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。
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,
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。
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㎡
3)上海徐汇滨江西岸、梦中心“九宫格”项目基坑面积:15.7万㎡
2.深度越来越深1)上海世博500KV地下变电站开挖深度:34米
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
基础工程中,大量使用泥浆护壁钻孔灌注桩和预制桩。
钻孔灌注桩的特点:
高强预应力混凝土管桩的特点:
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:
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。
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。
例如济南普利门项目采用锚杆支护,基坑较开敞。
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
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:
2)相比传统钢支撑优势:
3)体系组成:
4)标准化构件:
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。
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
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
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。
1.地下空间深度的确定因素
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。
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。
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
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。
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:
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。
先地块开发,后道路地下空间开发。
临地铁地下空间建设:地下室退界、减层
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:
按立面分:
优点:
适用情况:
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。
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。
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。
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。
既有建筑地下空间开发的目的:
既有建筑地下空间开发的方法:
既有建筑平移+新建地下室案例:正广和大楼项目
地下空间建设的不确定性:
安全风险:
基坑工程破坏案例:
基坑工程过大变形产出环境影响案例:
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。
3)关键节点的现场控制
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。