结构采用 3 节点壳 (shell) 单元模拟, 逆作区和顺作区地下连续墙采用双面 liner 单元模拟, 可以反映土体与墙之间的非线性接触效应 ; 钢筋混凝土支撑和钢支撑均采用空间梁 (beam) 单元模拟 ; 工程桩采用桩 (pile) 单元模拟, 楼板采用采用 3 节点壳 (shell) 单元模拟 3 施工工况模拟步骤本次数值模拟是对最优开挖方案进行真实再现 施工工况完全按照施工拟定方案进行 4 支撑结构建模及参数基坑围护墙采用线弹性 3 节点衬砌单元模似, 混凝土强度等级为 C30, 按经验关系考虑混凝土刚度折减, 弹性模量取为 24GPa, 泊松比取为 0.2, 重度取为 25kN/m 3 地下连续墙按照设计, 靠近 7 号线地铁隧道的墙深取 38m, 其它位置地下连续墙取 33m 顺作区基坑四道水平支撑采用线弹性梁单元模拟, 混凝土强度等级为 C30, 按经验关系考虑混凝土刚度折减, 弹性模量取为 24GPa, 泊松比取为 0.2, 重度取为 25kN/m 3, 钢支撑强度取 180GPa, 逆作区逆作楼板采用线弹性 3 节点壳单元模拟, 弹性模量取为 24GPa, 泊松比取为 0.2, 重度取为 25kN/m 3 计算模型中桩有两种类型, 工程桩和立柱桩 相应桩基承载力按照岩土工程勘察报告推荐值, 如下表所示 : 桩基设计参数一览表 层名 层底标高 (m) 抗拔系数 λ 预制桩 /PHC 桩 f s (kpa) f p (kpa) f s (kpa) 钻孔灌注桩 f p (kpa) 2~6m 土层 灰色砂质粉土夹淤泥质粉质黏土 -0.84~ 灰色淤泥质粉质黏土 -3.21~ 灰色淤泥质黏土 -9.82~ 灰色黏土 ~ 灰色粉质黏土 ~ 暗绿 ~ 草黄色粉质黏土 ~ 草黄 ~ 灰色砂质粉土夹粉质黏土 ~ 灰色粉砂 30.78~ 灰色粉质黏土 ~ t 灰色粉砂 ~ 灰色粉质黏土夹粉土 ~ t 灰色粉砂 ~ 青灰色粉砂 未钻穿 注 :(1) 上表各土层的 fs fp 除以安全系数 2 即为相应的特征值 (2) 钻孔灌注桩桩基设计参数适用于桩径不大于 850mm 的情况, 当桩径大于 850mm 时应适当折减 5 土体参数本模型土体和坑内加固体本构模型采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑模型, 模型参数根据下表进行取

11 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 值, 土体弹性模量根据经验关系确定, 计算模型的土层分布与土层特性表中列出的图层一致, 但做了适当简化, 每层土取平均厚度 6 坑内加固体参数基坑采用地下连续墙进行围护, 除靠近地铁侧厚度 1000mm 外, 其余均厚 800mm 为控制地下连续墙成槽施工过程中对地铁隧道的影响, 在地下连续墙成槽施工前, 两侧采用 Φ850@600 三轴水泥土搅拌桩进行槽壁预加固, 坑内设置一排, 坑外设置两排 在 I 区基坑内满堂设置 Φ850@600 三轴水泥土搅拌桩加固, 基坑内也采用 Φ850@600 三轴水泥土搅拌桩隔栅式进行加固, 挖土面上下加固掺量分别是 10% 和 20%, 在加固体与地墙之间采用 Φ800@600 高压旋喷桩填充 根据 地基处理手册 ( 第二版 ) 的经验数据, 水泥土的无侧限抗压强度一般为 0.3~4MPa 当水泥土中水泥渗入比为 10% 时, 水泥土的无侧限坑压强度约为 1MPa, 水泥土中水泥渗入比为 20% 时, 水泥土的无侧限坑压强度约为 2.5MPa 由于水泥土本身的不均质性, 所以它不是理想弹性体, 而是一种弹塑性材料, 其应力 应变关系是非线性的 水泥土的黏聚力与无侧限抗压强度的比值一般为 0.2~0.3, 其内摩擦角变化在 20 ~30 之间 土泥土的变形模量 E50 一般为无侧限抗压强度的 120~150 倍 根据以上经验关系, 坑内加固体的本构模型采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型, 加固土体参数取一定折减, 弹性模量取为 200MPa, 泊松比取为 0.25, 重度取为 20kN/m 3, 黏聚力取为 0.2MPa, 内摩擦角取为 25, 抗拉强度取为 0.01MPa 7 本工程计算监控点 8 计算模型收敛性的判断 FLAC3D 采用最大不平衡力来刻画计算的收敛过程, 如果单元的最大不平衡力随着计算时步的增加而逐渐趋于极小值, 则计算是稳定的 ; 否则计算就是不稳定的 基坑分步开挖与支护过程中模型的最大不平衡力变化历史曲线 计算是稳定的, 模型能够达到最终的稳定平衡状态 ( 二 ) 开挖方案控倾效果评估 1 基坑地下连续墙变形分析地下连续墙的侧向变形对于基坑变形意义重大, 因此被各国学者广泛研究 由于开挖的过程属于基坑底部土体卸载回弹, 土体与围护墙之间存在一定的摩擦力, 使得整体围护墙出现上抬, 坑外土体对围护墙作用主动土压力, 迫使围护墙向坑内变形, 表现为围护墙的侧向变形 由于基坑开挖面下方土体卸载, 引起周边土体的一系列内力重分布, 进而与围护墙相互作用, 并影响坑外土体的应力状态 所以, 围护墙的变形情况对基坑外部以及基坑施工安全有很重要的意义 施工中, 围护墙的侧向变形是一项重要的监测内容 数值模拟可以计算出围护墙的侧向变形情况, 用于指导施工 前面采用弹性模型的计算所示, 本工程基坑所选开挖方案的围护墙的变形形态符合一般规律 这一部分重点展示采用弹塑性模型的计算结果 基坑围护墙的侧向变形随着基坑开挖深度的增加而不断增加, 侧向变形的最大位移随着开挖面的降低而降低 顺 逆作区域围护墙的侧向变形规律都是最大侧位移点随着开挖面的下降而下降 到施工结束, 基坑整体围护墙的南北向最大侧向变形约为 27mm, 东西向围护墙的最大变形约为 22mm 基坑在开挖过程中, 围护墙的变形一直在发展, 最大变形处也随着开挖面的下降而一直下降 一般稳定在开挖面附近 对于顺作区基坑开挖, 由于坑底加固土体的缘故, 围护墙最大值区域延续在加固区域内 对于逆作区的围护墙中部, 其侧向变形都比较突出, 最大变形处在开挖面附近

12 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 基坑立柱沉降分析基坑中立柱的竖向变形情况可以反映基坑开挖卸荷的整体情况, 同时可以反映卸荷量对基坑整体结构的影响 因此, 分析基坑立柱桩的竖向位移也是很重要的 本次基坑开挖中立柱桩大部分上抬, 上抬量不一 本工程中工程桩随着基坑开挖区域不同先后出现上抬 顺作区开挖完后, 顺作区立柱桩产生明显上抬, 在施工了上部二层结构后, 基坑局部立柱出现微小下沉 整体立柱桩随着基坑开挖卸载量的增大而逐渐上抬, 到开挖结束时, 上抬最大量达到 31.1mm 3 麦克公寓安全评估麦克公寓位于基坑东南侧, 属于保护建筑物 施工过程中需要重点控制 麦克公寓距离基坑地下连续墙的距离为 12m 左右, 有 8 层高 基坑开挖引起的周边土体应力重分布, 必将影响麦克公寓的整体变形 因此评估基坑开挖对麦克公寓整体倾斜的影响尤为重要 随着施工的进行, 麦克公寓整体沉降, 并慢慢开展, 到开挖结束时, 最大沉降值 20.7mm, 在报警值范围内 (30mm); 整体沉降差在 3mm 左右, 整体倾斜率符合安全标准 ( 整体倾斜率 <5 ) 4 地铁 7 号线安全评估地铁 7 号线上下行线位于基坑东侧, 离东侧地下连续墙最近距离约 7m 地铁隧道的安全关系到地铁的正常运营 因此,7 号线隧道的变形是本工程重点关注的, 必须严格控制在安全范围内 模型中地铁隧道采用壳单元模拟上下行线 地铁隧道半径为 3.1m 从数值模拟结果可以看出, 隧道在基坑施工过程中, 随着基坑开挖, 围护墙发生侧向变形, 隧道也同时向着墙体变形的方向变形 隧道开挖结束后的变形如下所示 : 7 号隧道 X 方向位移图 隧道侧向变形 /mm 隧道长度 /m 隧道 X 方向变形图从隧道 X 方向位移变形图可以看出, 隧道 X 方向变形与临近顺作区围护墙 X 方向变形趋势一致 在顺作区开挖结束时,X 向变形约 5mm 在逆作区开挖过程中, 隧道 X 方向位移仍然在慢慢进行, 但变形增

13 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 量较小 到开挖结束, 隧道最大 X 方向变形值为 7.9mm 隧道和围护墙 X 向变形趋势图由于隧道走向基本上是沿着 Y 方向, 故其在 Y 方向上的力学性态表现为拉伸 从几个关键工况中隧道 Y 方向变形可以看出 Y 方向的变形比较小, 靠近顺作区基坑中部的位移很小, 而在基坑南北端附近, 隧道两头受到拉伸 这个变形机理可以从图解释 7 号隧道 Y 方向位移图隧道竖直方向的位移相对于 X 方向的位移开展滞后, 在顺作区开挖结束时, 由顺作区连续墙侧向变形, 引起隧道下沉, 最大量达到 2.3mm 随着逆作区开挖的进行, 开挖卸载效应对邻近隧道的地下连续墙侧向变形继续产生影响, 进而使得隧道继续下沉 到开挖结束, 隧道的下沉量约 3.55mm, 在保护要求范围内 (20mm) 隧道竖向变形 /mm 7 号隧道竖向位移图 隧道长度 /m 隧道 Y 竖向变形图

14 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 周边环境评估如果基坑开挖引起坑外地表沉降过大, 会导致周边建筑破坏 因此, 基坑开挖引起的周边地表沉降已经引起国内外学者的重视, 并给出了一些简化的估算方法 然而, 本工程相对复杂, 坑外地表沉降无法直接运用这些方法进行估算 相对而言, 三维数值分析的计算结果更趋真实 本计算方案结果显示, 基坑周边环境受到基坑开挖卸载的影响, 坑外土体受力状态发生变化靠近连续墙部分, 由于开挖, 土体挤压连续墙向基坑内部变形, 土体往开挖面方向运动, 产生地表沉降 随着开挖面的下降, 地表沉降也随之发展 待基坑开挖结束, 坑外土体最大沉降量约 20mm, 对周边环境影响小 6 数值分析小结该施工方案围护结构的整体变形较小, 对周边环境保护较好 围护墙的最大侧向变形量为 27mm; 保护建筑麦克公寓的沉降较小, 最大沉降量为 20mm, 整体倾斜率小, 在可控范围内 ; 开挖结束后, 地铁隧道的侧向变形和竖向变形最大值分别为 7.9mm 和 3.5mm; 基坑周边管线区域沉降较小, 在 20mm 范围内 该基坑开挖方案对环境保护较好 ( 三 ) 应急预案控倾效果评估麦克公寓整体倾斜度随工况的发展 对比了采取压密注浆措施和不采取逐渐措施的情况下, 麦克公寓的倾斜发展情况 可以看出, 到基坑开挖结束, 相比无注浆情况下, 注浆结果控制住了麦克公寓的倾斜发展, 有效地确保了保护建筑的安全纠偏 总之, 该压密注浆方案可以达到控制麦克公寓的倾斜发展, 达到保护该建筑物的目的 ; 同时, 该方案加固了坑外土体, 有效的减少坑外土体的侧向位移, 减少了基坑围护墙的侧向变形量 该方案的实施对于第四层土开挖是必要的 ( 四 ) 基坑开挖的经验预测法研究本项目针对基坑的特殊性态, 考虑基坑内凸半岛的不同长宽尺寸比情况下, 研究半岛区域地表沉降和半岛区域围护墙侧向变形与开挖深度之间的关系, 以期得到它们之间的经验预测关系 1 基坑变形特征量的定义基坑开挖所引起的变形包括支护结构的变形和土体的变形 本报告集中讨论支护结构的侧移和墙后地表沉降 为了论述的方便, 定义有关的变形变量 其中 : h : 围护结构的侧移 ; hm: 围护结构的最大侧移 ; H hm : 最大侧移的深度位置 ; d: 墙后距连续墙的距离 ; v : 墙后地表的沉降 ; vm: 墙后地表的沉降 ; d vm : 墙后最大地表沉降点距连续墙的距离 ; d v : 墙后地表沉降大于 0.01%H 的距离, 可以认为 dv 为墙后地表沉降的影响范围 ; 2 经验预测方法 1976 年 Goldberg 根据 63 个基坑工程的实测资料分析了围护结构的最大变形与土层条件及支护方式的关系 结果表明, 在砂土 砂砾和硬黏土地层中,75% 的基坑的围护结构最大侧移小于 0.35% 倍的开挖深度, 且墙体类型和支撑方法对变形的影响不大 ; 而在软黏土地层中,65% 采用钢板桩或企桩围护的基

15 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 坑的围护结构最大侧移大于 1% 倍的开挖深度, 连续墙较钢板桩等柔性围护的变形要小得多, 且其最大侧移一般约为 0.25% 倍的开挖深度 Goldberg 统计的基坑绝大部分为常规顺作法且约有 2/3 采用了钢板桩及企桩等柔性支护 1981 年 Mana 根据软弱至中等坚硬的黏土层中 11 个基坑开挖的监测资料, 结合 Terzaghi 建议的坑底抗隆起稳定系数, 给出了围护结构最大侧移量与坑底抗隆起稳定系数之间的关系, 可以用来预测围护结构的最大侧移 当坑底抗隆起稳定系数小于 1.4~1.5 左右时, 最大侧移与开挖深度的比值将迅速增加 Mana 的统计主要根据采用对撑的钢板桩和企桩等柔性支护结构 1990 年 Clough 针对软至中等坚硬黏土的基坑, 给出了最大侧移与坑底抗隆起稳定系数和支撑系统刚度的关系,Clough 的图表分为钢板桩和连续墙两个区域, 在相同的坑底抗隆起稳定系数下, 钢板桩的侧移较连续墙的侧移大得多 当坑底抗隆起稳定系数小于 1.4 左右时围护结构的侧移将迅速增加, 这与 Mana 的结论相一致 Clough 整理了在硬黏土 残积土和砂土地层中的基坑最大侧移与开挖深度之间的关系数据 最大侧移平均值约为 0.2%H(H 为开挖深度 ), 仅有少数部分超出 0.5%H, 超出部分为施工不良或围护体插入深度不够等问题引起 1993 年 Ou 收集了台北软土地区 10 个基坑的实测资料, 得到围护结构的最大侧移与开挖深度之间的关系 结果表明围护结构最大侧移约为 0.2%H 0 至 0.5%H 0 之间, 其中 H 0 为最终开挖深度 此结果较 Clough 针对硬黏土 残积土和砂土中的开挖案例的变形大 Ou 的统计大部分是常规顺作法基坑 1993 年 Masuda 收集了 52 个日本不同地区采用地下连续墙作为围护的基坑的实测数据, 其分析结果表明砂土中的最大连续墙侧移约为 0.05%~0.5% 倍的开挖深度, 黏土层中最大侧移一般小于 0.5% 倍的开挖深度, 采用逆作法 坑底加固等措施时能有效减小位移 提出了一种根据地层参数 支撑参数 施工方法 开挖深度等多个参数来确定变形的经验公式 Masuda 的研究对本项目的基坑变形预测有一定的参考价值, 但所给的经验公式相当复杂, 且依赖于日本地区的地层条件和施工方法 1995 年 Carder 收集了英国大部分为硬黏土条件下采用灌注桩和连续墙围护的变形, 结果表明支撑系统的刚度在高 中和低时最大侧移上界分别为 0.125%H 0.2%H 和 0.4%H 而 Fernie 收集到的英国硬黏土基坑围护结构的最大侧移介于 0.15%H 和 0.2%H 之间 Carder 和 Fernie 统计的基坑均位于硬黏土层, 其结果不适合于软黏土地区的变形预测 1996 年 Hashash 采用 MIT-E3 模型通过对正常固结和弱超固结波士顿蓝黏土中 (BBC) 基坑开挖的有限元模拟, 给出了墙体最大侧移的结果 墙体的最大侧移表示为开挖深度 墙体深度及支撑间距之间的函数关系, 可以用作设计时对墙体变形的预测, 但这是在均质的波士顿黏土层中的基坑开挖数值分析结果, 是否适合于较复杂的成层地基尚不清楚 1997 年 Wong 分析了新加坡中央快速公路二期工程中内支撑或锚杆支护基坑的数据 结果当软土厚度小于 0.9H 时围护结构最大侧移小于 0.35%H, 而当软土厚度小于 0.6H 时最大侧移小于 0.2%H 且锚拉支撑侧移小于内支撑的侧移, 而首道支撑靠近地表是控制变形的有效方法 2001 年 Long 统计了来自全世界的大量基坑的实测数据 对于软土厚度小于 0.6H 的基坑无量纲化最大侧移与开挖深度之间的关系, 内支撑 锚拉支撑和支护结构与主体地下结构相结合基坑的平均最大侧移分别为 0.17%H 0.19%H 和 0.16%H, 认为这些支撑型式的基坑在变形上差别不大 对于软土厚度大于 0.6H 且开挖面为硬土层的情况, 平均最大侧移为 0.21%H ; 对于软土厚度大于 0.6H 且 FOS 低的情况, 最大侧移高达 3.2%H, 并随坑底抗隆起稳定系数 FOS 的增大变形减小 ; 对于悬臂开挖的

16 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 641 情况 ; 最大侧移的平均值为 0.36%H Long 统计的数据离散性很大, 这与其数据的来源广泛有关 ( 各地的土层条件 设计和施工方法及工程经验不同 ), 因而这种大范围的统计结果的存在一定的局限性 2004 年 Moormann 采用与 Long 相似的方法收集了全世界大量基坑的变形数据, 按土层条件分为软土 硬黏土 砂土 成层土和岩石, 分析了每种土层条件小支护结构变形的规律, 并讨论了围护结构型式 支撑型式对变形的影响 其中软土中 27% 的基坑最大变形大于 1%H,40% 的基坑最大变形介于 0.5%-1%H,33% 的基坑最大变形小于 0.5%H Moormann 的统计结果的离散性也很大 2001 年 Yoo 对韩国首尔等地区的基坑工程案例实测数据进行了分析, 发现连续墙基坑的最大侧移平均值为 0.05%H, 而其它支护 (H-Pile wall SCW CIP) 最大侧移平均值为 0.13~0.15%H, 且锚杆支撑的最大侧移较内支撑略小 Yoo 的统计数据来源于上层为沉积土 下层为基岩的良好地层, 其变形较软土层中基坑的变形小得多, 显然不适合于上海软土地区深基坑变形的预测 在国内, 刘建航分析了上海地铁及其附近的 12 个基坑工程的实测数据, 结果围护结构的最大侧移与坑底抗隆起稳定系数之间的关系与 Mana 的规律相似 刘建航总结的结果已经编入上海市基坑工程设计规程, 作为常规顺作法基坑变形的初步预估 1999 年刘兴旺分析了杭州和上海地区的 15 个采用常规顺作法基坑的资料, 结果表明围护结构的最大侧移基本落于 0.2%H~0.9%H 的范围内 其上限较 Ou 统计的台北地区的变形要大, 这是由于杭州和上海地区存在较深厚淤泥质黏土且抗剪强度低的缘故 2005 年 Wang 分析了上海明珠二期地铁 6 个车站基坑的变形行为, 最大侧移小于 0.7%H, 由于为长条形基坑, 连续墙的变形无明显的三维效应 从以上的有关研究来看, 支护结构的最大侧移与土层条件 围护结构种类 支撑型式等密切相关, 不同地区的有关统计结果差别较大 上述研究的结果对上海软土地区的基坑变形预测有一定的参考价值, 能否应用于上海基坑工程变形的估计存在不确定性 (1) 墙后土体最大沉降和变形模式 1969 年 Peck 统计了挪威和奥斯陆等地采用钢板桩和企桩作为围护结构的基坑墙后地表沉降数据, 首次提出了预测墙后地表沉降的经验方法如图 70 所示 其中横坐标为墙后距围护结构的距离与开挖深度的比值, 纵坐标为沉降量与开挖深度的比值 根据土层条件和施工状况,Peck 将图形分为三个区域 其中 I 区地表沉降最小 ( 最大沉降小于 1%H), 对应于砂土和硬黏土 II 区和 III 区根据坑底以下软土的厚度及坑底抗隆起稳定系数而定, 最大沉降可达 1~3%H Peck 的统计数据主要来源于早期采用柔性支护结构的基坑 1976 年 Goldberg 的统计结果表明, 在砂土 砂砾和硬黏土地层中的基坑墙后最大地表沉降小于 0.5%H, 约为 Peck 中 I 区最大值的一半 ; 而在软黏土中最大沉降也高达 2.5%H 与 Peck 的统计相似, Goldberg 的统计也主要是早期采用柔性支护的基坑 1986 年 Sugimoto 根据 84 个基坑的墙后地表沉降实测资料给出了一个预测墙后地表沉降的经验方法 该经验方法将土层分为砂土 黏土和混合土层三类, 根据修正系数查图表来确定最大沉降 修正系数根据开挖宽度 开挖深度 墙体插入深度 墙体刚度和坑底以下土层的平均弹性模量来确定 Sugimoto 的数据离散性大 ( 尤其是软黏土地层 ), 且绝大部分基坑为钢板桩和企桩等柔性支护, 因此能否直接应用于地下连续墙围护尚不确定 1990 年 Clough 根据若干工程案例数据的分析给出了墙后地表沉降的分布, 对于砂土和硬黏土, 建议沉降剖面为三角形分布, 最大沉降发生在紧靠墙后的土体处, 沉降的影响范围分别为 2H 和 3H 对于软

17 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 至中点坚硬的黏土, 典型的无量纲化沉降剖面, 最大沉降发生于 0~0.75H 的范围内, 且沉降影响范围为 2H Clough 的统计结果还表明, 最大沉降的平均值约为 0.15%H 1993 年 Ou 指出, 基坑开挖引起的地表沉降曲线有三角型和凹槽型两种型态, 发生这两种型态的最主要原因决定于围护结构变形的大小和型式 三角型的最大沉降发生在紧靠墙后的土体处, 而凹槽型的最大沉降发生在离开墙体的一定距离处 1998 年 Hsieh 根据 Ou 的研究更进一步地给出了三角形和凹槽型两种沉降型态的预测方法, 并提出了主影响区域和次影响区域的概念 三角型和凹槽型沉降的影响范围均包括主影响区域和次影响区域, 且主影响区域的范围为 2 倍的开挖深度, 而次影响区域为主影响区域之后的 2 倍开挖深度 在主影响区域的范围内, 沉降曲线较陡, 会使建筑物产生较大的角变量, 而次影响区域的沉降曲线较缓, 对建筑物的影响较小 对于三角型沉降, 给出了预测曲线 对于凹槽型沉降, 给出了预测曲线, 认为最大沉降发生在距离墙后 0.5He 的位置处, 其中为 He 开挖深度, 而紧靠墙体处的沉降为最大沉降 0.5 倍 2001 年 Long 统计的结果表明, 对于软土厚度小于 0.6H 的基坑采用内支撑 锚杆支撑和逆作法的平均最大沉降分别为 0.11%H 0.12%H 和 0.2%H, 而对于软土厚度大于 0.6H 且开挖面为硬土层的基坑其平均最大沉降为 0.39%H Moormann [10] 统计的结果表明, 软黏土 硬黏土 砂土和成层土的最大平均沉降分别为 1.07%H 0.18%H 0.33%H 和 0.25%H Mana 提出了一种基于有限元分析和工程经验来确定墙后最大地表沉降的方法, 即根据坑底抗隆起稳定系数确定最大地表沉降并乘以相关影响因素的修正参数作为预测的最大地表沉降 Bowles 亦提出了一种三角型沉降的预测方法 刘建航 候学渊参考盾构法隧道地面沉降 Peck 和 Schmidt 公式, 借鉴了三角形沉降公式的思路提出了基坑地层损失法的概念, 给出了地表沉降的预测公式 刘建航提出了基于时空效应理论的最大地表沉降预测方法, 将施工阶段的沉降分成正常施工条件下产生的沉降和非正常因素所增加的施工沉降量, 分别给出了基于工程经验的有关图表来确定这两部分沉降 ; 并给出了基坑底板浇筑之后地表沉降的预测方法, 并被列入上海基坑工程设计规程 徐方京建议用 Reyleigh 分布函数来模拟墙后地表沉降的分布 刘兴旺提出了一种考虑墙土界面侧摩阻力作用时基坑地表沉陷分布的理论表达式 唐孟雄 ] 提出了按正态分布密度函数计算深基坑开挖引起的地表沉降值的公式, 并给出了求沉降的有关参数 在地表最大沉降与围护结构最大侧移的关系方面,Goldberg 的统计结果表明, 不管是砂土 硬黏土还是软黏土, 最大沉降 vmax 大部分等于 0.5~1.5 倍的最大墙体侧移 hmax, 但也有超过 2 hmax 的情况 Mana 的统计表明最大沉降 vmax 等于 0.5~1.0 倍的最大墙体侧移 hmax O Rourke 通过对有关实测数据和模型试验结果的分析发现, 对于有支撑的基坑墙体侧移与地表沉降的比值的极限值为 0.6, 而对于悬臂开挖基坑则为为 1.6 Woo 分析了台北盆地的有关基坑无量纲化最大侧移 ( hmax /H) 与无量纲化最大沉降 ( vmax /H) 之间的关系, 发现大部分的数据落在 vmax 等于 0.25 hmax 至 1.0 hmax 之间, 超过 1.0 hmax 的数据为发生局部破坏 墙体渗漏和地表超载等因素引起 而 Ou 统计的台北盆地 10 个基坑的数据表明最大地表沉降大多落在 0.5 hmax 和 0.7 hmax 之间, 其上限为 1 倍的 hmax Moormann 统计的结果表明软黏土中 vmax 一般为 hmax 的 0.5~1.0 倍, 最多不超过 2.0 倍 从以上的研究可以看出, 影响墙后地表沉降的大小和分布的因素很复杂, 不同地层 不同支护条件 不同施工方法导致的沉降差别也较大 (2) 围护结构的最大侧移国内外很多学者做了关于围护墙体的最大侧向变形与基坑开挖深度的比值研究 详见下表 :

18 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 643 墙体最大侧移的研究结果比较 3 基坑内凸半岛围护墙侧向变形与地表沉降经验预测法针对本工程特殊的基坑形状, 本项目还专门研究了不同基坑内凸半岛长宽在基坑逆作开挖下的变形特性, 以期提出基坑内凸半岛的地表沉降和围护墙侧向变形的经验预测公式 (1) 计算模型及工况本数值模拟土体采用摩尔库伦弹塑性模型 开挖深度在 15m 深, 基坑面积长度在 140m 120m 土体没有采取任何加固措施 主要针对基坑半岛区域开挖围护墙变形和墙后土体变形分布模式 其中, 绿色区域为开挖区域, 开挖采用逆作法, 层数为地下三层 与本研究基坑在规模和形式上十分类似 本项目对半岛区域的长宽比进行研究 (2) 计算结果及分析本研究主要讨论半岛区域地表沉降和围护墙侧向变形之间的关系, 得到半岛区域地表变形与围护结构侧向变形的经验公式 基坑墙后地表沉降的分布情况 其中横轴为墙后离开基坑的距离 d 与基坑开挖深度 H 之间的比值, 而纵轴为无量纲化地表沉降 ( 某点的沉降 δv 与基坑开挖深度 H 的比值 ) 半岛区域地表沉降比常规基坑的地表沉降要大 围护墙侧向变形与开挖深度的关系曲线 围护墙随着开挖深度的不同, 侧向变形与开挖深度之间的比值变化不大 研究还发现基坑内凸半岛的变形模式与半岛的长宽比有着密切的关系 由两个算例可以看出, 当半岛式长宽相同, 且为开挖深度的 2 倍时, 半岛区域中心处的沉降变形最大 ; 而当半岛区域的长度大于其突出的长度时, 半岛区域的地表沉降形式发生改变, 最大地表沉降不发生在半岛区域的对称轴上而是往

19 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 两边偏移 由前面综述所提到的一些学者的研究可知, 基坑开挖卸载引起的地表最大沉降值一般落在距离基坑 0~0.75 倍开挖深度范围内, 甚至更小 也就是说距离基坑 0~0.75 倍开挖深度范围内的区域会受到双面卸载甚至三面卸载的影响 当然半岛长度和宽度本身也是其上地表沉降的影响因素之一 在同样地层条件下, 不同半岛长宽比下, 内凸保护建筑基坑中部地表最大沉降值与开挖深度的经验关系为 δvm=0.25%h 对于围护墙的最大侧向变形与开挖深度的比值则随着半岛基坑长宽比的不同而不同 这是由于长宽比大的围护墙的侧向变形量较大 这是因为围护墙的跨度大了之后, 横向刚度相对较小, 发生的侧向变形也相对较大 通过分析以上半岛区域地表沉降和围护墙的侧向变形规律, 可以得到基坑内凸半岛围护墙最大侧向变形量与地表最大沉降的经验关系 半岛区域长宽比越大, 围护结构的最大侧向变形与地表最大沉降的比值就越大 四 施工过程控制 ( 一 ) 施工总体流程 ( 二 )I 区顺作法区域施工过程控制 1 Ⅰ 区顺作法区域方案概述 Ⅰ 区基坑深度 15.20m, 设计采用四道支撑, 支撑除在 Ⅰ 区南北两个端部采用部分角支撑外, 其余均采用对撑形式 首道支撑采用钢筋混凝土支撑, 支撑中心标高 -2.20m( 自然地坪 -0.70m), 第二四道支撑均采用 Φ 钢管支撑, 中心标高分别为 -5.70m -9.20m m 2 Ⅰ 区顺作法区域平面挖土流程首层挖土采用两台 1.2m 3 挖机由南向北退挖, 挖土至支撑底标高, 然后施工钢筋混凝土支撑, 待

20 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 645 支撑施工完成并达到设计要求强度后, 从支撑的南北两端角支撑和对撑形成的空间中, 分别沉入一台 0.4m 3 的挖机, 由南北两端向中间挖土, 并在地面上停辆长臂挖机抓土装车, 通过这个方式, 依次挖除第二 ~ 五皮土方 由于地铁 7 号线在 Ⅰ 区施工期间虽然隧道已经完成, 但尚未通车, 地铁公司要求 Ⅰ 区必须于 09 年底前施工完成, 以保证 7 号线在年底能正常通车服务于世博, 因此 Ⅰ 区施工主要要突出快速施工 快速加撑的要求 除首道支撑为钢筋混凝土结构外, 第二 ~ 四道支撑均为钢管支撑, 施工中要求每挖出一幅地下连续墙出来 (6m 宽 ), 必须马上在地墙两端各架设一根 Φ 钢管支撑, 并及时施加预应力, 整个时间控制在 12 小时以内, 以此来减少地下连续墙无支撑暴露的时间, 控制地下连续墙的侧向位移, 从而减少施工对地铁的影响 通过上述方法, 我们最终在 2 个月时间内完成了 Ⅰ 区从挖土至三层地下结构的所有工作, 为地铁的安全运营创造了良好条件 3 Ⅰ 区顺作法区域挖土工况挖土工况主要根据支撑标高设定, 具体如下 : 工况一 : 由南向北挖土至 -2.70m, 铺设支撑底模, 施工首道钢筋混凝土支撑 工况二 : 由南北两端向中间挖土至 -6.00m 标高, 每挖出一副地下连续墙迅速在墙两端架设第二道钢支撑 工况三 : 按照上述方式挖土至 -9.50m 标高, 随挖土随施工第三道钢支撑 工况四 : 按照上述方式挖土至 m 标高, 随挖土随施工第四道钢支撑 工况五 : 由南北两端向中间挖土至 m 标高, 并及时跟进垫层施工, 随即施工 Ⅰ 区底板 工况六 : 底板施工完成后拆除第四道钢支撑, 施工地下三层结构, 并按此方式, 逐步拆除支撑并施工 Ⅰ 区地下室主体结构 ( 三 )Ⅱ 区逆作法区域施工过程控制 1 Ⅱ 区逆作法区域施工工况的确定 (1) 逆作法施工工况确定的考虑因素逆作法的工况主要需要制定每次挖土的标高, 以便设计通过各工况的挖土标高来计算围护结构的受力情况 由于逆作法阶段各层结构梁板将取代传统的支撑, 故我们考虑的挖土面标高均跟随结构梁板的底标高来考虑 考虑到使用土胎模施工往往造成结构表面平整度的参差不齐, 使结构质量存在缺陷, 我们选择在结构梁底进行支模施工, 支模高度根据柱下插筋高度来确定, 由于在地下一层以下结构的抗震等级基本较低, 在此情况下, 我们对柱插筋接头选用 Ⅰ 级直螺纹机械连接接头, 柱往下层预留插筋长度统一设 500mm 长, 也即挖土标高至预留钢筋下方, 而地面层由于其抗震等级随地上结构抗震等级, 其抗震要求往往比较高, 对钢筋接头的同一接头区域接头百分率有不超过 50% 的要求, 故在首层挖土时我们往往采用盆式挖土的办法, 利用基坑围护结构土压力不是最大 基坑内盆边土具有被动土压力等特性将基坑中心土方挖至地下一层梁板下方, 这样即保证了柱钢筋钢筋的操作空间, 也增加了明挖土的方量, 减少了今后暗挖土的工作量 盆边土则依然按照上述原则挖土至地面层梁底 500mm 通过上述原则, 我们制定了本工程逆作法挖土的各个工况, 通过设计复核以及数值分析, 确定围护结构满足相关要求, 据此最终确定挖土的工况 (2)Ⅱ 区逆作法施工工况工况一 : 盆式挖除首层土, 盆边挖除至 -3.80m( 局部结构落深处挖至 -4.50m, 另室外地坪标高

21 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 为 -0.70m), 盆底挖至 -8.20m, 盆边宽度在麦克公寓和变电站侧处为 8m, 其余侧 6m, 盆边盆底之间按照 1:1.5 阶梯踏步式放坡, 由于需支模施工, 故垫层统设 100mm 厚 工况二 :B0 板施工完成后进行养护, 达到规范要求强度后, 进行拆模, 拆模完成后挖除第一皮四周的盆边土至标高 -8.20m, 并浇注 100 厚 C20 垫层, 施工 B1 板 工况三 :B1 板达到规范要求强度后, 进行拆模, 随拆模进程进行 II 区的第三次挖土, 挖土直至标高 m, 随挖土浇注 150mm 厚 C20 垫层 施工 B2 板 工况四 :B2 板达到规范要求强度后, 进行拆模, 随拆模进程进行 II 区的第四次挖土, 挖土直至标高 m, 随挖土浇注 200mm 厚 C20 垫层, 施工区裙房部分底板和落深区钢筋混凝土围檩 工况五 : 待裙房底板及落深区钢筋混凝土围檩达到设计要求强度后, 架设落深区钢支撑, 并进行 II 区第五次挖土, 挖土至标高 -17.9m, 随即浇注 200 厚 C20 垫层, 施工落深区底板 2 逆作法运输方案的确定逆作法垂直及水平运输的方案包括多个方面, 比如说运输的垂直通道 水平道路 设备等等, 对与设备主要是超长臂的挖土机以及塔吊, 超长臂挖机解决土方垂直运输等问题, 而塔吊则解决材料垂直运输的问题, 本处对设备问题不作展开, 重点讨论运输通道及道路问题 : (1) 垂直运输通道的确定运输通道主要指垂直运输通道, 一般用来解决钢筋 模板等材料以及土方的垂直运输问题, 习惯上称之为取土口, 逆作法中的取土口应紧邻道路, 以便土方装车及运输, 由于需便于超长臂挖机抓土以及钢筋 钢管等材料的运输, 因此应尽量具备相应的空间尺寸, 同时为了避免对结构的损伤和减少今后的工作量, 取土口应尽量利用结构车道 筒体等洞口位置, 由于逆作法大部分作业均处于封闭的楼板下, 为了减少土方和施工材料的水平驳运量, 一般取土口设置时考虑挖土中土方经过不多于两次的驳运即可达到取土口位置为宜, 故取土口在结构上的设置应尽量均匀, 在结构设计允许的情况下也应尽可能保证数量, 一般每个取土口的覆盖范围控制在 2000m 2 之内 本工程原设计共设置了 6 个取土口, 其中在主楼顺作区设置了一处较大取土口, 其余则在结构的不同部位设置了 5 个大小不等的取土口, 由于数量偏少, 各取土口的位置也与我们的施工方案不尽匹配 故我们对取土口的位置 数量等进行了优化 : 对与主楼顺作区的取土口, 由于洞口较大, 为了充分利用此范围进行出土, 对此处进行了调整, 使此处可以停靠 3 部超长臂挖机进行抓土, 解决部分挖土困难 ; 对其余部位, 因地制宜, 选择结构洞口 核芯筒 车道等处在结构楼板上共开设了 9 个取土口 (2) 水平运输道路的确定逆作法的道路设置主要方便挖运土车辆及材料车辆进出场地 一般除了在基坑外设置之外, 还会在结构楼板上进行布置, 以便与取土口连接, 方便基坑内土方出土 另外, 由于道路上将通行土方车辆, 故道路下方结构应具备相应的承载能力, 由于目前土方车量满载总重基本为 40 吨, 考虑超载等因素一般我们会按照 50 吨考虑 根据上述因素, 我们制定了逆作法的取土口和场内道路, 并将取土口的留设对结构的影响 交通道路的设置及道路上荷载情况上报给结构设计, 由结构设计对其进行受力复核, 根据复核结果进行加固, 双方沟通后共同确定 3 Ⅱ 区逆作法区域施工流程控制 (1) 明挖土施工流程控制在确保周边环境安全的前提下, 第一皮土方采用 4 台 1.2m 3 挖机总体方向由西向东进行平行退挖, 由于此阶段 Ⅰ 区地下结构还在施工, 此时 Ⅱ 区唯一的出入口位于场地南侧, 故土方收头放于 Ⅱ 区南侧中部

22 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 647 施工出入口位置 挖土采用盆式挖土的方法, 并按照施工顺序 序号进行施工 挖土标高按照工况确定的标高进行 : 盆边挖深 3.8m, 盆底挖深 7.5m, 留盆边土宽度 10m, 麦克公寓侧留土宽度 15m, 按照 坡度踏步式放坡, 踏步高度不高于 600mm~700mm, 既方便首层结构支模排架搭设, 也便于施工人员上下, 随挖土随浇捣混凝土垫层, 垫层厚度 100mm, 为避免下次挖土中垫层形成整体不易挖除, 在开挖中造成意外事故, 在垫层浇捣时采用纤维板按照 1.5m 1.5m 尺寸对素砼垫层进行分割, 以确保下一次挖土的安全 待垫层具备一定的强度后, 搭设相应范围排架施工 B0 板 (2) B1 B2 层暗挖土施工流程控制待 ±0.00 楼板完工, 混凝土达到强度后立即在取土口处设置 8 台长臂挖土机及 4 台伸缩臂抓斗挖土机 在塔楼大范围的取土口及裙楼核心筒处的几个取土口处因有足够的展开空间, 故在塔楼处设置 4 台长臂挖机, 在裙房核心筒处的四个取土口处各设置 1 台长臂挖机, 共 8 台长臂挖机 而在剩余的几个小型取土口处因随着开挖深度的加深, 常规挖机无法触底, 而长臂挖机也无法展开, 故只能在每个取土口处布置一台伸缩臂抓斗挖土机, 以此进行下部土体的垂直驳运及装车工作 挖土时从中间向两边进行, 先在取土孔部位局部挖深, 然后向两边以 放坡挖土推进, 待能容纳小挖机挖土时, 再吊 16~18 台 0.4~1m 3 挖土机下去挖土, 为集土需要, 在各取土口处土比周边土可局部挖深 1.5m~2m( 当挖至坑底时, 应做好挖深范围的换土工作 ) 为减小对基坑邻边的影响, 基坑东侧及南侧因靠近地铁 周边管线故留 10m 盆边土, 其他侧留 8m 挖除盆边土采用 分层 分区 分块 的均匀开挖法, 施工顺序按 进行, 具体流程详见图 22 为保护麦克公寓侧施工, 在 3 4 区域各划分为两块进行土方开挖 挖土机械应尽量采用小挖机挖土, 运土也采用挖机驳运, 尽量实现机械化挖土 运土的操作方式, 提高功效, 加快进度 土方由坑内挖机翻运至就近的取土口处, 并应保证有足够的蓄土量供地面层长臂挖机不间断进行装土, 尽量避免停机等待现象发生 挖土过程中随时测定平水, 严禁超挖, 垫层随挖随捣 (3) 大底板及底板落深区暗挖土施工流程控制 B3 层挖土的施工设备配备同 B1 和 B2 层挖土, 先在取土口沉入挖机, 利用挖机将取土口的土逐渐挖深, 直至坑底挖土标高, 挖土中随挖土进行跟进桩顶浮浆的凿除工作, 在挖机沉入到位后, 将盆底继续荡大, 直至将各取土口之间通道打通, 对于挖土流程, 经过认真的分析, 结合具体的挖土 出土能力, 我们流程基础上再次进行了细化, 在 A B C 三个分区的基础上再次细分为 8 各分区, 根据相应的出土能力来重新确定每次的施工范围, 并充分利用土体的空间效应, 优先施工围护刚度较大的角部区域, 待角部支撑形成后, 再挖除中间部位的土方 在麦克公寓侧, 则根据时空效应的理论将土体进一步细分, 将环内凸建筑区域的土体再进行细分, 划分的原则是每块土体挖除 垫层浇筑的时间控制在 24~36 小时以内, 按照分块的次序依次开挖 挖土要求分区分块进行, 为了控制各区块的施工时间在可控范围内, 在划分分块时尽量使个分区面积接近, 对变形要求特别敏感的环半岛区域, 对其分块进一步细分, 以便采取限时 抽条的施工方案, 各区域面积统计见下表 : 各分区面积统计表 序号 A 区 B 区 C 区 m m 2 800m 2

23 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 各抽条区域面积统计表 1 施工总原则要求采用分区分块挖土的原则, 并应进行盆边留土, 每一块盆边土挖除必须待本区 域盆底区域垫层全部完成后方可进行, 盆底区域垫层 一旦完成后结构施工即马上跟进, 一旦盆边土挖除, 迅速跟进垫层, 并尽快将此区域结构形成 2 根据方案流程,A 区先安排挖土, 施工中由于机械配备充足, 故 A-1 区 A-2 区同时进行开挖, 挖土直至盆边土宽度尚余 10m, 此时必须完成以挖除部分的垫层, 并穿插大底板结构的施工, 然后挖除 盆边土, 及时进行垫层和结构底板的施工 A-3 必须待 A-2 垫层全部完成后方可开挖, 必须待 A-2 区底 板完成后方可挖除盆边土 3 A-1 区结构底板完成后可穿插 B-1 区域的挖土施工中,B-1 区共划分为四块, 按照字母末位顺序 进行施工, 每块挖土及浇筑垫层时间都严格按照 时空效应 的原则控制在 24 小时以内, 以控制变形 4 A-3 区底板挖成后进行 B-2 区的挖土工作, 按照上述相同的原则, 依次挖除 B-2 B-3 地块内的 土方, 并施工完成相应区域内的结构底板 5 B-1 垫层全部施工完成后进行 C-1 区的挖土施工, 由于 C-1 区内空间较小, 挖土时只能由 C-1a 向 C-1b C-1c 方向逐步推进, 前一块垫层挖成后, 后一块方可进行挖土, 按此方式, 待 C-1 区垫层全 部完成时, 开始 C-2 区挖土,C-2 区由 C-2a 开始抽条挖土, 待垫层完成后, 依次完成 C-2b C-2c 及 C-2d 的抽条挖土及垫层施工工作 6 待 B-1 区 C-1 区以及 C-2 区垫层全部施工完成后, 统一施工此三个区域的结构底板 7 在 A-3 区底板施工过程中, 同步施工落深区部位的支撑系统, 待 A-3 区域底板具备设计要求强度 时架设落深区钢支撑, 随后, 由基坑西南角向东北角退挖, 随后跟进落深区垫层以及结构底板的施工 开挖逻辑如下 : (4) 环内凸建筑区域结构的特殊处理 2 3 序号 a b c d 2500m m 2 B-1 区 250m 2 270m 2 230m 2 250m m 1500m 2 C-1 区 520m 2 150m 2 130m 2 为了在挖土过程中, 及时形成支护结构, 避免围护结构无支撑暴露时间太长, 在土方分区分块挖土 的同时, 除了及时跟进混凝土垫层的施工外, 还及时跟进了结构梁 板的施工, 以减少支护结构的变形 在 B1 B2 层暗挖土阶段, 根据分区分块挖土的流程, 每一区块土方挖完 垫层形成后, 及时跟进 该区块的结构施工, 使结构梁板快速形成, 并发挥支撑作用, 同时我们在实施中也规定 : 前一区域垫层 未形成, 后一区域土方不得开挖, 前一区域结构未形成, 后一区域的盆边留土不得开挖 在 B3 层底板开挖施工中, 考虑工程除了麦克公寓侧变形特别敏感外, 其余三侧没有麦克公寓侧那么 敏感, 因此, 我们在其余三侧采用了类似 B1 B2 板暗挖土阶段的分区分块施工方案, 并跟进了结构底 板的施工, 而在麦克公寓这一半岛区域, 我们在其它部位底板完成后方进行限时抽条挖土施工, 为了及 时形成垫层之外的强有力的支撑结构, 同时又要避免在底板上留设过多的施工缝给今后使用功能留下后 遗症, 我们对这一环内凸建筑区域的垫层进行了特殊处理 : m - C-2 区 580m 2 290m 2 330m 2 400m 2

24 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 在 A-1 A-3 B-3 区域的底板施工时, 端部朝麦克公寓侧 1500 宽度范围 ( 同底板厚度 ) 垫层加 厚至 400mm, 内配配置双层双向 Φ16@150 钢筋 2 在环内凸建筑区域的 B-1 区 C-1 区及 C-2 区抽条施工时, 垫层也相应加厚至 400mm, 并采用双 层双向 Φ16@150 钢筋网片快速进行垫层的钢筋施工, 垫层混凝土也提高强度等级采用 C40 商品混凝土浇 筑, 以便早日发挥支撑作用 3 当 B-1 区 C-1 区及 C-2 区垫层全部完成时, 浇筑半岛区域底板, 完成底板结构施工 4 应急措施的实施与过程控制 对于麦克公寓, 我们的纠偏目标是恢复其应有竖直状态, 但目前的技术很难做到定量控制, 为了避 免麦克公寓不均匀沉降幅度太大从而造成结构受损, 按照我们事先制定的应急措施 : 如地下室二层结构 梁板施工完成后 ( 或麦克公寓斜率达到 5 以内而斜率变化仍未收敛时 ), 麦克公寓的差异沉降并未趋 于稳定或收敛, 则在坑外采取注浆措施 (1) 实施的原因 按照合同约定, 本工程东块场地应于 2008 年 12 月 31 日前移交, 但实际直至 2009 年 3 月 20 日方拆迁完 成进行移交, 由于东侧的施工是工程的关键线路, 由此造成了整个工程工期的延误, 而交通枢纽部分的 地下一层及地上两层建筑必须于 2010 年 3 月 31 日前移交, 为了确保交通枢纽如期交付的目标, 我们被迫 提前封闭了位于交通枢纽范围内的两个出入口, 并重新调整了本工程挖土的施工路线, 以便逆作法的继 续施工 由此给本工程的挖土和出土工作造成了极大的影响, 使本工程的出土进度明显晚于预期 由于出土速度降低, 造成地下二层楼板施工完成后, 围护侧侧向变形及基坑隆起值高于理论分析 值, 并且此时麦克公寓沉降明显放大, 并未趋于稳定或收敛, 有鉴于此, 我们决定实施已制定的应急措 施, 对麦克公寓采取注浆措施 (2) 注浆的施工布置 注浆的剖面布置按照如图进行布置, 共设三排, 其中两排沿地下连续墙顶部布置, 由于此处结构 顶板落深至 -1.80m 标高, 故施工从顶板以上进行布孔, 注浆孔间距按照 750mm 布置, 孔径 91mm, 要求 钻孔定位误差控制在 ±100mm 以内, 钻孔采用特定钻孔机械斜向施工, 角度分别为 50 o 及 75 o, 另一排拆 除原有办公设施, 贴近围墙布置 本工程注浆采用两种形式, 其中贴近围墙的注浆为竖直向的双液注浆, 注浆配合比为水 水泥 水 玻璃 = , 注浆压力控制在 0.2MPa 以内 角度 50 o 及 75 o 注浆为一种将定向注浆和压密注浆时序 结合的特殊形式注浆, 水灰比 0.5, 每立方浆液内含 32.5 级普通硅酸盐水泥 667kg, 袋装粉煤灰 333kg, 水玻璃 2Kg( 浓度 43Be) 由于浆液内掺入了速凝剂水玻璃, 浆液的初凝时间为 2 h~3 h (3) 注浆的工艺流程 注浆的工艺流程见下图 : 施工前准备测量定位机械就位 成孔施工 浆液制作 下一深度 机械移动 注浆 至设计深度

25 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 (4) 施工过程控制本工程采用了两种注浆方法, 在竖直向采用了常规的双液注浆方式, 另外还采用了多角度定点斜向的注浆技术 在正式施工前, 先进行试机作业, 为正式施工探索地质情况及参数配比的合理性 在钻机钻孔的同时, 按照浆液配合比的要求配置浆液, 并搅拌均匀 注浆实施间隔跳孔施工, 当左右两侧的孔已钻完并且注浆结束后方可内插进行注浆的内插加密施工 施工遵循东西两侧对称施工的原则, 防止不对称施工造成麦克公寓东西方向偏斜的发展 施工中首先进行垂直角度的双液注浆, 以形成对基坑围护结构的隔离 双液注浆孔共 30 个, 孔深 23m, 单孔浆液量 3.45m 3 注浆先采用自上而下的注入不加水玻璃的水泥 粉煤灰浆液, 在注浆完毕后, 再在同管内更换速凝剂水玻璃, 自下而上注入水泥重量的 50% 的纯水玻璃 注浆中为防注浆对地下连续墙造成太大压力, 施工中严格控制注浆的压力在 0.2MPa 左右, 为了降低注浆的压力, 将注浆的钻头进行了改造, 将向下的一个注浆孔改为一个垂直向下和四个水平方向的共五个方向的注浆孔 竖向双液注浆完成后, 进行斜向定点远距离注浆 斜向注浆技术是将定向注浆和压密注浆进行时序结合, 自上而下进行注浆, 充分发挥浆液效用的一种新型注浆方法 其特点如下 : 1 斜向注浆技术适用加固地层范围广 可适用于渗透性大的地层 ( 如砂卵石层 ), 也可用于渗透性较差的地层 ( 如黏土 粉土和粉细砂层 ), 还可以用于基础地基侧压力扩散角范围内的土体孔洞等填充, 起到填充土体空隙, 达到地基加固的目的 2 斜向注浆技术适用加固工程范围较广 可用于房屋 ( 条基 桩基等形式 ), 也可用于公路 桥梁等的地基加固 3 斜向注浆技术采用了自上而下进行注浆的技术, 充分发挥了浆液的效用, 施工基本不会产生冒浆情况, 确保了浆液可以充分发挥效用 4 斜向注浆技术采用穿插钻孔施工, 成排封闭后, 可以起到止水帷幕的作用, 能防止土体的进一步扰动, 保证了土体的加固效果 5 斜向注浆技术能根据现有的基础情况, 定向定位的进行针对性注浆, 达到土体加固的目的 6 根据注浆过程中的信息化监测, 斜向注浆技术能及时调整浆液配比, 调节凝固时间, 控制沉降速率, 施工信息化程度较高 施工中首先进行 50 角度的注浆, 形成封闭的上盖, 防止后面的注浆冒浆 最后进行 75 角度的注浆, 对麦克公寓沉降的速率进行适当的干预 施工也遵循麦克公寓东西对称的原则从东西两侧对称跳孔施工 各施工参数如下 : 注浆参数 : 斜向注浆采用自上而下注浆法, 每米 1 个注浆点 倾角 75, 孔深 21.5m, 每孔 21 个注浆点, 每点注入浆量 0.15m 3 倾角 50, 孔深 13.3m, 每孔 13 个注浆点, 每点注入浆量 0.15m 3 斜向注浆速率 : 每注入 0.15m 3 浆液时间为 6min~8min 斜向注浆压力 : 注浆开启时的瞬间压力较大, 均速注浆时的注浆压力控制在 0.1MPa~0.3MPa, 以减少注浆对地墙及麦克公寓桩基的影响 斜向浆液的扩散半径为 0.75m 根据施工经验, 统计注浆压力及土体影响范围表如下 : 在上述两种注浆施工中, 我们对麦克公寓及地墙进行了紧密的监护, 尤其是麦克公寓, 一旦发现其有上抬趋势, 则马上停止注浆或降低注浆的速率, 防止因压力太大造成麦克公寓筏板与下侧桩基脱离

26 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 651 通过上述注浆处理后, 麦克公寓偏斜趋势减缓, 基本与挖土趋势保持一致, 处于正常可控状态中 注浆压力及土体影响范围表 注浆时间 ( 分钟 ) 注浆泵拉杆行程次数 注浆压力 (MPa) 注浆体积 (m 3 ) 形成浆体直径 (mm) 影响土体直径 (mm) 备注 ~ ~ ~ ~ 瞬间压力 0.6~1.2MPa 目的 : 冲开注浆头 ~ ~8 10~20 0.1~ 五 监测结果反馈 ( 一 ) 监测内容及测点布置 1 监测内容根据本工程的要求 周围环境 基坑本身的特点及相关工程的经验, 按照安全 经济 合理的原则, 测点布置主要选择在 2 倍基坑开挖深度范围内布点, 施工中设置的监测项目如下 : (1) 基坑围护监测 1 围护顶部变形监测 2 围护结构侧向位移监测 3 I 区支撑轴力监测 4 围护墙体主筋应力监测 5 围护墙内外侧水土压力监测 6 坑外承压水位监测 (2) 周边环境监测 1 地下管线垂直 水平位移监测 2 周边建 ( 构 ) 筑物垂直位移 裂缝和倾斜监测 3 周边潜水水位观测 4 地表沉降剖面监测 5 坑外深层土体位移 ( 土体测斜 ) 2 测点布置各监测项目的测点布设位置及密度与围护结构类型 基坑开挖顺序 被保护对象的位置及特性相匹配 ; 同时参照工程桩位置 附属结构位置及开挖分段长度等参数, 进行测点布置 与此同时, 监测断面的布置也很重要, 主要是为了了解变形的范围 幅度 方向, 从而对基坑变形信息有一个清楚全面的认识, 为围护结构体系和基坑环境安全提供全面 准确 及时的监测信息 本工程各监测项目布点情况如下 : (1) 基坑围护结构监测围护结构监测内容包括如下几点 : 围护顶部变形监测在各基坑围护顶圈梁上布设垂直位移及水平位移监测点 25 点 在基坑开挖前,

27 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 顶圈梁浇捣后埋设, 测点利用长 8 公分带帽钢钉直接布置在新浇筑的顶圈梁上, 并测得稳定的初始 值 施工监测监控量测表 序号 监测项目 监测方法与仪表 监测范围 测点距离 图例 1 基坑内外观察 现场观测 基坑外地面 建筑地层土质描述, 支护桩 内支撑 随时进行 2 基坑周围地表沉降 经纬仪水准仪 周围一倍基坑开挖深度 长 短边中点且间距 <30m 3 墙顶位移 经纬仪 墙顶冠梁 长 短边中点且间距 <15m 4 地下水位 水位管 基坑周边 基坑四角点长 短边中点 5 墙体变形 水位仪 墙体全高 长 短边中点竖向间距 1m 6 围护墙内钢筋应力应变 测斜管测斜仪 墙体全高 地铁侧竖向间距 3m 7 支撑轴力 钢筋计应变仪 支撑端部或中部 长 短边中点且间距 <30m 8 侧土压力侧水压力 轴力计应变仪 围护墙迎土侧嵌固段背土侧 长 短边中点竖向间距 3m 9 重要建筑物管线监测 经纬仪水准仪 建筑物四角管线接头 间距 <15m 本工程采用的监测报警指标见下表 : 项目周边地下综合管线变形监测周边建筑物变形监测周边土体沉降位移监测围护顶部变形监测 监测报警指标报警指标累计 10mm,3mm/d 累计 30mm,3mm/d 累计 50mm,3mm/d 累计 3mm,3mm/d 地铁侧 累计 20mm,2mm/d 立柱桩垂直位移监测围护结构侧向位移监测坑外潜水水位观测围护墙体应力监测坑内土体回隆监测墙体土压力测试支撑轴力监测 累计变化小于 ±20, 相邻立柱桩间 立柱桩与地墙间的不均匀沉降小于 10mm 累计 50mm,3mm/d 下降 500mm 根据设计值确定 30mm 根据设计值确定 根据设计值确定 累计 20mm,2mm/d (2) 围护结构侧向位移监测在基坑围护体内埋设带导槽 PVC 塑料管, 以监测围护结构侧向变形 选择在可能产生较大位移的部位, 根据施工现场情况, 在基坑周围共布置 25 个测斜孔 (3) 坑外潜水水位及承压水位观测在基坑周围 2 米范围内布置潜水水位观测孔, 每孔深度约 10 米, 在基坑周围共布置 13 个水位孔, 具

28 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 653 体定位根据实际情况适当进行了调整 另外在基坑西南侧布设 1 孔承压水观测井 坑内地下水位利用降水单位的降水观测井 (4) 围护墙体应力监测在 I 区基坑临近地铁侧的地墙内设置竖向应力监测断面, 共设置 3 个断面 应力测点分别在各道支撑之间的跨中位置各设 1 组测点, 最下部的测点设置在大底板以下 1 米处, 地墙钢筋应力测点在迎土面 迎坑面各设 1 测点 总计埋设应力计数量 :3 6 2=36 只 (5) 坑内土体回隆监测在 II 区基坑内布设 3 个坑内土体回隆孔, 回弹孔从坑底起每隔 2 米埋设 1 个沉降磁环, 每孔设 2 个磁环 (6) 墙体水土压力测试在基坑临近地铁侧的围护墙内共选择 3 幅地墙侧面埋设水土压力监测断面 支撑位置对应, 底板以上的测点在迎土面设 1 只土压力计, 底板以下的测点在迎土面 迎坑面各设 1 只土压力计 合计埋设土压力计 3 6=18 只, 埋设渗压计 3 5=15 只 (7) 支撑轴力监测对钢筋混凝土支撑梁, 采用钢筋应力计测试混凝土内支撑梁的轴力 施工时在支撑梁每个测试断面的矩形截面四角主筋上各焊接一只钢筋应力计, 并将导线引出至安全位置 基坑开挖时由频率计测试每根支撑上 4 个钢筋计的应力变化, 根据支撑的截面积 强度 弹性模量等参数计算出支撑轴力的大小 (8) 周边地下管线变形监测监测点设计原则 : 1 取距基坑开挖最近的管线 ; 2 取硬管线 ( 如上水, 煤气, 下水等 ); 3 取埋设管径最大的管线 ; 4 一条路上尽可能取一条最危险的管线设直接监测点 ; 5 监测点尽可能设在管线出露点, 如阀门 窨井上 管线情况 : 根据周边管线分布, 在基坑周边的上水管线上布设变形监测点 37 点 ; 在煤气管线上布设变形监测点 31 点 ; 在供电电缆上布设变形监测点 12 点 ; 在电话管线上布设变形监测点 12 点 共计布设周边地下管线变形测点 92 个 所有测点均进行垂直位移观测, 距基坑最近的一排管线同时观测水平位移, 其它管线施工期间变形情况可相应参照 对于监测的管线不便设置直接点的以管线敞开井 阀门井 窨井等的井口地面结构直接观测 (9) 周边建筑物垂直位移监测对 2 倍基坑开挖深度范围内的主要一般建 ( 构 ) 筑物进行垂直位移监测 在施工开始前, 对场地周边的建筑物进行现场观察并拍照进行描述 施工期间加强对这些建筑物的巡视 布点时每幢建筑物上一般布置 4 个观测点, 特别重要的建筑物布置 6 个测点 (10) 坑外地表沉降剖面监测为了监控基础施工对周围道路土体的影响范围, 在工程周围共布置 5 组沉降剖面监测点 每组沉降剖面从基坑围护外侧算起, 按 5m 5m 5m 的间距分别设置 3~5 个垂直位移监测点 ( 二 ) 基坑内监测结果根据监测后的实际结果, 我们进行了整理, 各项监测结果如下 :

29 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 1 地下连续墙侧向变形监测数据下图是顺作区基坑开挖阶段, 临近地铁隧道的地下连续墙的侧向变形情况 靠近隧道侧地下连续墙的侧向变形量总体都比较小, 各个监测点的最大位移点都大约出现在开挖面附近 顺作区最大侧移量出现在基坑东侧围护墙中部的监测点 (CX9), 约 22mm, 在允许范围内 基坑逆作区地下连续墙若干截面的侧向变形 随着基坑开挖深度的加深, 围护结构的侧向变形逐渐发展 当基坑开挖结束时, 大部分侧向围护结构变形在 40mm 以内 通过上述数据可以看出, 除了位于麦克公寓北侧围护墙中部的 CX32 点外, 所有测点的地下连续墙侧向变形均在报警值范围之内,CX32 点处由于受注浆带来的负面影响, 该处围护墙侧向变形最大, 最大侧向变形量达 75mm 2 地下连续墙顶竖向沉降监测数据基坑围护墙在土体卸载作用下, 通常表现为上抬 本工程中基坑围护墙也表现为上抬 开挖施工初期, 地下连续墙在自重作用下产生一定的下沉, 随着开挖的进行, 基坑中土体卸载, 带动围护墙上抬, 随着开挖量的增大, 上抬量逐渐增大, 到施工结束, 局部测点最大上抬量接近 12mm, 在报警值范围内 (30mm) 3 立柱桩竖向位移监测数据基坑开挖过程中, 由于土体开挖卸载, 桩与桩周土共同作用, 土体隆起上抬, 带动立柱桩整体上抬 由于开挖面积巨大, 大部分立柱桩出现上抬 上抬最大值在 26mm 左右 立柱之间的不均匀沉降差较小, 对基坑梁板刚度影响很小 ( 三 ) 基坑外检测结果 1 重要建筑物监测数据没有采取注浆措施前, 麦克公寓的倾斜发展趋势很快, 情况比较危险 在开始初始注浆时, 由于注浆体强度发展需要时间, 麦克公寓的变形有加剧趋势, 而当注浆体强度发展到一定强度, 以及对其采用底板分区分块开挖 麦克公寓侧抽条挖土 辅以结构垫层加强并和中央底板共同形成支撑受力的措施后, 麦克公寓的变形速率明显放缓, 至底板结构全部完成后, 麦克公寓的变形趋于稳定, 到底板施工结束, 麦克公寓的整体倾斜度为 3.2, 接近预期目标, 施工结束后, 麦克公寓的沉降变形基本稳定, 工后沉降观测长达 3 个月, 沉降差基本稳定, 倾斜度稳定在 3 左右 本次注浆控倾效果明显 麦克公寓绝对倾斜度慢慢减小, 纠偏成功 2 地表位移监测 (1) 地表沉降地铁附件土体沉降变形 由于施工中顺作区先施工, 而且坑内满堂加固, 靠近地铁围护墙刚度较大 顺作区开挖过程中, 围护墙的侧向变形较小, 引起的地表沉降较小 最大地表沉降值在测点 DB3-2, 为 17mm, 在报警范围内 (20mm) 逆作区基坑周边地表沉降随着基坑的开挖而不断发展 在开挖结束后地表沉降发展稳定 逆作区周边地表的最大沉降量在 40mm 以内 土体的沉降变形与基坑地下连续墙的侧向变形性态吻合 (2) 土体测斜坑外土体的侧向变形随着基坑开挖而开展并向围护结构变形的方向发展 随着围护墙往基坑内侧变形, 坑外土体也表现为与围护结构类似的变形形态 顺作区施工阶段, 靠近隧道侧坑外土体侧向变形情况, 最大侧向变形发生在靠近基坑中部位置 最大侧移量约为 20mm, 与隧道附近地下连续墙的变形形态吻合

30 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 655 逆作区周边土体侧向变形也和逆作区围护墙的侧向变形形态比较一致 其中, 麦克公寓附近土体发生较大侧向变形, 变形方向随着开挖工况往基坑方向开展, 测点位置如图 129 所示, 与麦克公寓周边地下连续墙变形相符 3 管线监测基坑周边上水管线竖向沉降监测图如下所示, 管线监测点均出现不同幅度的下沉, 最大沉降值为靠近麦克公寓附近的沉降观测点 上水管线和煤气管线的沉降趋势比较一致, 沉降随时间呈现阶梯型发展 开挖区域离管线较近时, 沉降较大, 开挖区域离较远时, 沉降较小 由观测结果, 基坑外部管线最大沉降量为 40mm, 与坑外土体沉降变形和基坑围护结构侧向变形性态吻合 4 地铁 7 号线监测由于地铁 7 号线区间隧道与基坑平行长度在 130m 左右, 距离本工程围护结构外边约 7m~13.3m 地铁隧道在施工过程中能否正常运营, 隧道结构变形能否控制允许的保护范围内显得极为重要 因此, 本工程加强对地铁隧道的监测, 主要监控隧道的侧向位移和竖向沉降 监测结果显示, 隧道的侧向变形比较小, 在 2.5mm 以内, 各个测点总体趋势是往顺作区基坑方向移动 这是由于基坑围护墙向基坑内变形, 带动墙后土体向基坑方向移动, 因此隧道整体也受到部分影响, 向基坑方向移动 隧道的竖向沉降量相对水平位移较大 原因是, 基坑开挖过程中, 该地铁隧道正常运营, 列车的移动荷载, 加大了隧道的竖向沉降, 上行线沉降比下行线大 隧道的最大沉降值达到 13mm 允许的范围内, 施工过程中, 隧道中地铁正常运营, 上行线隧道竖向沉降达到 13mm, 下行线最大值达到 9mm 基坑开挖对隧道变形的影响在允许范围内(20mm) ( 四 ) 监测结果小结 1 保护建筑小节由本次监测结果可以看出, 基坑的变形基本在安全可控范围内 通过各项技术措施的采取, 麦克公寓整体倾斜度得到很好纠正, 其倾斜率由原施工前向南侧倾斜 7, 施工结束后恢复为向南侧倾斜 3, 并且, 施工中始终未发生影响使用功能情况, 确保了纠偏过程中公寓内居民的一正常居住和生活, 同时通过纠偏工作, 使原已接近危房的麦克公寓转为安全, 避免了拆除的风险, 施工去的了良好的效果 下图是地下室完成后的麦克公寓照片, 从图中可以看出, 麦克公寓状态良好 2 地铁 7 号线小结本工程中地铁 7 号线整体变形控制质量高, 隧道整体变形值都在地铁保护标准范围内 从下图实测与数值对比分析可以看出, 实测值与计算值反映的隧道整体变形趋势一致, 实测值波动比较大, 这个受到监测现场以及其它因素的影响 实测值和计算值均较小, 在保护范围内 3 周边环境小结由本次监测结果可以看出, 基坑大部分区域的变形在安全可控范围内 同时比较上面数值分析的结果可以看出, 本基坑总体的变形形态, 以及基坑围护结构的变形和周边环境的变形形态与施工前的计算分析比较一致 从基坑实测变形值上来讲, 比数值分析稍大一些 主要原因还是由于施工过程中, 由于场地移交原因导致的部分取土口提前封闭 场内施工道路被迫做了大量调整, 导致出土施工进度受到影响, 时间加长, 从而引起围护及土体变形大于理论预期, 麦克公寓半岛式区域围护变形和坑外土体沉降都稍微偏大, 这是纠偏的需要, 也是坑外注浆等工作的负面影响 但也通过这些积极有效的措施, 最终不仅基坑安全施工完毕, 确保了地铁和周边管线 建筑物的安全, 还很好的控制了麦克公寓的倾斜, 取

31 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 得了良好的效果 六 成果汇总 ( 一 ) 主要研究成果本科研项目结合实际工程, 通过理论结合实践的方法解决以下超大基坑逆作法施工中的关键技术问题 1 研究了复杂环境下内凸保护建筑基坑逆作施工的变形机理 从理论上研究了内凸保护建筑基坑开挖的整体变形机理, 并总结了内凸高层建筑变形控制的关键技术 2 首次提出适用于内凸保护建筑基坑开挖围护墙变形与地表沉降的修正经验法 通过大型三维有限元分析研究内凸保护建筑基坑开挖过程中, 三面临空开挖围护墙侧向变形与地表沉降之间的关系, 提出内凸保护建筑基坑开挖围护墙侧向变形与地表沉降的经验预测法 完善传统基坑开挖围护墙变形与地边沉降经验预测法 3 研究内凸高层建筑基坑开挖中环半岛区域开挖对保留建筑控倾纠偏 在基坑周边建筑众多, 管线密集, 地铁隧道临近, 施工工期要求及环境保护要求较高的施工环境下, 基于大型三维有限元分析, 对基坑土方开挖方案进行优选 针对内凸保护建筑基坑开挖, 充分利用基坑的形态, 提出了在内凸环半岛区域钢筋混凝土垫层加强并与先期施工的结构底板共同形成支撑结构结合环半岛区域的限时抽条挖土的施工方法, 有效的控制了三面临空开挖保护建筑的整体沉降, 对内凸高层建筑进行成功纠偏 4 首次提出斜向远程多角度压密注浆法对保护建筑进行控沉防倾通过研究了深层压密注浆与围护墙的角度 压密注浆的深度 压密注浆的直径等给基坑围护结构的变形及临近建筑物的沉降倾斜所带来的影响及加固效果, 首次提出斜向远程多角度压密注浆法对保护建筑进行控沉防倾, 有效的控制了保护建筑的沉降发展以及倾斜发展 5 研究和实践表明, 在类似上海软土地区大型深基坑施工时, 内凸半岛高层建筑不仅可以进行保留, 还可以在采用坑内外措施结合的基础上, 有效控制保留建筑的变形, 这对于今后软土地区老城区的改造工作无疑具有良好的借鉴和推广价值 ( 二 ) 创新点 1 通过理论分析揭示了复杂环境下内凸高层建筑的大型深基坑的变形机理, 首次提出适用于内凸高层建筑的大型深基坑开挖围护墙变形与地表沉降的经验预测关系 2 综合利用了分区分块开挖与内凸环半岛区域的限时抽条挖土相结合的开挖方案 在内凸环半岛区域钢筋混凝土垫层加强并与先期施工的结构底板共同形成支撑结构的施工技术 结合理论分析的结果, 成功进行了内凸高层建筑的大型深基坑开挖工作, 一定程度上解决了利用基坑开挖技术对邻近偏斜建筑纠偏的技术难题, 并申请了 对邻近偏斜建筑控倾防沉的基坑施工方法 发明专利 ( 申请号 : ) 减少基坑周边变形的底板及其施工方法 发明专利( 申请号 : ) 减少基坑周边变形的底板 实用新型专利( 申请号 : ), 未见同类工程报导 3 通过各种注浆施工方案的详细分析, 首次提出了斜向定点远程多角度注浆对内凸保护建筑进行控倾纠偏工作 在保护建筑内部及周边限制作业的情况下, 通过对各种注浆方案进行施工和理论上的分析比较, 研究了深层注浆与围护墙的角度 注浆的深度 注浆的直径等给基坑围护结构的变形及临近建筑物的沉降倾斜所带来的影响及加固效果, 形成了斜向定点远程多角度注浆对偏斜建筑加固的施工技术, 并申请了 斜向注浆机及其斜向注浆方法 发明专利 ( 申请号 : X) 斜向注浆机 实用新型专利 ( 申请号 : ), 未见同类工程报导

32 91 关于软土地基深基坑内凸区高层建筑变形控制的管理成果 657 七 社会经济效益 ( 一 ) 经济效益 本科研项目通过对逆作法施工方案的深入研究, 多方对比分析, 根据本项目南侧环半岛建筑的实际 情况, 有针对性的提出了分区分块挖土 在环半岛区域采用限时 抽条挖土的土方作业方案, 提出了环 孤岛区域垫层加强并与已施工底板共同形成支撑的结构施工方案, 与抽条挖土的方案相互结合, 同时在 基坑与半岛建筑之间, 克服环境不利条件, 采用斜向定点多角度远程注浆的综合 施工方案, 在安全进行了基坑施工的同时, 成功的对已严重向东南偏斜的麦克公寓进行了纠偏, 使麦克公寓脱离被拆除的危险, 根据测算 : 拆除麦克公寓费用仅拆迁补偿费用预计就不低于 2 亿元人民 币, 而采用上述施工方案, 注浆费用共计 150 万元, 垫层加强共计增加支出 120 万元, 二者相比较不难 看出经济效益非常明显 ( 二 ) 社会效益 本科研项目基于大型三维有限元分析, 结合实际工程, 针对环半岛保护建筑和紧邻地铁隧道等复 杂环境下内凸保护建筑深基坑逆作法施工, 从理论上研究了内凸保护建筑深基坑开挖的整体变形机理, 在基坑周边建筑众多, 管线密集, 地铁隧道临近, 施工工期要求及环境保护要求较高的施工环境下, 评 价多种整体基坑施工方案, 并从中选择最优方案来指导施工, 最终通过理论结合实践的方法成功进行了 复杂环境下内凸保护建筑深基坑的逆作施工, 并首次提出适用于内凸保护建筑深基坑开挖围护墙变形与 地表沉降的修正经验法, 完善了传统基坑开挖围护墙变形与地边沉降经验预测法 这种理论与实践向结 合, 理论指导施工, 施工结果总结完善理论的模式无疑在今后的工作中值得大力的推广, 而本科研项目 研究的成果对今后地铁边工程 内凸保护建筑深基坑施工也具有一定的借鉴作用 而对于本项目研究的背景工程 静安交通枢纽及商业开发项目来讲, 经过理论分析的指导, 项目 采用了 分区实施, 顺逆结合 的施工工艺, 通过合理的安排, 进行施工, 成功进行了本工程的地下室 基坑施工, 确保了紧邻工程的地铁 7 号线的正常运行, 并按时移交了地下一层 地上两层的交通枢纽, 为本交通枢纽正常服务于上海世博会, 实现静安寺地块交通的零换乘目标打下了坚实的基础 另外, 针 对紧邻基坑的倾斜严重的半岛式建筑 麦克公寓, 施工单位通过分区分块挖土与限时抽条挖土相结合 的挖土方法, 辅以半岛区域垫层进行加强并与底板相结合的结构施工方案, 再结合坑外的斜向定点多角 度远程注浆的施工工艺, 在确保基坑安全施工的前提下, 成功对麦克公寓进行了恢复性的纠偏工作, 使 房屋状态转危为安 这种首创的成功经验, 值得在今后的工程中更广泛的推广 除此之外, 本项目还在绿色低碳施工方面做了一定的工作 : 通过采用 分区实施, 顺逆结合 的 施工方案, 利用结构的梁板作为基坑施工时的支撑体系, 尽可能的避免了常规施工中的钢筋混凝土支撑 的使用, 如果本工程按上海地区常规设计, 至少需要三道钢筋混凝土支撑, 按照每道混凝土支撑体积为 整个基坑面积 100mm 厚的经验来估算, 则三道支撑预计将达 15600m 2 0.1m 吨 /m 3 =1170 吨, 按照每制造 1000 吨钢筋混凝土将增加 1 吨 CO 2 排放量计算, 则本工程至少减少 1.17 吨 CO 2 气体的排放 另 外, 对麦克公寓的纠偏成功, 解除了麦克公寓被拆除的风险, 而对原有建筑物的充分利用, 这无疑也是 绿色低碳理念的体现