第7章城市高密集地区地下空间开发岩土环境保护新技术

1、城市地下空间建设新技术住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年10月24-26日全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全国师资培训班第7章 城市高密集地区地下空间开发岩土环境保护新技术张继红 1.1 概述1.2 全回收的深基坑围护系统 WSP桩（可回收的预制隔水桩） RCA可回收的复合锚杆1.3 集装箱式土方挖运方法1.4 地基隔振技术1.5 工程应用1.6 结语提纲1.1 概述1.1.1 常用板式基坑围护结构地下连续墙地下连续墙SMW工法桩工法桩钢板桩钢板桩锚杆加灌注桩锚杆加灌注桩砼支撑砼支撑+钢支撑钢支撑RESS（1）环境问题：围护桩（墙）有残留；（2）一般锚杆超地下红线，土中有高强

2、固体残留，影响邻近地下空间开发，逐步被各地禁用，现有可回收锚杆承载力低，难以满足锚固要求； （3）高造价，高耗材、高耗能；（4）各种形式的钢板桩止水效果差。1.1.2 现有围护桩（墙）的局限性全回收的基坑围护系统（即Recycling Excavation Support System ，简称RESS）（1）以WSP桩（预制隔水桩）作为竖向承载结构；（2）以RCA(可回收的复合锚杆) （或支撑）作为水平承载结构；（3）拓展RCA可回收的复合锚杆应用至软土地区；（4）实现基坑回填后土中无高强固体残留。1.1.3 RESS的新技术核心1.2.1.1 背景技术 1.2.1.2 结构构造 1.2.1.

3、3 工作机理 1.2.1.4 施工工艺 1.2.1.5 “以水堵漏”的隔水连接1.2.1.6 预制隔水桩设计方法1.2.1.7 技术优越性 1.2.1.8 经济优越性 1.2.1.9 局限性 1.2.1.10 小结1.2 全回收的深基坑围护系统全回收的深基坑围护系统1.2.1 预制隔水桩（WSP桩）技术ESC板桩（H型钢+钢板桩连接）H型钢解决了竖向构件抗弯、抗剪问题钢板桩连接解决了局部挡土问题未能解决隔水问题。1.2.1.1 WSP桩的背景技术 WSP桩包括预制桩体、隔水连接、隔水空腔三部分; 隔水连接为可回收的堵漏材料; 预制桩体可以是各种尺寸的H型钢、槽钢、角钢、钢管、钢板桩、钢板及其组

4、合； 桩间连接可采用多种结构形式。1.2.1.2 WSP桩的结构构造预制桩体隔水连接预制桩体隔水空腔（1）可根据工程需求不同，设置相适应的可回收隔水连接；（2）隔水连接在预制桩体施工后安装，可避免施工破坏；（3）在基坑围护期间，各根预制桩体通过隔水连接成为一整体围护墙，既可挡土，亦可有效止水，形成安全可靠的竖向围护结构；（4）可设置两重或多重隔水连接，以确保隔水可靠，可修；（5）基坑回填后，拔出预制桩体前，将隔水连接解除，便可逐根拔出预制桩体。1.2.1.3 WSP桩的工作机理桩的工作机理 该隔水连接包括弹性袋与充于弹性袋内的充填体两部分，弹性袋与相邻的两根预制桩体均紧密接触，充填体为在充填弹

5、性袋的过程中具备流动性的物质（水、泥浆等），如需增加弹性袋与两根预制桩体间的密封度，可向弹性袋内充气，增加弹性袋内壁的压强，使其与预制桩体紧密接触，达到止水目的。1.2.1.4 “以水堵漏以水堵漏”的隔水连接的隔水连接（1）结构简单，造价低；（2）易于安装；（3）便于检查与更换；（4）具备堵漏的自修复功能。“以水堵漏以水堵漏”的隔水连接优点的隔水连接优点（1）桩长设计：主要根据基坑挖深、工程地质条件，计算WSP桩的桩长、入土深度；（2）截面与间距设计：结合水平承载体系的布置，计算WSP桩的弯矩、剪力、位移，根据内力与变形计算成果，选定预制桩体的截面、间距；（3）隔水连接设计：结合施工工艺要求，

6、设计隔水连接的布置与可回收隔水结构。1.2.1.5 预制隔水桩设计方法预制隔水桩设计方法（1）制作预制桩体与隔水空腔；（2）逐根沉入预制桩体；（3）施工可回收的隔水连接；（4）施工水平承载结构；（5）基坑开挖并维护隔水结构；（6）基坑回填后回收隔水连接；（7）逐根拔出预制桩体，完成回收。1.2.1.6 WSP桩施工工艺桩施工工艺（1）能耗低、土中无残留，环境效益显著；（2）可用于各种深度基坑，适用范围广；（3）隔水性能安全可靠 可设置具备自修复特性的隔水连接，即使出现漏水问题，隔水连接可自行修补漏点；可设置两重隔水连接，确保隔水连接安全可靠、可维修；（4）施工质量可控，可避免偷工减料，施工方便

7、，工艺简单，速度快，工期短。1.2.1.7 WSP桩的技术优越性桩的技术优越性1.2.1.8 WSP桩的经济优越性WSP桩与现有围护桩（墙）造价概算比较 WSP桩较桩较SMW工法桩节约造价工法桩节约造价约约25，较钻孔，较钻孔灌注桩可节约造灌注桩可节约造价约价约2540，较地下连续墙可较地下连续墙可节约造价节约造价3545。 （1）应考虑预制桩体插拔施工时拖带沉降的影响；（2）对于深基坑，应有效控制预制桩体稳定性；（3）当WSP桩较长时，须采用简单可靠的接头。1.2.1.9 WSP桩的局限性桩的局限性（1） WSP桩受力构件为钢构件，因此其强度、刚度可算、可靠；（2） WSP桩的隔水连接可设置

8、为具备自修复性能连接，可设置两重隔水连接，因此，隔水性能可靠、可修；（3） WSP桩施工速度快，质量好；（4） WSP桩可回收，无残留，环境效益好；（5） WSP桩造价低、能耗低；（6）在插拔施工影响可接受条件下，基坑围护桩应采用WSP桩。1.2.1.10 WSP桩小结桩小结1.2.2.1 锚杆在基坑围护中的应用障碍1.2.2.2 背景技术1.2.2.3 结构构造1.2.2.4 施工工艺 1.2.2.5 足尺试验研究1.2.2.6 技术优越性1.2.2.7 经济优越性1.2.2.8 小结1.2 全回收的深基坑围护系统全回收的深基坑围护系统1.2.2 RCA可回收的复合锚杆 （1）承载力低 （2

9、）成型难（a）成孔难（b）对心难 （3）锚杆长，超越用地红线（各土层普遍障碍）1.2.2.1 锚杆在软土地区基坑围护中的障碍软土地区锚杆应用的三大障碍 1.2.2 RCA可回收的复合锚杆1.2.2.2 背景技术（各种U形可回收锚杆）U形锚横截面图500旋喷桩土体2根15.2钢绞线180X500锚头胶皮U形锚照片U型锚工程应用JCE回收地锚1.2.2.2 背景技术（U形锚的局限性：承载力低）无锡某可回收锚杆足尺试验锚杆编号锚固段全粘结计算抗拔承载力极限值/kN试验抗拔极限承载力/kNS1364155S2364155S3364155S4572310S5572310S6572310S7455217S

10、8455250S9455250复合锚杆的构造包括4部分： 1.锚固体 2.传力带 3.杆体 4.中空通道锚固体可以是：高压旋喷桩、搅拌桩、水泥砂浆等传力带可以是： 水泥浆、砂浆、可分解材料等。杆体可以是： 钢筋、钢铰线等中空通道是： 设置于传力带内部沿着杆体方向 贯通的孔道1.2.2.3 RCA的构造可回收的复合锚杆纵剖面示意图杆体可回收传力带接头1.2.2.4 RCA施工工艺（可一次成型，准确对心）在水泥土加固体中施工锚杆施工围护桩（墙）与水泥土加固体锁定锚杆图2 施工围护桩（墙）与水泥土加固体围护桩（墙）水泥土搅拌桩传力带水泥土搅拌桩杆体图3 在水泥土加固体中施工锚杆围护桩（墙）传力带水泥

11、土搅拌桩锚具杆体围护桩（墙）图4 锁定锚杆（1）确定锚杆位置；（2）用可回收的传力带将杆体在锚固段位置与锚固体接触处包裹，并设置中空通道，制造可回收的复合锚杆；（3）施工水泥土加固体、杆体，安装可回收的复合锚杆；（4）锁定锚杆；（5）待锚杆使用结束后，解除锁定；（6）分解可回收的传力带；（7）拔出杆体及其他可回收构件，完成回收施工。1.2.2.4 RCA施工工艺（步骤）1.2.2.4 软土地区RCA足尺试验研究工程地质条件试验场地属于上海地区典型的软土地层，试验主要影响土层为上海地区第层粉质粘土与第层淤泥质粘土层层层序序土层名称土层名称埋藏深埋藏深度度/m孔隙比孔隙比/e含水量含水量w / （

12、）压压 缩缩模量模量Es/MPa直剪固快（标准值）直剪固快（标准值）凝聚力凝聚力c / MPa内摩察角内摩察角/粉质粘土粉质粘土3.50.9236.04.6022.020.0淤泥质粘淤泥质粘土土13.81.3848.52.3014.013.0试验场地土层物理力学性质表 （表1）1.2.2.4 软土地区RCA足尺试验研究足尺试验用复合锚杆概况足尺复合锚杆试验概况表（表2）施工时施工时间间水泥土搅水泥土搅拌桩直径拌桩直径/mm/mm水泥掺入水泥掺入量量/kg/m/kg/m入土入土深度深度/m/m锚杆钻孔锚杆钻孔直径直径/mm/mm试验时锚杆试验时锚杆养护时间养护时间/d/d杆体杆体2010.112

13、010.11700700150150111120020028283 312.7 12.7 高强钢棒高强钢棒图中的复合锚杆试验承载力达到365kN。试验结束时，水泥土搅拌桩出现破坏。1.2.2.4 软土地区RCA足尺试验研究典型的复合锚杆的承载力基本试验QS曲线（1）工期短；（2）挖土方便，交叉施工少。1.2.2.5 RCA技术优越性技术优越性1.2.2.6 RCA经济性基坑面积越大，复合锚杆的造价节约越多。当基坑较小时，对于面当基坑较小时，对于面积积2000m2的小基坑，的小基坑，造价比为造价比为80。随着基。随着基坑面积的增加，可回收坑面积的增加，可回收复合锚杆的造价快速减复合锚杆的造价快速

14、减小。小。1万万m2的基坑，造的基坑，造价比价比36，对于，对于5万万m2的大基坑，造价比的大基坑，造价比为为16。（1）可回收的复合锚杆实现了杆体的全回收，且杆体与锚固体可全长粘结，锚杆承载力大，适于基坑围护中提供水平承载力，能耗低，有利于岩土环境保护；（2）在软土区域，通过复合锚杆技术研发，解决了普通锚杆承载力低、变形大的缺点，复合锚杆是软土地区经济适用的锚杆形式；（3）通过一次成型等施工工艺，解决了锚杆施工中对心难的难题，使锚杆施工质量稳定、可靠；（4）通过水泥土加固体充分挖掘了软土的潜力，克服了水泥土与杆体之间连接强度低的缺陷；（5）较内支撑体系，可回收的复合锚杆大幅降低了造价，并可缩

15、短工期。1.2.2.7 RCA小结小结传统粗放的土方挖运存在的问题：（1）土方挖运成本高；（2）开挖面原状土的翻运收集，增加了松土的体积，进一步提高了挖土费用；（3）土方挖运速度慢，制约工期；（4）环境污染严重，在翻土、推运收集、垂直运输及土方外运过程会产生较多的粉尘，影响空气质量。1.3 集装箱式土方挖运方法（1）将集土箱放置于深基坑中开挖面位置；（2）将深基坑中需挖出的土方开挖并装载至集土箱内；（3）将集土箱吊运至运输车辆，并将集土箱与运输车辆临时固定；（4）将集土箱运至预期位置；（5）卸除集土箱内的土体；（5）将集土箱运回，完成一次土方运输；（5）重复步骤a）至步骤f），完成土方挖运。

16、深基坑集装箱式土方挖运步骤深基坑集装箱式土方挖运步骤内支撑龙门吊轨道集土箱挖机龙门吊集土箱运输车集土箱集土箱集装箱式土方挖运方法示意图 在密集城区，已建建筑物往往因为邻近工程建设、工业生产、轨道交通运营等产生的振动影响到建筑物的正常使用与安全，目前此类事件时常引发社会纠纷。对于已建的建（构）筑物进行有效保护，减小消除邻近地基土振动对已建建（构）筑物的影响是土木工程领域中的一个新的发展方向。1.4 地基隔振技术地基隔振技术-压力平衡地基隔振方法压力平衡地基隔振方法设置隔振容器（1）向隔振容器（1）中充填流体（2）。 使流体（2）的压力与外侧的土压力（包括土中水压力）基本平衡通过流体（2）的运动吸

17、收地基土的振动能量，达到隔振目的。1.4.1 第一种压力平衡地基隔振方法第一种隔振器平面布置示意图1隔振容器；2流体；3导流管；4收集器；5地基土；6近振源；7被被保护对象；设置隔振容器（1）及其中的减震器（12） 利用隔振容器（1）弹力或减震器（12）的支撑力与土压力平衡；，通过隔振容器（1）与减震器（12）耗散地基土振动能量，达到减振目的。1.4.2 第二种压力平衡地基隔振方法第二种隔振器平面布置示意图1隔振容器；2流体；3导流管；4收集器；5地基土；6近振源；7被被保护对象；12减震器；工程建设地点：江苏省昆山市珠江路工程建设单位：昆山金鹰置业有限公司基坑围护设计单位：冶金工业部华东勘察

18、基础工程总公司可回收锚杆生产与施工单位：上海地固岩土工程有限公司1.5工程应用江苏省昆山金鹰A地块项目二期基坑围护工程1.5.1 工程概况周边环境： 基坑北侧23m为东新街； 基坑西侧23m为珠江路； 基坑南侧穿越河浜； 基坑东侧紧邻在建一期工程； 珠江路、东新街路下分布有较多的道路与市政管线。1.5.2 周边环境概况场地北侧东新街1.5.2 周边环境概况场地西侧珠江路1.5.2 周边环境概况场地南侧汛塘河1.5.2 周边环境概况场地东侧在建一期现有围墙东 新 街待拆建筑待拆建筑待拆建筑待拆建筑待拆建筑待拆建筑待拆建筑待拆建筑迁后河道迁后河道迁后河道迁后河道迁后河道现有河道现有河道现有河道一期

19、二期一、二期分界线用地红线地下室外轮廓线N商业酒店A0535F/2D商业2FA06A09珠江路东 新 街规 划 汛 塘 路黄河路商业33F/1D基坑周边环境示意图 位于珠江路侧的中部偏南段，浅层分布有层淤泥质粉质黏土，层底最大埋深达9.5m（接近坑底）。 其他围护段，上部1012m为可塑硬塑状粘土，基坑底部以下以砂性土为主。1.5.3 工程地质与水文地质条件表3 基坑围护设计参数一览表工程地质剖面图（基坑西侧近珠江路）稳定潜水水位埋深一般在 1.10m1.90m。浅部分布的第层粉砂层为微承压含水层。微承压水头埋深为4.25m；深部分布巨厚的第层、第层砂土、粉土层，属于承压含水层，在本场地与第层

20、粉砂层组成了同一含水层。深部、浅部微承压含水层具有同一水头。1.5.3 工程地质与水文地质条件潜水及承压水包括二层地下车库与主楼深基坑两部分；地下车库基坑挖深10.1512.05m，基坑面积约2.48万m2，基坑周长约646m。主楼基坑挖深19.4m，面积约2500m2，基坑周长约200m。主楼基坑开挖面距离地下车库基坑开挖面的最近距离约13m。1.5.4 基坑工程概况基坑围护平面布置图车库区域围护：8001000、9001100钻孔灌注桩+ 38501200三轴搅拌桩隔水帷幕；三轴搅拌桩内插7003001200工法桩水平承载结构：24排RCA可回收复合锚杆。主楼深坑区域：一道钻孔灌注桩+一道水平钢筋混凝土支撑+一道水平钢支撑。围护结构远主楼区域RCA可回收复合锚杆支护典型剖面示意图近主楼区域RCA可回收复合锚杆支护典型剖面示意图1.