高层建筑超大基坑复合土钉墙支护施工技术应用

一、成果简介...........................................................2二、可行性研究报告..................................................5三、研究试验报告....................................................47四、科技成果鉴定....................................................64五、科技查新报告....................................................72八、成果在应用单位产生的经济、社会、环境等效益证明..............................81-82一、成果简介成果简介《高层建筑超大基坑复合土钉墙支护施工技术研究》是xxxxx集团公司科研项目。其依托的工程是zzzz产业园一期项目，本项目基坑长约232米，宽约221米，开挖深度15.5米，在北京地区属超大深基坑，是本项目的重点、难点工程。针对本项目基坑大而深的特点，开展了人工填土层和新近沉积地层基坑开挖支护期间土应力变化机理研究、潜水稳定水位规律研究及复合土钉墙作用机理的研究。并通过现场试验和多方技术人员论证，多项支护方案比选，确定了超大深基坑复合土钉墙支护方案。一、取得的主要成果如下：1、本项目基坑长约232米，宽约221米，开挖深度15.5米，针对项目地理位置新近沉积土层最深约地下10.5m，该土层结构较差，无层理，含植物根、有机质、螺壳等，其中新近沉积粘土层主要为有机质土或泥炭质土。新近沉积土层具有结构性较差，土质软，均匀性差，稳定性差等特点，通过现场实验分析，提出了土方工程采用分级放坡、中心岛式开挖方案，成功控制了超大深基坑施工中坑底隆起情况。2、通过对桩锚结构与复合土钉墙基坑支护方案比选，采用预应力锚索复合土钉墙支护结构方案。根据刚柔结合原则，通过施加预应力，增加［18a槽钢腰梁，采用深孔土钉、锚索二次高压注浆技术，高强喷射混凝土，提高混凝土面板主动支护能力，并严格控制施工质量等综合措施，有效地控制了深基坑边坡塑性变形。3、该技术成果应用后，有效的控制了超大深基坑支护结构变形，避免了边坡坍塌的发生，比较深基坑常采用的地下连续墙、护坡桩+桩间旋喷桩、水泥土桩+型钢等高造价的支护方法，此施工技术大大节约了成本，取得了良好的经济效益，缩短了工期，减少了社会资源投入，为今后超大深基坑施工提供了指导和借鉴。二、经济效益该研究成果在zzzz产业园一期项目得到成功应用，通过优化改进土方开挖方案，分级放坡开挖，采用土钉结合预应力锚索方式大大提高了工程整体施工质量和进度，同时节约设备成本投入约400万元，节约人工和安全成本投入约100万元，取得良好的经济效益。三、应用推广情况随着高层建筑的拔地而起，地下大空间应用越来越广泛，超大深基坑将得到越来越广的应用。针对北京地区人工填土层和新近沉积地层的复杂地质特性，超大深基坑开挖技术的研究显得尤为重要。《高层建筑超大基坑复合土钉墙支护施工技术研究》这一开挖支护技术在zzzz产业园一期项目基坑施工中取得了成功应用。该成果的成功应用，为北京地区超大深基坑提供了可借鉴的实例，可为类似工程提供经验、数据，对我国高层建筑的发展能提供基础支持，有着广泛的应用前景。二、可行性研究报告三、研究试验报告科技成果研究试制报告科技项目简介《高层建筑超大基坑复合土钉墙支护施工技术研究》是xxxxx集团公司科研项目，其依托的工程是zzzz产业园一期项目，本项目基坑长约232米，宽约221米，开挖深度15.5米，在北京地区属超大深基坑，是本项目的重点、难点工程。在基坑施工过程中，通过采用取得的主要成果如下：1、本项目基坑长约232米，宽约221米，开挖深度15.5米，针对项目地理位置新近沉积土层最深约地下10.5m，该土层结构较差，无层理，含植物根、有机质、螺壳等，其中新近沉积粘土层主要为有机质土或泥炭质土。新近沉积土层具有结构性较差，土质软，均匀性差，稳定性差等特点，通过现场实验分析，提出了土方工程采用分级放坡、中心岛式开挖方案，成功控制了超大深基坑施工中坑底隆起情况。2、通过对桩锚结构与复合土钉墙基坑支护方案比选，采用预应力锚索复合土钉墙支护结构方案。根据刚柔结合原则，通过施加预应力，增加［18a槽钢腰梁，采用深孔土钉、锚索二次高压注浆技术，高强喷射混凝土，提高混凝土面板主动支护能力，并严格控制施工质量等综合措施，有效地控制了深基坑边坡塑性变形。3、该技术成果应用后，有效的控制了超大深基坑支护结构变形，避免了边坡坍塌的发生，比较深基坑常采用的地下连续墙、护坡桩+桩间旋喷桩、水泥土桩+型钢等高造价的支护方法，此施工技术大大节约了成本，取得了良好的经济效益，缩短了工期，减少了社会资源投入，为今后超大深基坑施工提供了指导和借鉴。二、关键技术1、基坑纵向、水平位移监测技术基坑开挖过程中，通过对基坑竖向、水平位移等数据的及时采集，然后对数据进行整理，及时进行模拟分析，揭示基坑的变形情况，指导施工。针对本工程地质条件，采用ANSYS平面弹塑性有限元法结合理正深基坑总应力法，对北京地区新近沉积层及一般第四纪冲洪积层（冲洪积层多为细砂、中砂及粉质粘土）超大深基坑的开挖与支护进行了数值模拟计算，据此分析基坑各开挖深度下土体的位移及锚索的受力状态，并对基坑顶部边缘模拟计算值与实测的位移值进行比较，通过对基坑竖向、水平位移等数据的及时采集，在基坑边坡每隔15m～20m设置一个土体沉降及水平位移监测点，并设置2个深层土体位移监测点。在基坑开挖期间，每天监测1次～2次，变形较大时测2次～3次，观测的频率根据变形速率和施工阶段等因素综合确定。基坑变形报警值：当变形达到5mm/d并连续3d不收敛或累计变形量达到H/100(H为开挖深度)时报警并分析原因，采取加固和补强措施。然后对数据进行整理，及时进行模拟分析，揭示基坑的变形情况，有效指导施工。2、土方开挖技术针对人工填土层和新近沉积地层的复杂地质特性，土方整体开挖后可以理解为是坑底卸载的过程，坑底部应力发生变化，导致覆土压力减小，使基坑底部产生垂直向上的剪切力，产生弹性变形，所造成的坑底隆起、涌砂变形较大，令支护结构失稳。弹性隆起弹性隆起塑性隆起采用ANSYS弹塑塑性有限元元模拟计算算，作法是是先将整个个分析区域域上划分有有限元网格格，然后再再利用关闭闭或开启某某些单元的的方法来模模拟一个土土工结构的的建造过程程。当网格格中单元的的启动和关关闭状态有有变化时，结结构将不再再处于平衡衡状态。结结构建造的的模拟过程程，就是采采用增量法法，分步计计算以消除除此种不平平衡力的过过程。基坑土体在开挖挖过程中受受外力的作作用下，不不仅产生弹弹性变形而而且还会产产生不可恢恢复的塑性性变形。研研究过程中中将土体视视为弹塑性性体服从DDruckk-Praager屈服准则则，由于其其所需参数数较少，所所以研究过过程中被采采用。在基坑开挖过程程中会引起起地表的沉沉降,控制不好好会造成周周围建筑和和道路管线线的破坏,带来巨大大的损失,严格控制制沉降的大大小是土方方开挖重要要控制技术术。假设每每次开挖过过程中地表表沉降均匀匀变化,它随距基基坑边距离离的变化情情况如下图图所示：地表沉降随距基基坑边距离离的变化关关系(l)复合土钉钉支护边坡坡的地表沉沉降随开挖挖进程不断断增加，且且开挖同一一层土体引引起的沉降降明显小于于土钉支护护边坡。(2)两种支护护的沉降分分布曲线有有着明显的的不同，复复合土钉支支护边坡中中，地表最最大沉降发发生在离开开挖面一定定距离处，随随着开挖深深度的增加加沉降量不不断增大，且且最大沉降降位置逐渐渐向后移动动。土钉支支护边坡的的最大沉降降发生在开开挖面处或或附近的某某一位置。(3)不加支护护直接开挖挖时，由于于土体荷载载释放使坡坡体内应力力场重新调调整，同时时坡体内部部各部分发发生相应的的变形，以以便达到新新的平衡，当当变形较大大时，边坡坡土体就进进人破坏状状态。加支支护后由于于复合土钉钉水平锚固固作用，限限制了土体体向坑内移移动，控制制了变形的的发展，提提高了土体体的抗剪强强度，延缓缓边坡破坏坏。根据模拟计算结结果，按“分层分段”的要求进进行施工，开开挖过程分分两级，坡坡度按1:0..4~1::0.5进行，开开挖深度至至8米处设置置一道1.5米宽平台台，沿基坑坑边6m范围内，分分层分段开开挖。分段段长度：第第一层，每每段不超过过24m；第二层层，每段不不超过12m；淤泥层层每段不超超过6m，并采用用跳槽开挖挖。下层土土体应在上上层土钉墙墙注浆3d后方可开开挖，每层层开挖出作作业面后，立立即进行支支护，最后后一层锚索索施工完成成后，立即即进行验槽槽及地下室室垫层施工工，并做好好基坑封底底。地面距距坑缘1m范围内喷喷射100mm厚素混凝凝土面层，作作为防水和和坑顶保护护作用。中中间车库部部分按照“中心岛式”先挖四周周，后挖中中间部分，待待四周楼座座地下室结结构完成后后，再行开开挖，开挖挖土方用于于基坑肥槽槽回填，避避免土方二二次倒运。中中部预留核核心土自身身重力与基基坑底部回回弹力相抵抵，大大减减小了基坑坑底部土体体回弹造成成坑底隆起起、涌砂现现象。3、复合土钉墙及及“二次高压压注浆”支护施工工技术传统复合土钉墙墙采用土钉钉结合预应应力锚索，通通过施加预预应力对土土体滑裂面面形成反向向应力传递递，土钉与与预应力锚锚索联合支支护形成的的有效压力力区覆盖了了土钉锚固固区和锚索索自由段长长度范围内内的大部分分区域，连连接、叠加加成一个范范围很大的的主动支护护区，形成成以土钉为为骨架，锚锚索为连续续带的骨架架网状结构构，对土钉钉、锚索之之间的土体体形成主动动支护结构构体系。根据本工程地质质条件为新新近沉积层层及一般第第四纪冲洪洪积层，地地层多为砂砂层及粉质质粘土层，物物理特性较较差，为了了提高土钉钉与土体界界面粘结力力，提高土土钉摩阻力力及土粒之之间的固结结，假设钉钉土之间的的摩擦力沿沿土钉均匀匀分布，根根据抗拉拔拔试验结果果，利用下下式来估算算钉土剪切切面处的剪剪应力式中：T:钉端拉拔拔力R：土钉钢筋与浆浆体的复合合半径（或或钻孔半径径）L：土钉长度由式中可以看出出，要想钉钉土剪切面面的剪应力力趋于无穷穷小，需增加变量R、L，当土钉钉长度变量量L取定值时时，增加土土钉钢筋与与浆体复合合半径可以以减小剪应应力。对于于土钉注浆浆工艺，低低压注浆剪剪应力主要要由机械咬咬合力和土土体之间的的摩擦力组组成，而对对高压注浆浆土钉锚索索，由于水水泥浆体进进入周围砂砂土环境，在在土钉中部部及端部形形成“梨形体”产生很强强的机械咬咬合作用，大大大增加摩摩阻力，土土粒之间的的固结程度度大大改善善，因此高高压注浆土土钉锚索有有很强的的的界面粘结结力。高低压土钉注浆浆对比试验验：在同一地段布置置7排4列共28根土钉进进行对比试试验，见下下图。右边边两列为高高压注浆土土钉，为方方便对比，土土钉长度统一为为12米。除灌浆浆压力不同同外，其他他参数如钻钻孔直径、试试验深度、土土钉直径均均相同。灌浆材料为P..O42..5普通硅酸盐盐水泥加适适量“水玻璃”及混凝土外外加剂，水水灰比为0.5—0.55。土钉拉拔试验布布置图水泥的成分是硅硅酸三钙(3CaaO·SiiO2)、硅酸二二钙(2CaaO·SiiO2)、铝酸三三钙(3CaaO·All2O3))和铁铝酸酸四钙(4CaaO·All2O3··Fe2OO3)。前两者者为水泥的的主要成分分，占水泥泥总质量的的70%～80%。硅酸三三钙和硅酸酸二钙的水水化反应产产物基本相相同，都是是水化硅酸酸钙(C－S－H)和氢氧化化钙(Ca((OH)22)，只是水水化反应速速度和水化化热高低有有所差异而而已，水化化反应可用用下式表达达:C3S(C2SS)→C－S－H+nCCa(OHH)2水泥的水化产物物水化硅酸钙钙呈胶质状状态，几乎乎不溶于水水，而生成成的氢氧化化钙很快与与水玻璃反反应，反应应过程如下下:nCa(OH))2+Naa2·SiiO2++mnHH2O→n(CaaO·SiiO2·mmH2O))↓+2NaaOH反应连续进行生生成具有一一定强度的的胶质体，与与被灌土体体胶结在一一起，其强强度不断增增加转化为为稳定的凝凝固体，从从而达到灌灌浆加固的的目的，其其中水化硅硅酸钙呈胶胶质状态，几几乎不溶于于水又为防防止地下水水涌入起到到决定性作作用。低压注浆法：浆体由钻孔倾角角自然流入入孔内，间间歇排气，浆浆体到孔口口溢出后停停止注浆。高压注浆法：采用一根20高高压PVC管，中部部及端部钻钻孔，用胶胶带粘贴，顶顶端封堵与与土钉钢筋筋捆绑一起起放入孔底底，先进行行低压重力力灌浆，待待初凝后进进行加压注注浆，注浆浆压力为2Mpaa~3Mppa，持压时时间不少于于10分钟。所所有试验土土钉施工完完成后28天进行破破坏性慢拔拔试验，试验结果果可知，复复合高压注注浆土钉比比常规低压压注浆土钉钉的极限摩摩阻力有较较大提高，土土体物理特特性有很大大改善，同同比低压注注浆有效阻阻止地下水水涌入对比比地下连续续墙有异曲曲同工之效效，又可以以节约大量量钢材，经经济效益可可观。三三、创新点点11、“中心岛”与分级放放坡土方开开挖有效结结合采用ANSYS平面面弹塑性有有限元法结结合理正深深基坑总应应力法，模模拟整个基基坑土应力力变化过程程，采用“中心岛式式”挖土方案案，在基坑坑中部预留留核心土，先先挖四周，后后挖中部，有有效控制基基坑底部覆覆压力突然然减小产生生垂直向上上的变形，引引起基坑底底部土体回回弹。采用分级放坡开开挖，坡度度1:0..4~1::0.5减少在不不平衡力的的作用下导导致支护结结构向基坑坑内产生位位移，令基基坑底部土土体受到挤挤压，发生生塑性隆起起现象。2、通过高压二次次注浆，土土钉中端部部形成“梨形体”改良土粒粒固结，提提高预应力力锚索极限限摩阻力。创新的在水泥浆浆液中加入入化学试剂剂“水玻璃”生成具有有一定强度度的胶质体体，与被灌灌土体胶结结在一起，其其强度不断断增加转化化为稳定的的凝固体，从从而达到灌灌浆加固支支护结构后后侧土体的的目的，其其中水化硅硅酸钙呈胶胶质状态，几几乎不溶于于水，有效防止止地下水渗渗入。二次高压注浆后后在支护结结构后侧形形成“梨形体”，有效改改善滑裂面面范围土体体固结强度度，增强锚锚索极限摩摩阻力。四、查新结论及及评审鉴定定意见通过江西省科学学技术情报报研究所查查新机构查查新，得出出如下结论论。国内已已见基坑土土钉墙支护护施工技术术，采用“中心岛”开挖方式式的文