成都绿地中心深基坑工程创新技术研究2020

成都绿地中心468深基坑工程设计施工创新技术研究及应用高岩川二零二零年十月主要内容一、项目概况二、水文地质、工程地质概况三、基坑支护设计四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土一、项目概况绿地中心T1塔楼建成后高度将达到468米，根据目前已有的超高层建筑来看，建成后的该塔楼将成为世界第七西部第一高楼。我公司承担了该项目的勘察、基坑设计施工及地基基础施工任务。该项目对工程勘察要求很高，基坑大面积开挖深度达37.5米，桩基单桩设计荷载4500吨，其基坑深度和桩基单桩承载力在成都乃至整个西南地区都绝无仅有。另外基坑与现有成都地铁2号线最近距离仅4.5m，工程又处于目前成都基坑事故频发的膨胀土地区，这些都增大了工程建设的难度。考虑上述情况，在绿地中心工程勘察、基坑支护和地基基础施工中，将科研与生产相结合，通过科研真正解决工程生产中遇到的一系列问题，取得了较好成果。一

、

项

目

概

况基

坑

工

程

概

况

基坑规模

基坑面积约为2.2万m2，周26.4长约为638米(mm)基础厚度自然地坪标高区域基底标高挖深(m)28.9基坑面积2.2万平方米普遍裙楼

基坑安全性等级为一级15002500150045002500-28.900-29.900-28.900-31.900-29.90024.4区域高地势区域+0.000-5.50023.4T3塔楼区域29.928.9普遍裙楼区域23.424.4普遍正常地势区域T1塔楼区域29.926.4T2、T3塔楼区域24.4一、项目概况（1）

基坑北侧为双向十车道的驿都大道，为成都市区交通主干道，道路下方为地铁二号线轨道，地铁A、B出口紧邻基坑边线。一、项目概况（2）

基坑西侧为已建椿树街，道路宽约20m，道路下方管线复杂。一、项目概况（3）

基坑东侧为在建楠木街，其中道路南段已建完成，北段待建，施工过程中该地段为办公区域。一、项目概况（4）

基坑南侧为待建杜鹃街，道路宽25m，距离地下室外墙约5m。二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

概

况膨胀土

地层分布

第白

四垩

系

全中上

新、统

统下灌

人更口

工新组

填统(

K

土冰

)(水泥Q沉岩积)

层(Q2-1fgl)ml2g4二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

概

况

地层分布

东侧地质展开图基

底

标

高

4

9

8

.

0

0基

底

标

高

4

9

8

.

0

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底

标

高

4

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.

0

0二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

概

况

物理力学参数

抗剪强度指标二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

概

况

物理力学参数

泥岩强度指标二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

概

况

物理力学参数

基坑支护设计参数汇总二、工程地质、水文地质概况水

文

地

质

概

况

三大类三个含水层本工程场地地面平均标高约524.20m，本工程场区近50年的最高地下水位标高约517.00m左右二、工程地质、水文地质概况特

殊

岩

土

评

价场地内分布的特殊岩土主要为膨胀岩土，在工程建设中往往引发基坑垮塌、地坪隆起、墙面开裂的不良后果。故在地基基础和基坑支护设计、施工中，应予以充分的研究和考虑其不利的影响。根据本次勘察对场地分布的岩土层进行的胀缩性试验结果，按《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112-87)的分析评价其胀缩性，岩土的自由膨胀率平均值为40.3%～45.8%，均属膨胀性土，具有弱膨胀潜势。场地地处的成都地区的大气影响深度为3.00m，大气急剧影响深度为1.35m，经计算，地基分级变形量Sc在12.8～18.1mm，膨胀土地基的胀缩等级为Ⅰ级。粘土的膨胀力25.2～100.9kPa，平均值为57.8kPa。场地分布的泥岩，膨胀力5.3～21.2kPa，平均值为13.2kPa。自由膨胀率在20%～68%，平均值在45.5%，为膨胀性岩，具有弱～中等膨胀潜势。但其膨胀力相对较小，且埋藏较深。通常对工程影响较小。但随着基坑深度的开挖，其崩解性、软化性和膨胀性需进一步重视。二、工程地质、水文地质概况工

程

地

质

条

件

小

结

综合场地内地质情况，建筑场地地貌上属于成都平原岷江水系Ⅲ级阶地，为山前台地地貌，地形有一定起伏。

本工程基坑开挖影响深度范围内，浅层分布主要为粘土层、粉质粘土及含卵石粘土层，基底基本处于强风化及中等风化泥岩层。

本场地内分布的粘土、泥岩均属于膨胀性岩土，具有弱膨胀潜势，在基坑支护设计、施工中，应予以充分的研究和考虑其不利的影响。三、基坑支护结构支护设计设计方案及优化绿地中心基坑支护工程由我公司与华东建筑设计院联合设计。我公司依托成都地区基坑支护多年经验对原有设计方案进行了优化。按照原设计方案，基坑支护桩桩长受地势变化控制，T1塔楼区域设置三道内支撑，T2、T3塔楼区域设置三道圆环内支撑。在保障基坑安全的前提下，调整了支护方案，将T2、T3塔楼基坑由原有的三道内支撑减少至一道内支撑，并通过预应力锚索控制支护桩变形，同时将场地内高地势一侧原有支护桩改为放坡+支护桩结构，每根支护桩至少减小5m桩长，通过优化设计，不但节约工程造价逾千万元，同时还得到了更宽松的施工场地环境三、基坑支护结构支护设计T1塔楼468mT2塔楼133mT3塔楼133m三、基坑支护结构支护设计T1塔楼，基坑采用三道内支撑支护，基础采用桩基础T2、T3塔楼，基坑采用一道圆环撑+四道锚索支护，地基基础采用大直径桩复合地基三、基坑支护结构支护设计支锚体系设计

内支撑设计

首道支撑三、基坑支护结构支护设计支锚体系设计

内支撑设计

二、三道支撑四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀土基坑事故是目前成都地区最大的基坑问题，由膨胀土引发的基坑事故占到成都基坑总事故的80%以成都膨胀土基坑事故照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究目前膨胀土基坑主要存在问题：①规范的缺失。现有的膨胀土相关规范对膨胀土基坑边坡支护设计没有具体指导内容。②膨胀特性试验方法的局限性。目前膨胀特性试验结果只能用于膨胀土分级，无法提供具体设计参数。③采用参数折减法设计的问题。目前设计中大多采用折减岩土参数来考虑膨胀土影响，缺乏理论依据，只能依靠经验取值，实际应用中基坑事故频发。④膨胀荷载无计算方法。目前对于基坑边坡膨胀荷载仍没有一种合理的计算方法。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究绿地中心项目正好处于成都膨胀土地区，因此以项目为依托开展了膨胀土基坑支护设计方法的研究。通过在现场埋设大量的应力变形测试元件，分析基坑边坡膨胀荷载分布特征，针对膨胀土基坑支护理论、设计方法展开了研究，并提出了全新的湿度场-膨胀荷载计算理论和设计方法，将膨胀土基坑支护设计由原有的经验性设计变为具有理论支撑的科学设计当中。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究在绿地中心项目中，投入了近300万科研经费采用多种测试方法在现场埋设了大量的监测元件，对基坑支护结构、周边岩土体受力、变形特征进行了长期监测，在监测内容中还包括了很多全新的测试内容，如岩土含水率变化测试等。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究岩土中测斜管埋设四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究土体测斜测试四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究支护桩测斜管安装四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究混凝土应变计安装四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究在开展现场监测的同时，还对膨胀土室内试验方法进行了改进。现有的膨胀土试验方法只能得到土体的最大膨胀特性，而不能得到膨胀土不同含水率情况下的膨胀特性，因此对现有的试验设备进行了改造，并提出一种不同含水率条件下的膨胀特性测试新方法。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究新的试验设备可实现任意试样不同含水率下的膨胀力测试。膨胀土膨胀特性试验设备四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究试验盒详细图四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究采用新的试验方法可测得膨胀土含水率-膨胀力曲线。下图为成都地区膨胀土试样试验结果。初始阶段膨胀土吸水产生的膨胀力很小，到一定含水率后呈线性逐四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究开展室内外模型试验研究，进行不同降雨条件下膨胀土基坑边坡含水量变化特征测试试验，分析不同降雨量情况下膨胀土边坡含水量变化及岩土膨胀变形特征测试。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究成都膨胀土膨胀力与初始含水率关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究不同方法得到的膨胀力与含水率增量关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究成都膨胀土黏聚力与初始含水率关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究成都膨胀土内摩擦角与初始含水率关系四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究室内试验基

坑

顶

部桩基

坑

底

部黄

色

成

都

粘

土红

色

成

都

粘

土模型原型示意图模型槽实物图

(长×宽×高=3.7m×0.8m×1.0m)四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究室内试验入渗深度随时间变化曲线坡后8cm处土体湿度变化值-深度关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究室内试验坡后25cm处土体湿度变化值-深度关系曲线坡后15cm处土体湿度变化值-深度关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究室内试验入渗深度随降雨强度关系曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究现场试验坡

顶

面含

水

率

测

试

孔

位坡

底

面土体含水率测试布置图四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究现场试验膨胀土边坡降雨条件下含水率变化现场试验四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究现场试验膨胀土边坡降雨条件下含水率变化现场试验四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀岩土基坑边坡湿度场分布研究现场试验总结模型试验、现场试验及数值模拟的结果，降雨条件下，基坑边坡坡后浸润线的分布形态如下图x1节

点

1yr2rL

-

坡

顶

面

入

渗

深

度节

点

2L

'-

坡

面

垂

向

入

渗

深

度浸润线形态示意图四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究考虑降雨入渗深度的关键参数是饱和渗透系数和裂隙深度，成都地区降雨的最不利工况，即降雨时间长、降雨强度大时，得到成都膨胀土基坑边坡坡顶面降雨入渗深度的计算方法可继续化简为L

1

.0

7

6

6

S

3

1

0

k

2

38S（1-1）式k

中：

-坡顶面裂隙深度，单位cm-饱和渗透系数，单位m/sL

'

1

.0

7

6

6

S

'

3

1

0

k

1

28同理得到直立边坡坡面位置入渗深度可简化为S

'（1-2）式中：

-坡面裂隙深度，单位cm式（1-1）、（1-2）可应用于勘察设计阶段对入渗深度的取值四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究为研究膨胀力场的分布，分别计算降雨工况下未考虑膨胀土效应基坑模型的边坡模型以及降雨工况下考虑膨胀效应膨胀土基坑模型，两者计算模型的边坡应力场的差值，即为膨胀土吸水膨胀力分布曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究不同初始含水率条件下膨胀力分布曲线不同入渗深度条件下膨胀力分布曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究膨胀力与入渗深度变化关系膨胀力与初始含水率变化关系四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）膨胀土基坑支护设计方法研究基

坑

顶

面h1

=

7

8

4

5

h

+

4

4

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511p

=

2

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+

6

6

2

22p基

坑

底

面h2成都膨胀土基坑边坡膨胀力分布曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）成都膨胀土地区基坑支护设计方法研究右图为基于基坑边坡土体含水率变化规律的边坡膨胀荷载计算方法，通过确定出坡顶膨胀荷载最大自由变形深度和基坑底部膨胀荷载最大影响深度，确定出基坑边坡的膨胀荷载分布规律和大小。在绿地中心基坑支护设计中采用了该计算理论来考虑膨胀土荷载，基坑边坡安全可靠，未出现事故问题。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）成都膨胀土地区基坑支护设计方法研究上述研究的主要成果和创新点：1.研制了一套单土样持续/阶段吸水条件下膨胀土含水率-膨胀参数全过程曲线测试的试验装置。2.完成了用于测试单土样持续/阶段吸水条件下膨胀土含水率-膨胀参数全过程曲线测试的普通土工三轴仪的改制。3.提出一种新的测试膨胀土含水率-膨胀特性全过程曲线的单土样试验技术。4.建立了适用于成都地区膨胀土基坑边坡降雨入渗深度的经验公式。5.提出了一种基于湿度应力场理论的工程实用型膨胀土弹塑性本构模型，并通过二次开发嵌入FLAC3D计算软件对不同工况下的膨胀土基坑边坡进行数值分析，获得了膨胀土基坑边坡膨胀力场的分布特征。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（一）成都膨胀土地区基坑支护设计方法研究上述研究的主要成果和创新点：6.基于湿度应力分布特征，采用微层力学分析、静力平衡、莫尔强度理论等方法推导了非极限条件下膨胀土基坑边坡主动、被动土压力计算公式，建立了以湿度场膨胀力为基础的膨胀土基坑边坡土压力计算理论。7.完成现场原型膨胀土边坡淋水湿度场分布测试试验；8.完成基于研究成果的现场原型膨胀土边坡性状监测验证性试验；9.从工程的勘察、设计、施工三个阶段出发，提出了一套适用于膨胀土基坑边坡的支护设计理论。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（二）基坑监测新技术为了保障基坑开挖过程中的施工安全，在施工过程中必须进行施工变形监测，目前的监测手段只能达到先变形后监测，因此整个过程就是：先基坑变形，后监测报警，再支护加固。在绿地中心项目中，引入了新型的监测技术手段，改变了传统的监测模式，变监测报警为监测预报，通过观察基坑边坡岩土含水率等指标变化情况在基坑变形之前即可发出警报，使得基坑支护结构在变形之前基坑得到有效的控制，较过去的监测手段更先进、更安全。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（二）基坑监测新技术埋设湿度测试元件，监测基坑岩土体含水率变化情况，及时掌握基坑边坡安全度。湿度计（含水率测试）湿度计安装照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（三）基坑信息化施工绿地中心项目基坑施工工作中，采用了信息化生产模式，利用BIM技术对施工过程进行指导，在施工前利用BIM技术对整个施工过程进行了模拟，发现施工过程中可能存在的问题，更早地发现施工中薄弱环节，优化改善施工方案。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（三）基坑信息化施工利用BIM技术，对施工中可以出现的重载车辆与支护结构间的碰撞、钢筋与立柱间的碰撞都进行了分析，根据分析结果对结构物进行了加固或调整。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（三）基坑信息化施工采用BIM技术对整个施工过程进行模拟，更早地发现施工中薄弱环节，优化改善施工方案。格构柱影响锚杆的施工空间多结构间钢筋交叉问题四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（三）基坑信息化施工地基基础信息模型可以同建筑模型实现整个建筑的信息数据对接和展示。基坑结构信息数据模型展示四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（四）降水自动化控制在绿地中心采用了中建总公司研发的智能降水系统进行基坑降水工作，由计算机自动控制降水水位，避免了过度降水造成的周边路面沉降问题，保护了环境。智能降水系统信号采集箱监测数据界面四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究玄武岩纤维复合筋是以玄武岩纤维为主材的一种新型非金属复合材料。玄武岩纤维材料项目连续在2002年8月被列为国家863计划，2004年5月列入国家级火炬计划。具有强度高、质量轻、绿色环保和抗腐蚀等优点。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究我公司在绿地中心基坑支护工程中开展了玄武岩复合筋材在岩土工程中的应用研究课题，采用室内试验、现场开展大型边坡破坏性试验和边坡长期监测试验等方法，对玄武岩纤维筋材的物理力学特性、锚固特性试验、抗腐蚀性、设计方法、筋材连接与配件研发、现场应用和长期监测试等内容展开了研究。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究玄武岩纤维复合筋材研究技术路线图玄武岩纤维复合筋材锚固性能及应用技术研究基本物理力学试验密度试验线膨胀系数试验耐候性试验抗拉、剪试验蠕变松弛试验抗冻试验水泥基类锚固试验与水泥砂浆试验与混凝土试验相关配件研发试验应用效果研究锚杆工程应用连接配件研发锚固配件研发粘结剂试验支护桩工程应用抗浮工程应用玄武岩筋材锚固技术与应用研究成果四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究筋材试验表明，筋材抗拉强度在900~1100MPa之间，远大于普通钢筋。筋材破坏照片应力应变曲线四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究筋材粘结性能试验结果表明，筋材直径越大则粘结强度越小。常用工程锚杆M20和M30砂浆粘结强度约为5MPa，C30混凝土粘结强度约8MPa。粘结特性试验试件粘结特性试验照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究腐蚀性试验结果表明，筋材在饱和酸碱溶液的长期浸泡下形态完整，实测耐碱强度保留率平均值为96.0%，耐酸强度保留率平均值为92.6%。碱溶液腐蚀试验酸溶液腐蚀试验四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究将玄武岩复合筋材物理力学特性与普通钢筋进行对比，从对比结果中可以看出，玄武岩筋材各项性能四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究在绿地中心场地内开展了大型边坡现场试验，试验边坡开挖深度9m，边坡中新近填土层采用1:1放坡，局部土钉支护；填土以下则全部采用玄武岩纤维锚杆或钢筋锚杆支护（对比），水平间距与竖直间距均为1.5m，开挖坡率1:0.5。四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究平面图剖面图四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究测斜孔布置平面图四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究测斜管安装照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究现场试验边坡照片1四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究自然边坡试验区（已破坏）钢筋锚杆试验区玄武岩锚杆试验区现场试验边坡照片2四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究堆载破坏试验方案四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究坡脚浸水照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（5）玄武岩纤维复合筋材应用研究试验边坡人工诱导破坏照片四、基坑支护创新技术研究与绿色岩土（五）玄武岩纤维复合筋材应用研究玄武岩锚杆支护边坡与钢筋锚杆支护边坡变形测试