[分享]地下空间建设策略,建议收藏!

发表于2020-12-03     83人浏览     0人跟帖     总热度:97  

王卫东,全国工程勘察设计大师,现任华东建筑集团股份有限公司总工程师、华建集团上海地下空间与工程设计研究院院长,兼任中国土木工程学会土力学及岩土工程分会副理事长、中国建筑学会地基基础分会副理事长、上海市力学学会岩土力学专业委员会主任。

国际地质学界认为“19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪则是开发利用地下空间的世纪”。
本文将从以下8个部分介绍地下空间建设策略:
一、地下空间发展现状
二、地下空间建设难点
三、地下空间建设手段与方法
四、地下空间建设技术经济性
五、大型地下空间的建设
六、逆作法
七、既有建筑地下空间开发
八、地下空间建设风险防范

一、地下空间发展现状


城市发展空间由地面及上部空间向地下延伸,是世界城市发展的必然趋势。地下空间是解决“城市综合症”的有效途径,对城市的发展具有不可替代的作用。

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地下空间是指地表以下,比如地下商城、地下停车场、地铁、矿井、军事、穿海隧道等建筑空间。

发展地下空间可以,
  • 提高土地利用效率,节约土地资源
  • 扩充基础设施容量
  • 有效缓解城区交通压力,减少地面噪音
  • 保护历史建筑
  • 增加地面绿地面积,改善城市环境
  • 提高城市总体防灾抗毁能力

下图是一张比较典型的从浅层到中部到深部的一个地下空间应用的例子。

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浅层地下空间基本就是人行通道、地下商场、地下停车库以及综合管廊;再往下是城市基础设施、地铁隧道、越江隧道、城市隧道等;更深层的是目前很多城市正在开发建设的海绵城市,深隧排水系统;此外,还有一些化学废料储存、地下武器库等。跟民用相关的基本上是在50米-60米的深度。
 
地下空间的发展,从城市建设角度来讲,
 
1.规模越来越大
1)天津于家堡金融起步区一期项目基坑面积:20万㎡
 
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2)天津高新区软件和服务外包基地综合配套区中央商务区基坑面积:30万㎡

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3)上海徐汇滨江西岸、梦中心“九宫格”项目基坑面积:15.7万㎡
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2.深度越来越深
1)上海世博500KV地下变电站开挖深度:34米

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2)上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程隧道深度:55-60米
 
 
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3.功能日趋复杂
1)南京江北新区中心区地下一期项目地下空间面积为100万㎡,功能包括地下商业、地下停车场、地下行车系统、地铁四线四站四区间及地下综合管廊。
 
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2)郑州龙湖金融中心外环建筑群项目地下空间面积为121万㎡,功能包括地铁、地下环路、隧道、地下停车库及地下综合管廊。
 
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二、地下空间建设难点



地下空间位于地层里面,与地表条件关系密切。我国幅员辽阔,各地区地质条件复杂,差异巨大。

我国沿江沿海,开发规模较大的几个城市,地层差异比较大。但基本上浅层都是软土,比如南京、武汉,下面进入了基岩。

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也就是说,地下空间的建设必须伴随着不同的地质条件。而不同的地质条件,我们所采取的技术措施,差异是非常大的。

以上海为例,上海土质比较软,跟宁波、天津比较接近,那么在上海地区建设地下工程难度就比硬土地区难得多。因为地下水位高,土质非常软弱,建设过程中发生灾害的影响程度及可能性较大。

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不同的地质条件导致了地下施工的难点。
 
难点1:造价、工期不确定性

地下空间工程建设规模大、周期长、与降水等气候条件密切相关,影响因素众多,使工程造价及工期具有较大的不确定性。
各地工程地质、水文地质条件复杂多变且地下结构施工难度较大。
工程往往地处城市中心,周边环境复杂,环境保护要求高。

难点2:安全风险大

保证基坑安全,防止出现基坑失稳、坍塌等事故发生。
控制基坑各阶段变形及周边土体变形,保证基坑周边环境安全。

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难点3:不同方案的造价、工期差异大
这里举三个例子。

1)上海虹桥交通枢纽,当时对比了很多方案,最终用了一个非常优化的方案,从工期到造价都非常节省。

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2)南京德基广场二期项目,采取裙楼逆作、塔楼顺作的方法,对于裙楼的造价和工期控制的非常好。
 
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3)这是一个比较大的项目,5万㎡的投影面积,采用中心岛顺作、周边环板逆作的方法,造价与工期都得到优化。

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三、地下空间建设的手段和方法



1.基础工程
天然地基——适用于地基承载力满足上部结构荷载要求
桩基础——适用于地基承载力或水浮力无法满足计算要求

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基础工程中,大量使用泥浆护壁钻孔灌注桩和预制桩。
 
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钻孔灌注桩的特点:
  • 工艺简单,就地灌注成孔、无噪音
  • 大量泥浆排放
  • 成孔过程容易发生坍孔现象,导致桩身形态较差(扩径或缩径)
  • 成孔过程容易在桩底沉积虚土(沉渣), 清理不彻底影响桩基承载力
  • 水下浇筑混凝土,桩身质量不易控制(夹泥)

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高强预应力混凝土管桩的特点:
  • 工业化生产
  • 施工机械化程度高
  • 桩身混凝士强度高达到C80以上,单位承载力造价低
  • 符合设计标准化、构件部品化、施工机械化为特征的建筑工业化的发展
  • 当前主要采用锤击或静压工法施工,存在挤土效应,且锤击噪音大,限制了其在中心城区、邻近地铁等敏感环境区域的应用

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上述是两种国内应用较多的桩基,下面介绍一个新技术——植桩工法。

植桩工法:
  • 先采用专用搅拌钻机对土体进行钻进、 搅拌、注浆
  • 然后靠振动、锤击或仅靠桩身自重将预制桩植入钻孔内,水泥土固化后形成水泥土包裹刚性桩体的植入桩
  • 解决传统预制桩环境影响大且砂层等硬地层中施工困难问题
  • 解决传统钻泥浆护壁孔灌注桩塌孔、沉渣控制难等问题
  • 承载力可靠、 环境影响小、节能降耗
 
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植桩工法是目前桩基技术发展的一个方向,优点包括可以使用高强度混凝土、混凝土用量只有20%-40%、对环境影响最少等。
 
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2.常规项目基坑设计
1)周边围护墙+锚杆支护:

常见的周边围护体形式有:钻孔灌注桩、地下连续墙、型钢水泥土搅拌墙等
可形成施工大空间,但应用锚杆应注重红线问题,促成了锚杆可回收,这就解决了出红线问题。

在目前的工程建设里面,经常会遇到之前施工残留的锚杆成为现在施工的障碍物。当然可回收锚杆还在发展,相应的一些标准已经形成。
 
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例如济南普利门项目采用锚杆支护,基坑较开敞。
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2)周边围护墙+内支撑(多用于软土)
常见的内支撑技术:钢筋混凝土支撑、钢支撑

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这里介绍一个内支撑新技术:装配式大跨度预应力钢支撑技术。

装配式大跨度预应力钢支撑技术

1)技术特点:
  • 鱼腹式钢支撑、组合式钢支撑
  • 由标准钢构件组成,使用螺栓装配
  • 通过对撑、角撑或鱼腹式梁等杆件施加
  • 预应力,实现基坑围护结构的变形控制
  • 是一种装配式、易拆卸、可重复使用的支撑体系

2)相比传统钢支撑优势:
  • 现场装配螺栓连接,无需焊接
  • 大大增加了挖土空间,显著缩短基坑施工工期
  • 材料全部回收重复使用,降低造价
  • 预应力鱼腹梁、组合对撑可调节预应力,控制基坑变形

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3)体系组成:
  • 水平支撑:对撑、角撑、鱼腹梁、腰梁、连接件等
  • 竖向支承:立柱、立柱桩、托梁
 
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4)标准化构件:

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成都绿地蜀峰大厦项目,整个基坑采用了钢筋混凝土支撑、锚杆,靠近地铁区域采用了三道支撑,因为成都土质是膨胀土,在膨胀土里做锚杆存在很多需要注意的问题。
 
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从基坑设计上看,常见的围护方式:SMW工法桩、灌注桩、地下连续墙

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目前,也有很多新工艺。

围护新技术:超深等厚度水泥土搅拌墙技术
  • 根据不同成墙工艺,等厚度水泥土搅拌墙技术包括TRD工法、SMC工法
  • 相比水泥土搅拌桩,水泥土搅拌更均匀,芯材布置灵活,深度提高一倍(达80m),强度提高一倍以上(达1~5MPa),工效提高逾50%
  • 相比钢筋混凝土地下连续墙,墙体连续,工效提高逾50%,能耗显著降低,造价降低逾50%

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超深等厚度水泥土搅拌墙技术先进,深度达到80米,为深大地下空间开发深层承压水控制及型钢水泥土搅拌墙技术的发展提供了新对策。
 
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四、地下空间建设的技术经济性


1.地下空间深度的确定因素
  • 统一规划问题(区域统一、上下统一)
  • 内外交通组织问题
  • 人员活动空间的环境问题
  • 安全问题
  • 土建工程问题
  • 土建工程问题:
  • 不同深度条件下地下结构、基础工程的技术经济性
  • 不同深度条件下基坑工程的技术经济
 
要讨论技术经济性,必须考虑地下工程埋深之后所受的水土浮力、环境条件所带来的改变、对构件产生的影响、对结构体系产生的影响以及随之而来产生的变化,进行技术经济分析。
 
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随着地下空间深度增加,使用面积变大,建设周期增长,侧向水土压力增大,竖向荷载改变。
 
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技术经济分析也需考虑地质条件。要根据不同的条件采用不同的技术。

1)水平支锚体系
随着基坑开挖深度的增加(土层,周边环境相同情况下)
水平支锚体系增强,支撑(锚杆)道数增多、截面增大
 
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五、大型地下空间的建设



现在更多是多地块相连的建设,涉及到整体、分区带来的利弊分析。
 
多地块相连的综合性大型地下空间的建设解决方案包括多地块合并整体实施、地块分区独立实施。

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多地块相连的综合性大型地下空间的建设有两种开发模式:

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先道路地下空间开发,后地块开发。为后世博地块开发和运营创造了良好的条件;各地块由不同开发商分别建设,地块出让和开发进度各异。

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先地块开发,后道路地下空间开发。

  • 由政府组建的建设公司对地块和道路地下空间统一规划、设计和建设
  • 地块建设先行,可尽早出建筑形象,有利于招商引资
  • 地块基坑施工无需考虑对道路地下空间的保护,造价相对较经济

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临地铁地下空间建设:地下室退界、减层
 
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六、逆作法



逆作法:利用主体工程地下结构作为基坑支护结构,并采取地下结构由上而下的设计施工方法。

逆作法可设计为不同的围护结构支撑方式,分为仅逆作地下结构、上下同步逆作、部分逆作法等多种形式。
 
仅逆作地下结构
上下同步逆作法
部分逆作法:
按平面分:
  • 主楼顺作一裙楼逆作
  • 周边逆作一中心岛顺作
按立面分:
  • 盖挖逆作
  • 跃层逆作

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优点:
  • 节省临时支撑体系费用
  • 水平刚度大, 有利于控制基坑变形
  • 首层结构梁板可作施工平台
  • 上下同步施工,可节省总工期
 
适用情况:
  • 大面积的深基坑工程
  • 基坑周边环境条件复杂,对变形敏感
  • 施工场地紧张
  • 工期进度要求高
 
上海世博500KV地下变电站项目位于上海,深度较深,又处于中心城区,希望把变形控制好,所以采取逆作法。
 
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南京青奥中心双塔楼项目采取了上下同步逆作法,基坑开挖到基底时,两座双子塔已经施工到17层,有效缩短工期。
 
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上海国际金融中心项目采用了塔楼和地下结构交叉逆作法,达到地下工程完成,三座塔楼的地面结构工程同步完成。

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目前,我国逆作法行业标准2019年已经开始实施。逆作法是一个很好的技术,在城市环境下,可以降低工程造价,节约城市资源,减少对环境影响。


七、既有建筑的地下空间开发



既有建筑地下空间开发的目的:
  • 既有建筑尤其是历史建筑区域是城市最为活跃的重要区域
  • 既有建筑地下空间的缺位成为影响城市发展的短板
  • 随着经济与城市发展和人们需求的提高,中心城区既有建筑物的使用功能逐步面临新的需求
  • 解决既有建筑停车困难和配套商业面积受限问题,通过地下空间的配置让老建筑发挥新生命
 
既有建筑地下空间开发的方法:
  • 既有建筑基础脱换+新建地下室
  • 既有建筑平移+新建地下室
  • 既有建筑顶升+新建地下室

既有建筑平移+新建地下室案例:正广和大楼项目

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八、地下空间建设风险防范



地下空间建设的不确定性:
  • 地质条件复杂,各地区地质条件差异大
  • 对岩土物理力学性状的认知相对有限
  • 岩土工程建设具有一定的经验性;
  • 基坑工程破坏带来的后果
  • 基坑工程过大变形带来对周边环境的影响
  • 地下水控制失效带来对周边环境的影响
 
安全风险:
  • 保护基坑安全,防止出现基坑失稳、坍塌等事故发生
  • 控制基坑各阶段变形及周边土体变形,保护基坑周边环境安全

地下空间建设策略,建议收藏!_62基坑工程破坏案例:
 
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 基坑工程过大变形产出环境影响案例:
 
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如何进行风险控制:

1)完整的设计依据性文件,控制设计成果质量
 
2)现场技术问题的及时处理。各方设计施工、检测监理、勘察及业主方,现场发现的一些隐患及时处理。
 
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3)关键节点的现场控制

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4)信息化施工。利用现代技术,实时反馈现场情况,使设计师在及时了解现场情况,发现风险点,从而控制风险。
 
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以上内容来自2020中国项目管理高峰论坛王卫东先生的主题分享《地下空间建设策略》。

王卫东先生的分享聚焦了城市地下空间开发中涉及的相关工程问题,结合工程实践,从地下空间的发展现状、建设难点、建设手段和方法、技术经济性、大型地下空间开发的策略、地下空间建设新方法以及建设过程中的风险管控等各个角度对城市地下空间开发的工程问题及解决方案进行了系统的阐述,受到了热烈反响。
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▲ 主持人对话王卫东:工程建设面临的难点和风险控制


 主持人:随着地下空间开发越来越深,工程建设面临的问题也越来越多,希望您能总结一下工程建设面临的难点和风险控制。
 
王卫东:地下工程现在确实,包括建设规模、建设体量、建设深度都在增加,参建方也比较多,水平参差不齐。

地下工程实际上很多是掩蔽工程,所以地下工程总体上施工质量、过程的控制非常关键,掩蔽工程需要按照图纸做到位。这是目前比较重要的问题。
 
主持人:针对这些难点需要如何进行风险控制呢?
 
王卫东:前端是设计,设计要结合很多不同的地质条件、不同的保护要求、结合相应的规范标准,同时要了解熟悉新技术、新工艺,这些都配合起来,才能解决相应的安全问题。
 
此外,对于大型地下空间建设,一定要分区域,每个区域有不同的经验方法,带来的结果可能差异比较大,因为我们全国各地都在做项目,经常有建设单位的问我“这个地方为什么不能采用那个方法来做”,实际上不同地区有水文地质的差异,变化较大,需要结合地区条件。
 
主持人:感谢王卫东先生的分享。

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平平老师

北京  | 建筑设计

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