成都綠地中心468深基坑工程設計施工創新技術研究及應用高巖川二零二零年十月主要內容一、項目概況二、水文地質、工程地質概況三、基坑支護設計四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土一、項目概況綠地中心T1塔樓建成后高度將達到468米，根據目前已有的超高層建筑來看，建成后的該塔樓將成為世界第七西部第一高樓。我公司承擔了該項目的勘察、基坑設計施工及地基基礎施工任務。該項目對工程勘察要求很高，基坑大面積開挖深度達37.5米，樁基單樁設計荷載4500噸，其基坑深度和樁基單樁承載力在成都乃至整個西南地區都絕無僅有。另外基坑與現有成都地鐵2號線最近距離僅4.5m，工程又處于目前成都基坑事故頻發的膨脹土地區，這些都增大了工程建設的難度。考慮上述情況，在綠地中心工程勘察、基坑支護和地基基礎施工中，將科研與生產相結合，通過科研真正解決工程生產中遇到的一系列問題，取得了較好成果。一

、

項

目

概

況基

坑

工

程

概

況

基坑規模

基坑面積約為2.2萬m2，周26.4長約為638米(mm)基礎厚度自然地坪標高區域基底標高挖深(m)28.9基坑面積2.2萬平方米普遍裙樓

基坑安全性等級為一級15002500150045002500-28.900-29.900-28.900-31.900-29.90024.4區域高地勢區域+0.000-5.50023.4T3塔樓區域29.928.9普遍裙樓區域23.424.4普遍正常地勢區域T1塔樓區域29.926.4T2、T3塔樓區域24.4一、項目概況（1）

基坑北側為雙向十車道的驛都大道，為成都市區交通主干道，道路下方為地鐵二號線軌道，地鐵A、B出口緊鄰基坑邊線。一、項目概況（2）

基坑西側為已建椿樹街，道路寬約20m，道路下方管線復雜。一、項目概況（3）

基坑東側為在建楠木街，其中道路南段已建完成，北段待建，施工過程中該地段為辦公區域。一、項目概況（4）

基坑南側為待建杜鵑街，道路寬25m，距離地下室外墻約5m。二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

概

況膨脹土

地層分布

第白

四堊

系

全中上

新、統

統下灌

人更口

工新組

填統(

K

土冰

)(水泥Q沉巖積)

層(Q2-1fgl)ml2g4二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

概

況

地層分布

東側地質展開圖基

底

標

高

4

9

8

.

0

0基

底

標

高

4

9

8

.

0

0基

底

標

高

4

9

8

.

0

0二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

概

況

物理力學參數

抗剪強度指標二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

概

況

物理力學參數

泥巖強度指標二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

概

況

物理力學參數

基坑支護設計參數匯總二、工程地質、水文地質概況水

文

地

質

概

況

三大類三個含水層本工程場地地面平均標高約524.20m，本工程場區近50年的最高地下水位標高約517.00m左右二、工程地質、水文地質概況特

殊

巖

土

評

價場地內分布的特殊巖土主要為膨脹巖土，在工程建設中往往引發基坑垮塌、地坪隆起、墻面開裂的不良后果。故在地基基礎和基坑支護設計、施工中，應予以充分的研究和考慮其不利的影響。根據本次勘察對場地分布的巖土層進行的脹縮性試驗結果，按《膨脹土地區建筑技術規范》(GBJ112-87)的分析評價其脹縮性，巖土的自由膨脹率平均值為40.3%～45.8%，均屬膨脹性土，具有弱膨脹潛勢。場地地處的成都地區的大氣影響深度為3.00m，大氣急劇影響深度為1.35m，經計算，地基分級變形量Sc在12.8～18.1mm，膨脹土地基的脹縮等級為Ⅰ級。粘土的膨脹力25.2～100.9kPa，平均值為57.8kPa。場地分布的泥巖，膨脹力5.3～21.2kPa，平均值為13.2kPa。自由膨脹率在20%～68%，平均值在45.5%，為膨脹性巖，具有弱～中等膨脹潛勢。但其膨脹力相對較小，且埋藏較深。通常對工程影響較小。但隨著基坑深度的開挖，其崩解性、軟化性和膨脹性需進一步重視。二、工程地質、水文地質概況工

程

地

質

條

件

小

結

綜合場地內地質情況，建筑場地地貌上屬于成都平原岷江水系Ⅲ級階地，為山前臺地地貌，地形有一定起伏。

本工程基坑開挖影響深度范圍內，淺層分布主要為粘土層、粉質粘土及含卵石粘土層，基底基本處于強風化及中等風化泥巖層。

本場地內分布的粘土、泥巖均屬于膨脹性巖土，具有弱膨脹潛勢，在基坑支護設計、施工中，應予以充分的研究和考慮其不利的影響。三、基坑支護結構支護設計設計方案及優化綠地中心基坑支護工程由我公司與華東建筑設計院聯合設計。我公司依托成都地區基坑支護多年經驗對原有設計方案進行了優化。按照原設計方案，基坑支護樁樁長受地勢變化控制，T1塔樓區域設置三道內支撐，T2、T3塔樓區域設置三道圓環內支撐。在保障基坑安全的前提下，調整了支護方案，將T2、T3塔樓基坑由原有的三道內支撐減少至一道內支撐，并通過預應力錨索控制支護樁變形，同時將場地內高地勢一側原有支護樁改為放坡+支護樁結構，每根支護樁至少減小5m樁長，通過優化設計，不但節約工程造價逾千萬元，同時還得到了更寬松的施工場地環境三、基坑支護結構支護設計T1塔樓468mT2塔樓133mT3塔樓133m三、基坑支護結構支護設計T1塔樓，基坑采用三道內支撐支護，基礎采用樁基礎T2、T3塔樓，基坑采用一道圓環撐+四道錨索支護，地基基礎采用大直徑樁復合地基三、基坑支護結構支護設計支錨體系設計

內支撐設計

首道支撐三、基坑支護結構支護設計支錨體系設計

內支撐設計

二、三道支撐四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹土基坑事故是目前成都地區最大的基坑問題，由膨脹土引發的基坑事故占到成都基坑總事故的80%以成都膨脹土基坑事故照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究目前膨脹土基坑主要存在問題：①規范的缺失。現有的膨脹土相關規范對膨脹土基坑邊坡支護設計沒有具體指導內容。②膨脹特性試驗方法的局限性。目前膨脹特性試驗結果只能用于膨脹土分級，無法提供具體設計參數。③采用參數折減法設計的問題。目前設計中大多采用折減巖土參數來考慮膨脹土影響，缺乏理論依據，只能依靠經驗取值，實際應用中基坑事故頻發。④膨脹荷載無計算方法。目前對于基坑邊坡膨脹荷載仍沒有一種合理的計算方法。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究綠地中心項目正好處于成都膨脹土地區，因此以項目為依托開展了膨脹土基坑支護設計方法的研究。通過在現場埋設大量的應力變形測試元件，分析基坑邊坡膨脹荷載分布特征，針對膨脹土基坑支護理論、設計方法展開了研究，并提出了全新的濕度場-膨脹荷載計算理論和設計方法，將膨脹土基坑支護設計由原有的經驗性設計變為具有理論支撐的科學設計當中。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究在綠地中心項目中，投入了近300萬科研經費采用多種測試方法在現場埋設了大量的監測元件，對基坑支護結構、周邊巖土體受力、變形特征進行了長期監測，在監測內容中還包括了很多全新的測試內容，如巖土含水率變化測試等。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究巖土中測斜管埋設四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究土體測斜測試四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究支護樁測斜管安裝四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究混凝土應變計安裝四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究在開展現場監測的同時，還對膨脹土室內試驗方法進行了改進。現有的膨脹土試驗方法只能得到土體的最大膨脹特性，而不能得到膨脹土不同含水率情況下的膨脹特性，因此對現有的試驗設備進行了改造，并提出一種不同含水率條件下的膨脹特性測試新方法。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究新的試驗設備可實現任意試樣不同含水率下的膨脹力測試。膨脹土膨脹特性試驗設備四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究試驗盒詳細圖四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究采用新的試驗方法可測得膨脹土含水率-膨脹力曲線。下圖為成都地區膨脹土試樣試驗結果。初始階段膨脹土吸水產生的膨脹力很小，到一定含水率后呈線性逐四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究開展室內外模型試驗研究，進行不同降雨條件下膨脹土基坑邊坡含水量變化特征測試試驗，分析不同降雨量情況下膨脹土邊坡含水量變化及巖土膨脹變形特征測試。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究成都膨脹土膨脹力與初始含水率關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究不同方法得到的膨脹力與含水率增量關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究成都膨脹土黏聚力與初始含水率關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究成都膨脹土內摩擦角與初始含水率關系四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究室內試驗基

坑

頂

部樁基

坑

底

部黃

色

成

都

粘

土紅

色

成

都

粘

土模型原型示意圖模型槽實物圖

(長×寬×高=3.7m×0.8m×1.0m)四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究室內試驗入滲深度隨時間變化曲線坡后8cm處土體濕度變化值-深度關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究室內試驗坡后25cm處土體濕度變化值-深度關系曲線坡后15cm處土體濕度變化值-深度關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究室內試驗入滲深度隨降雨強度關系曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究現場試驗坡

頂

面含

水

率

測

試

孔

位坡

底

面土體含水率測試布置圖四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究現場試驗膨脹土邊坡降雨條件下含水率變化現場試驗四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究現場試驗膨脹土邊坡降雨條件下含水率變化現場試驗四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹巖土基坑邊坡濕度場分布研究現場試驗總結模型試驗、現場試驗及數值模擬的結果，降雨條件下，基坑邊坡坡后浸潤線的分布形態如下圖x1節

點

1yr2rL

-

坡

頂

面

入

滲

深

度節

點

2L

'-

坡

面

垂

向

入

滲

深

度浸潤線形態示意圖四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究考慮降雨入滲深度的關鍵參數是飽和滲透系數和裂隙深度，成都地區降雨的最不利工況，即降雨時間長、降雨強度大時，得到成都膨脹土基坑邊坡坡頂面降雨入滲深度的計算方法可繼續化簡為L

1

.0

7

6

6

S

3

1

0

k

2

38S（1-1）式k

中：

-坡頂面裂隙深度，單位cm-飽和滲透系數，單位m/sL

'

1

.0

7

6

6

S

'

3

1

0

k

1

28同理得到直立邊坡坡面位置入滲深度可簡化為S

'（1-2）式中：

-坡面裂隙深度，單位cm式（1-1）、（1-2）可應用于勘察設計階段對入滲深度的取值四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究為研究膨脹力場的分布，分別計算降雨工況下未考慮膨脹土效應基坑模型的邊坡模型以及降雨工況下考慮膨脹效應膨脹土基坑模型，兩者計算模型的邊坡應力場的差值，即為膨脹土吸水膨脹力分布曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究不同初始含水率條件下膨脹力分布曲線不同入滲深度條件下膨脹力分布曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究膨脹力與入滲深度變化關系膨脹力與初始含水率變化關系四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）膨脹土基坑支護設計方法研究基

坑

頂

面h1

=

7

8

4

5

h

+

4

4

2

8

0

8

+

3

9

7

511p

=

2

8

1

8

3

0

+

6

6

2

22p基

坑

底

面h2成都膨脹土基坑邊坡膨脹力分布曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）成都膨脹土地區基坑支護設計方法研究右圖為基于基坑邊坡土體含水率變化規律的邊坡膨脹荷載計算方法，通過確定出坡頂膨脹荷載最大自由變形深度和基坑底部膨脹荷載最大影響深度，確定出基坑邊坡的膨脹荷載分布規律和大小。在綠地中心基坑支護設計中采用了該計算理論來考慮膨脹土荷載，基坑邊坡安全可靠，未出現事故問題。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）成都膨脹土地區基坑支護設計方法研究上述研究的主要成果和創新點：1.研制了一套單土樣持續/階段吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數全過程曲線測試的試驗裝置。2.完成了用于測試單土樣持續/階段吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數全過程曲線測試的普通土工三軸儀的改制。3.提出一種新的測試膨脹土含水率-膨脹特性全過程曲線的單土樣試驗技術。4.建立了適用于成都地區膨脹土基坑邊坡降雨入滲深度的經驗公式。5.提出了一種基于濕度應力場理論的工程實用型膨脹土彈塑性本構模型，并通過二次開發嵌入FLAC3D計算軟件對不同工況下的膨脹土基坑邊坡進行數值分析，獲得了膨脹土基坑邊坡膨脹力場的分布特征。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（一）成都膨脹土地區基坑支護設計方法研究上述研究的主要成果和創新點：6.基于濕度應力分布特征，采用微層力學分析、靜力平衡、莫爾強度理論等方法推導了非極限條件下膨脹土基坑邊坡主動、被動土壓力計算公式，建立了以濕度場膨脹力為基礎的膨脹土基坑邊坡土壓力計算理論。7.完成現場原型膨脹土邊坡淋水濕度場分布測試試驗；8.完成基于研究成果的現場原型膨脹土邊坡性狀監測驗證性試驗；9.從工程的勘察、設計、施工三個階段出發，提出了一套適用于膨脹土基坑邊坡的支護設計理論。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（二）基坑監測新技術為了保障基坑開挖過程中的施工安全，在施工過程中必須進行施工變形監測，目前的監測手段只能達到先變形后監測，因此整個過程就是：先基坑變形，后監測報警，再支護加固。在綠地中心項目中，引入了新型的監測技術手段，改變了傳統的監測模式，變監測報警為監測預報，通過觀察基坑邊坡巖土含水率等指標變化情況在基坑變形之前即可發出警報，使得基坑支護結構在變形之前基坑得到有效的控制，較過去的監測手段更先進、更安全。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（二）基坑監測新技術埋設濕度測試元件，監測基坑巖土體含水率變化情況，及時掌握基坑邊坡安全度。濕度計（含水率測試）濕度計安裝照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（三）基坑信息化施工綠地中心項目基坑施工工作中，采用了信息化生產模式，利用BIM技術對施工過程進行指導，在施工前利用BIM技術對整個施工過程進行了模擬，發現施工過程中可能存在的問題，更早地發現施工中薄弱環節，優化改善施工方案。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（三）基坑信息化施工利用BIM技術，對施工中可以出現的重載車輛與支護結構間的碰撞、鋼筋與立柱間的碰撞都進行了分析，根據分析結果對結構物進行了加固或調整。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（三）基坑信息化施工采用BIM技術對整個施工過程進行模擬，更早地發現施工中薄弱環節，優化改善施工方案。格構柱影響錨桿的施工空間多結構間鋼筋交叉問題四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（三）基坑信息化施工地基基礎信息模型可以同建筑模型實現整個建筑的信息數據對接和展示。基坑結構信息數據模型展示四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（四）降水自動化控制在綠地中心采用了中建總公司研發的智能降水系統進行基坑降水工作，由計算機自動控制降水水位，避免了過度降水造成的周邊路面沉降問題，保護了環境。智能降水系統信號采集箱監測數據界面四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究玄武巖纖維復合筋是以玄武巖纖維為主材的一種新型非金屬復合材料。玄武巖纖維材料項目連續在2002年8月被列為國家863計劃，2004年5月列入國家級火炬計劃。具有強度高、質量輕、綠色環保和抗腐蝕等優點。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究我公司在綠地中心基坑支護工程中開展了玄武巖復合筋材在巖土工程中的應用研究課題，采用室內試驗、現場開展大型邊坡破壞性試驗和邊坡長期監測試驗等方法，對玄武巖纖維筋材的物理力學特性、錨固特性試驗、抗腐蝕性、設計方法、筋材連接與配件研發、現場應用和長期監測試等內容展開了研究。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究玄武巖纖維復合筋材研究技術路線圖玄武巖纖維復合筋材錨固性能及應用技術研究基本物理力學試驗密度試驗線膨脹系數試驗耐候性試驗抗拉、剪試驗蠕變松弛試驗抗凍試驗水泥基類錨固試驗與水泥砂漿試驗與混凝土試驗相關配件研發試驗應用效果研究錨桿工程應用連接配件研發錨固配件研發粘結劑試驗支護樁工程應用抗浮工程應用玄武巖筋材錨固技術與應用研究成果四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究筋材試驗表明，筋材抗拉強度在900~1100MPa之間，遠大于普通鋼筋。筋材破壞照片應力應變曲線四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究筋材粘結性能試驗結果表明，筋材直徑越大則粘結強度越小。常用工程錨桿M20和M30砂漿粘結強度約為5MPa，C30混凝土粘結強度約8MPa。粘結特性試驗試件粘結特性試驗照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究腐蝕性試驗結果表明，筋材在飽和酸堿溶液的長期浸泡下形態完整，實測耐堿強度保留率平均值為96.0%，耐酸強度保留率平均值為92.6%。堿溶液腐蝕試驗酸溶液腐蝕試驗四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究將玄武巖復合筋材物理力學特性與普通鋼筋進行對比，從對比結果中可以看出，玄武巖筋材各項性能四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究在綠地中心場地內開展了大型邊坡現場試驗，試驗邊坡開挖深度9m，邊坡中新近填土層采用1:1放坡，局部土釘支護；填土以下則全部采用玄武巖纖維錨桿或鋼筋錨桿支護（對比），水平間距與豎直間距均為1.5m，開挖坡率1:0.5。四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究平面圖剖面圖四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究測斜孔布置平面圖四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究測斜管安裝照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究現場試驗邊坡照片1四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究自然邊坡試驗區（已破壞）鋼筋錨桿試驗區玄武巖錨桿試驗區現場試驗邊坡照片2四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究堆載破壞試驗方案四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究坡腳浸水照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（5）玄武巖纖維復合筋材應用研究試驗邊坡人工誘導破壞照片四、基坑支護創新技術研究與綠色巖土（五）玄武巖纖維復合筋材應用研究玄武巖錨桿支護邊坡與鋼筋錨桿支護邊坡變形測試