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岩土研究院

专家观点 | 不可忽视的地下工程风险

80 2024-02-24 11:48:40
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随着城镇化发展步入2.0时代,增量的城市建设需求依然存在巨大的发展空间。然而,在城市化发展了数十年后,城市的地下已经演化成了一个复杂的“系统”,不但有地铁、隧道、大型雨污泵站等施工中必须进行保护的公建配套,还有老旧建筑遗迹、复杂地质构造等额外风险项。


另一方面,在城市用地面积受限的客观条件之下,建筑空间惟有不断向上和向下拓展。地下工程的规模越来越大,满足施工所需的基坑开挖深度越来越深,结构桩基长度也越来越长,施工难度系数的上升呈指数级增长。


因此,地下工程风险必须引起高度重视,前期充分调研、论证方案可行性,施工阶段严控过程风险,让地下工程顺利完成,为地下结构安全施工、建筑功能实现提供保驾护航。



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盗墓笔记等文学作品的出世,让一众读者感受了地下空间的风险和不确定性。在房地产开发中,地下工程亦可谓风险指数最高的环节之一。以最核心的基坑作业为例,其涉及土木结构、地质情况、施工技术及装备选择等,影响它的不确定因素纷繁复杂,因此,深基坑施工也是业界公认风险级别较高的分部工程之一,稍有不慎就会酿成损失惨重的工程事故,甚至演变成巨大的社会舆论焦点事件。


行业统计显示,10%的基坑工程都出现过或大或小的事故;而高地下水位地区的事故率甚至可以高达30%以上。高风险和高难度主要源自以下四大原因:


01

又“大”又“深”,难度系数呈指数级上升

当前,住宅和综合体项目的产品设计趋势,决定了超大型基坑已愈发普遍:为了建筑整体性和内部空间体验感,越来越多的项目将超高层主楼与多层裙楼连成一片;为了缓解城市停车压力,地下车库的面积也越做越大;为了便利性,地下商业的设计也越来越多与地下交通接轨......这些设计,都意味着需要更大的基坑。


在行业领域,超过1万㎡的基坑就可算作超大基坑了,而近年来,超过5万㎡、甚至是10万㎡的基坑常见诸于项目。如昆明恒隆广场基坑开挖面积达5.3万㎡,无锡火车站北广场综合交通枢纽项目基坑开挖面积达12.5万㎡,上海虹桥交通枢纽工程的基坑开挖面积更是高达40万㎡。基坑的面积越大,对于支护结构的设计及施工,特别是基坑支撑系统的布置、围护墙的位移等控制,都带来了指数级上升的工程风险挑战。


不仅面积上“叠BUFF”加难度,在深度上,20-30m的超深基坑也愈发常见,有的甚至达到50m。如上海世博500kV 地下变电站开挖深度34m,润扬大桥南汊北锚碇深基坑的开挖深度达到50m,上海苏州河深层排水调蓄工程需求的竖井设计最大开挖深度达到70m。行业内有共识,超过10m就已经算是深基坑了,而20-30m的深度极有可能已经触达承压水层的突涌,其面临渗漏和沉降的风险将显著加剧。


02

地质复杂,“看不见的麻烦”无法预判

我国地域辽阔,地形地貌复杂多样,南北差异巨大,且地下环境无法一目了然,存在众多“看不见”、“不可预计”的潜在风险。在西南地区,地下可能多见岩溶、采空区、地震断裂带、软弱层等不良地质作用或灾害;而在沿海地区,则可能面临超软土地基、地下水系发达、土质松软等不利因素。除以上自然成因外,还可能面临众多人造成因,如深厚垃圾填埋、废弃砖窑等意想不到的“历史遗留问题”。越是复杂的地质情况,地下施工的难度和风险就越高。


案例:西南某商业综合体,地下惊现深厚泥炭层拦路虎

云南某商业广场项目基坑支护工程,地下四层,最大开挖深度达21m,基坑周长2000m,开挖面积约2.1万㎡。初勘报告Civil3D模型揭示场地存在深厚泥炭质土层,后期结合项目详勘数据建立EVS三维地质精细化模型进一步复核初勘模型数据,精确揭示了泥炭层的空间分布特征,对钻孔数据还原度接近100%,模型精度满足相关计算分析要求,将原先“看不见”地质风险“真实还原”。旭辉建管总部专家指导项目在结构桩基及基坑设计阶段借助于高精度三维地质模型,做出了准确判断和计算,通过合理的技术应对措施,在风险可控的前提下优化成本5000万元,又做到了保障项目的安全建造。


03

避让障碍多,螺蛳壳里做道场

地下工程施工,往往需借助于大型机械设备、制作及吊装地下连续墙钢筋笼骨架等超大超重构件,因此对施工作业面的大小和地基承载力要求较高。但真实情况下,项目要面对众多的场地限制,真正是在“螺蛳壳里做道场”,这对施工的策划和组织提出了极高的要求。


这种场地的限制,一方面可能因基坑边界紧贴用地红线,使得基坑周边无施工场地,甚至围护结构都难以施工;而更常见的情况,则是基坑要面临多种多样的地下避让物,如轨道交通设施、地下管线、隧道、天然地基民宅、大型建(构)筑物等,在地下作业的设计或实施过程中,均不得不对避让物“绕道”操作,稍有不慎则会带来不可挽回的损失,这类情况在上海、北京、南京、杭州等一二线城市尤为突出。


案例:某大型租赁社区项目,通过分区设计施工,成功如期完工,并满足避让地铁30m的保护要求

江苏某项目地块北侧邻近地铁轨道交通,最近处仅15m,相关部门关于地铁退让有明确要求,距离地铁附属设施30m范围内不得采用挤土效应的管桩。结合项目自身情况和严格的地铁退让要求,旭辉建管总部专家经过充分论证,决定采用分区方案进行基坑围护设计,并输以精细化施工管理和信息化基坑监测,最大化解决有限制的施工场地及地铁保护问题。项目将靠近地铁的北侧保护范围,设为安全等级一级,其余范围二级,针对不同安全等级范围,分别采取不同的围护桩型、止水和降水手段,在满足地铁有效保护条件的同时,科学高效地完成地下部分的施工,综合成本优化达400万元


04

外部管制、环境管控等不可控因素多

除了来自地下客观条件的风险外,基坑施工过程中还时常需要平衡外部管制、环境管控、全封闭施工以及其他特殊要求等,不可控因素较多。环境管控最易理解,在开发地下空间的过程中,可能引发诸多影响环境安全的问题,如水土流失、城市地面沉降、噪声、粉尘、突水涌泥等,很多城市都有严格的环保要求,是必须要遵守的。


此外,不同城市间,由于属地情况差异较大,也会在施工方面存在不同的政府管制要求。举例来说,在东北地区,往往从11月到次年3月为施工冬歇期,若地下的隐蔽工程无法在进入冬歇期前完工,则需要额外增加保护措施,否则会面临基坑“冻融破坏”风险,让前期投入“付之东流“。


案例:某项目采取软弱地基换填处理方案,成功完成桩基施工,避免了冬歇期不利影响

项目位于东北某省份,含住宅及商业配套,设满堂一层地下室。勘察显示,地块东南侧浅层含建筑垃圾回填杂填土和河塘回填,其下含粉质黏土,为典型的软土层,前期施工发现桩机无法进入此土层,预判地基承载力不足,强行施工存在施工机械倾倒风险。此时距离进入冬歇期,仅不到45天,若无法如期完成桩基施工,则可能面临高额的保护措施投入,造成费用增加、工期拖延,一旦保护不当,则可能面临地下施工推翻重来的风险。经过旭辉建管总部专家的仔细查验与科学论证,最终采取软弱地基换填的处理方案,在得到行业专家支撑的基础上成功如期完成桩基施工,避免了冬歇期对基坑的潜在不利影响,为项目节约建造成本近500万元。



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对于建筑,多数人更多关心的是建筑的形态,这也是最直观的印象。大家很容易忽视了一点,所谓万丈高楼平地起,建筑形态的实现需要强大的结构本体和地下底盘支撑,如果没有坚固可靠的地下底盘,再美好的建筑形态终究也只能停留在图纸上。基于我20多年项目实操“专业排雷填坑”经验,我觉得管控可以从以下三个维度入手:


01

合理设计、严格施工是控风险的基础

地下工程的施工设计首先需要考虑建筑建造所需的基坑深度,一般我们把大于10m的基坑称为深基坑,大于20m的基坑称为超深基坑。现在的商业综合体常常需要1-2层地下空间、外加2-3层地下停车场,这让深基坑和超深基坑在地下工程中愈发常见。


目前我国大部分深基坑工程仍采用常规的临时支护方法,即采用临时围护体如钻孔灌注桩挡土,设置多道内部水平支撑或外部锚杆。但是临时围护体如灌注桩工程费用巨大,而其在地下室建造完成后就退出工作并被废弃在地下,造成很大的工程浪费并形成既有的地下障碍物,为后续工程留下了严重隐患。


对于超深基坑来说,一般都会采用地下连续墙作为基坑围护墙,兼具挡土和防渗的双重功能。因此,以连续墙为代表的围护墙的合理设计是地下工程风险管控的决定性关键,尤其要重点关注连续墙的接头形式、墙缝的止水效果、墙体的密实性以及连续墙成槽过程中的槽壁稳定性。


值得一提的是,在经济合理的设计下,连续墙还可以作为主体地下结构的一部分(两墙合一),既增加地下空间使用面积,提升项目经济效益和价值,同时又保护环境并节约社会资源。具体的设计方案,必须根据项目的建筑设计,并结合场地的地质条件及避让障碍物的情况进行综合分析和定制化设计。


有了合理的设计后,施工阶段更要做好严格控制,从成槽设备的选择、到泥浆的指标管控,从地墙浇筑的连续性、到地墙接头的重点控制,每一个工法步骤都必须分毫不差地严格执行,并毫无遗漏地记录在施工日志上。围护墙施工完成后,还需要通过“声波投射法”对墙体的质量进行监测,避免局部混凝土不密实造成的漏水风险。


02

软土地区尤其要关注降水位、降压力

软土是一种区域性的特殊土,是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种粘性土,如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性饱和粘性土、粉土等。软土在我国沿海地区广泛分布,但在洞庭湖、鄱阳湖、洪泽湖等内陆湖区、平原地区也十分常见。软土作为相对不透水层,其下常常存在较多的承压水地层,一旦基坑开挖上部卸去原土体自重荷载,基坑底就比较容易形成渗漏通道,引发水土流失(流土、管涌),造成基坑突涌等事故,是地下工程常常遇到的风险因素。


对于这类软土地区的地下工程,降水(针对潜水)和降压(针对承压水)是两个必不可少的安全考量因素。降水是为了保证基坑内水位低于基坑底面至少50cm的作业面干燥要求,降压则是为了减少承压水向上的突涌压力(即承压水水头压力),确保施工作业及建筑主体地下结构的安全。


需要特别说明的是,降水和降压并不是越多越好。首先,这两个操作背后都是成本,降得越多也就意味着成本投入更大。更重要的是,地下水是一种需要保护的、重要的城市自然资源,过度抽取地下水会导致永久地面沉降和建筑物开裂、倾斜等不可修复的次生环境灾害。


所以,针对软土地下工程的降水降压方案,应该根据项目的具体情况进行定制,找到安全施工与合理成本的良性平衡点。以“按需降水”为原则,严控抽水量,减少对环境的影响,并在基坑内外布设较多的水位观察孔,动态监测水位变化,及时按需调整。降压一般是通过降压井来实现,要以“井多、井浅”为原则,尤其要监督施工和三方监测单位把信息化监测落实到位,真正发挥“信息化施工”的价值。


无论是降水还是降压,只有控制好合理的“度”,才能既保障地下工程的安全,又减少不必要的成本投入,这也是旭辉建管倡导“定制化”方案的原因。


03

加快施工进度,降低基坑变形失稳风险

土层是一种自然界千万年天然条件下形成松散的结构物质,不可能像钢铁和混凝土等人工材料一样可以随意定制生产并做到材料特性的稳定控制。因此,对于天然形成的原始地形地貌,基坑开挖施工破坏了其原有的自稳定与平衡状态,尽管采用了支护结构来维持整个受力系统的稳定性,但是基坑变形是一定会产生。


控风险的关键在于如何把基坑和周边环境的附加变形控制在一个合理的范围内,确保施工和环境的安全。当然,我们可以通过增加投入的方式,把基坑支护结构刚度做到无限大,但是,我们都知道基坑是一种给地下工程施工提供作业面的临时性结构,值得投入多少成本,是一个需要做经济性考量的重要因素。因此,基坑支护与开挖在确保安全的前提下,要做到成本少投入,这个既要又要的“伪命题”的解决之道也需要结合项目自身特性进行定制。


有了前期的设计合理、严格施工,并在过程中做好降水、降压与信息化动态反馈,一般来说是可以把基坑的变形风险控制在合理范围之内的。除了这些基本功,很容易被大家忽视的一点是施工进度。由于土层具有流变特性,一个临时性的挡土结构,其存在的时间越长,其风险也越大。在我职业生涯中遇到的很多基坑工程风险事故案例,都是与基坑开挖后长期停工、停工过程中对基坑的监控不严、措施不当有关。一个有着合理运营节奏的项目,不停工、不赶工,各项工序流水有序推进、合理搭接,也就自然减少了包括基坑失稳坍塌在内的各种风险事件的发生概率。



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这是我职业生涯中碰到的最复杂的地下工程风险处置项目,项目攻坚的过程也很好地体现了地下工程风险控制的关键解题思路。


01

三大地质风险挑战

项目位于长江岸边,总建面22万㎡,地上32层,地下4层,基坑深度最深达30m,最高建筑为两栋150m的东西双塔。项目规划及上部结构并不复杂,复杂的是三大地质难点:


① 地下有75m极差超大型溶洞。施工勘察后发现,该超大型溶洞位于西塔区域下方,最深处为地下135.5m。项目设计要求桩端以下5d(5倍桩径)范围内无不良地层,这意味着需要一根长度至少为140.5m的超长桩基。即使是中国第一高楼632m的上海中心,桩深不过80m。


②地震断裂带横穿,地质构造复杂。断裂带是典型的基坑施工“拦路虎”,大幅度增加了基坑坍塌、涌水突泥等安全风险。经勘查,断裂带中还存在泥岩和灰岩两种特性差异巨大的岩层构造,两种岩层交错啮合,模量差异达数百倍,令项目存在不均匀差异沉降的巨大风险。


③地处长江漫滩地貌,地下水系丰富。地下水是深基坑工程的天敌,是导致基坑工程事故常见原因;丰富的地下水极容易导致地基失稳,令上部建筑物存在倾倒风险。


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棘手的地质条件令项目陷入僵局,停工半年无法解题。之后,我有幸领导了专项工作组,在内外部专家的鼎力支持下,完成了项目攻坚。


02

142m超长桩设计创新

我们首先运用BIM技术立体建模,实现了三维地质模型的可视化,充分评估了溶洞的大小及空间分布。而后,我们针对挑战最大的超大型溶洞,在断裂带最薄弱部位,以3根超过130m的超长桩基进行“试成桩”。结合“试成桩”的结果和数据,从结构可行性、建筑效果、施工可行性等多维度进行综合平衡分析,对西塔避开溶洞的多方案进行比选。


最终,项目采用了“跨越悬挑筏板+超长桩综合受力”的基础设计方案:将包括3根超长桩在内的49根前端桩基作为悬挑筏板受力支点,形成超高层巨厚筏板基础悬挑。结合有限元多参数数值模拟,对桩基及底板受力效果进行优化分析、复盘和模型论证,进一步增加溶洞顶板区域深度的“弹簧桩”,作为岩溶发育区结构不均匀沉降控制的安全储备。


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在施工实施阶段,为保证桩基顺利穿越复杂地层,避免发生卡钻、掉钻等问题,还自主创新了一种牙轮钻头。最终顺利完成行业内没有任何先例的142m超长桩在内的1000多根工程桩成孔施工。


03

30m超深基坑施工创新

(1)80m超深地下连续墙施工

针对项目复杂地质条件,在BIM三维地质模型的基础上,对各道施工工艺进行可视化分析论证,优化成槽等关键工序方案,做到“事前控制、前端优化”。地下连续墙的实施采用三轴搅拌槽壁加固、旋挖钻机预先引孔、成槽机超深抓槽多机联合作战,在突破酷暑、台风汛期、环保管控等多个不可控特殊因素影响,91天完成95幅连续墙,以最高施工效率攻克岩溶地质环境超80m深地下连续墙施工难题。


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为保证地连墙钢筋笼吊装全过程的安全与稳定,项目利用BIM技术进行过程模拟,并结合Midas有限元软件,对钢筋笼不同吊装方案进行分析比选,考虑受力、变形、施工便捷性等因素,最终选用350t主吊和200t副吊配合作业,分别设置横向两道、纵向七道吊点,采用14吊点“双机抬吊”方式完成74t钢筋笼整体吊装入槽。同时,利用BIM技术精细化模拟地下连续墙施工过程,厘清施工重难点、明确施工质量标准,通过可视化交底、样板引路等措施保证施工质量。


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(2)超深基坑“栈桥—坡道—内撑体系”综合优化

通过模拟优化“栈桥—坡道—内撑体系”布置,实现一体化设计和一体化施工;通过增设两个下坑坡道,减少土方倒运动线长度,将原有垂直出土方式优化为平面作业,大大提升出土施工效率。


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(3)超深基坑土方开挖流水优化

项目结合Midas平面分析结论,将原设计基坑内支撑全封闭开挖方式优化为东西区半封闭开挖方式,实现土方与内支撑半区穿插流水作业,大大缩短了土体开挖卸荷时间,抵抗土体卸荷“时空效应”,实现基坑的变形控制。


04

项目实施效果

该项目已于2023年结构主体封顶并进入机电安装及装修阶段,沉降监测数据表明项目针对复杂地质条件所采取的技术措施的实施效果良好。在跨越地震断裂带的75m极差的巨大溶洞之上建高楼,这个看似不可能的工程极端挑战,最终被顺利攻破,成为行业内岩土与结构工程技术攻坚之成功典范!


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本文转自:旭辉建管