地铁基坑内支撑支护技术-杨金雷(2018年工程勘察学术会议)

石家庄地铁基坑内支撑支护技术杨金雷二零一八年六月中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司河北省地下空间工程技术研究中心第1页杨金雷研究员级高级工程师、一级注册结构工程师中国兵器工业北方勘察设计研究院副总经理中国勘察设计协会工程勘察与岩土分会企业发展工作部成员河北省工程建设标准化协会副秘书长河北省建筑信息模型学会常务理事河北省土木建筑学会工程诊治与质量控制学术委员会常务委员欢迎交流！第2页导言地铁已经修到“庄”里啦围护工程危险性重大、投资占比大支护方案优选、设计优化信息化技术应用石地铁2号线嘉华站基坑支护设计......第3页目录1234第4页工程概况石家庄城市轨道交通2号线一期工程北起西古城，南至嘉华站，全长约16.2公里，设站15座，其中换乘站5座，北端设西古城车辆段，南端设嘉华停车场，规划建设年限为2015年至2020年。第5页工程概况嘉华站位于胜利南街与嘉华路交口；西侧紧邻石南线铁路（11～18米），东侧有石家庄市染料厂，商脉陶瓷城、石家庄运输总公司加油站。第6页工程概况490m20.1mB出入口A出入口D出入口C出入口风亭风亭嘉华站车站形式为地下双层岛式车站，本站设置4个出入口和两组风亭，车站两端均设置盾构始发井，车站总长490.0m，标准段宽度20.1m，基础埋深约18～19m。第7页工程概况嘉华站典型剖面站厅层站台层第8页支护结构设计工程勘察采用了钻探、探井、原位测试、物探、室内试验等多种手段，对一定数量的土样、水样进行易溶盐分析和水质分析。原状土样采用对开式取土器，原状砂样采用专用取砂器。第9页支护结构设计岩土特殊指标热物理参数包括导热系数、导温系数、比热容。对保证地铁建筑良好的使用功能及降低工程造价和运行管理有着不可忽视的作用。静止侧压力系数反映地基中水平向应力的变化，推算出作用在结构上的压力分布及工程安全性。渗透系数综合反映土层渗透能力，用于渗透计算。基床系数(水平，垂直)通过室内固结试验，分析石家庄浅层黄土状土的湿陷性与基床系数的关系及变化特征。得出不同湿陷系数范围内，基床系数的变化趋势。无侧限抗压强度反映土层性质。动参数包括动弹性模量、动泊松比、动剪切模量。第10页支护结构设计地铁车站基坑支护的特点基坑周边环境复杂风险等级高施工场地狭小车站多设置在人口稠密、构建筑物密集地段，交通繁忙，地下管线复杂。风险源多，诱发事故的因素多。如果发生危险，社会影响大，经济损失大。多数车站施工场地狭小，不允许放坡大开挖，受交通等影响，分段施工，施工顺序复杂多样。地铁车站多为狭长型平面，宽度基本一致。平面相对标准第11页支护结构设计支护方案嘉华站采用钻孔灌注桩+三道内支撑的型式，内支撑第一道为钢筋混凝土支撑，下两道为钢管支撑。桩D800@1200mm钢筋砼支撑800×1000开挖深度约18~19m钢管支撑D630X16围护桩采用∅800@1200；第一道采用800mm×1000mm的钢筋混凝土支撑；第二道、第三道支撑及倒撑采用钢管D630，t=16mm;桩顶800mm×1000mm冠梁。2I45b钢围檩钢筋砼冠梁钢管支撑D630X162I45b钢围檩第12页支护结构设计支护方案第13页支护结构设计分析计算基坑安全等级为一级，变形控制标准：地面最大沉降量≤0.15%H且≤30mm；支护结构最大水平位移≤0.15%H且≤30mm。挡土结构主要采用平面杆系结构弹性支点法进行分析内支撑结构按受力杆件进行分析辅助有限元分析（主要用于基坑两侧荷载不平衡）第14页支护结构设计局部平面图（第一道混凝土支撑）第15页支护结构设计局部平面图（第二、三道钢支撑）第16页支护结构设计施工步序明挖顺做法倒边施工先主体、后附属自上而下分层、分段依次开挖先支撑、后开挖先倒撑、后拆除支护结构设计支撑平面、竖向合理布置，基坑阳角传力可靠盾构端头井部位设置钢管倒撑风险分析，风险控制措施基坑两侧荷载不对称时对结果的调整临铁路一侧灌注桩直径和配筋加强，第一道支撑采用钢筋混凝土撑桩分段配筋主要的技术措施第17页第18页支护结构设计存在的问题BIM技术应用BIM技术应用背景2014年7月住建部《关于建筑业发展和改革的若干意见》2015年6月住建部《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》2016年8月住建部《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》在工程项目勘察中，推进基于BIM进行数值模拟、空间分析和可视化表达，研究构建支持异构数据和多种采集方式的工程勘察信息数据库，实现工程勘察信息的有效传递和共享。在工程项目策划、规划及监测中，集成应用BIM、GIS、物联网等技术，对相关方案及结果进行模拟分析及可视化展示。在工程项目设计中，普及应用BIM进行设计方案的性能和功能模拟分析、优化、绘图、审查，以及成果交付和可视化沟通，提高设计质量。开展BIM与物联网、云计算、3S等技术在施工过程中的集成应用研究，建立施工现场管理信息系统，创新施工管理模式和手段。2017年2月国务院办公厅《关于促进建筑业持续健康发展的意见》国家政策推动第20页BIM技术应用BIM技术应用背景各地应用指导北京、上海、深圳、广东、湖南、福建、河北、山东等地，相继出台关于BIM技术应用指导意见或实施纲要，具体的规划了BIM应用的推进计划、工程范围及奖励措施等。河北省：从2016年起投资额1亿元以上或单位建筑面积2万m2以上的政府投资工程、公益性建筑、大型公共建筑及大型市政基础设施工程等开展BIM应用试点，力争到2020年末，我省以国有资金投资为主的大中型建筑和市政基础设施工程、申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区，集成应用BIM的项目比率达到90%。第21页BIM技术应用BIM技术应用背景技术标准、导则2017年7月《建筑信息模型应用统一标准》GB/T51212-20162014年9月北京市《民用建筑信息模型设计标准》DB11T1069-20142016年10月《成都市民用建筑信息模型设计技术规定》(2016版)2016年5月《浙江省建筑信息模型（BIM）技术应用导则》2016年9月《天津市民用建筑信息模型（BIM）设计技术导则》2015年4月《深圳市BIM实施管理标准》(2015版)2016年9月河北省《建筑信息模型应用统一标准》DB13(J)/T213-2016第22页BIM技术应用BIM的优势作用可视化参数化数字化协同化可模拟可优化BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关项目的信息，为该项目从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程。在项目不同阶段，不同利益相关方通过BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。第23页BIM技术应用BIM在岩土工程中的应用现状BIM技术在建筑、结构、机电上相对应用成熟，而在岩土工程中由于各种原因导致其应用受限。岩土工程是工程建设过程中重要的工作环节，将BIM技术整合进岩土工程十分必要。01BIM收费机制缺失提交成果要求不一致，业主未强制，阻碍设计单位积极性。02BIM软件不配套现有岩土工程BIM软件不完善、不系统，各种软件都有着其局限性。03BIM推广局限性区别于主体工程，其应用价值无法得到很好体现，对BIM需求并不强烈。04BIM岩土工程应用缺陷岩土工程涉及的工作较为复杂，标准构件少，因地制宜多，现场调整多。障碍第24页BIM技术应用岩土工程BIM研究内容勘察设计施工监测三维场地地形建立勘察工作量布设勘察过程展现地质与地基模型建立岩土整治方案分析三维模型建立岩土工程族库积累整合碰撞优化设计工程量统计、预算三维漫游快速出图实时云图显示BIM模型数值分析自动报警施工场地布置关键节点施工指导施工4D动态模拟施工优化工期、经济分析BIM技术应用岩土工程BIM研究内容岩土三维建模地理信息系统地质三维模型核心建模软件工期造价分析技术检查审核三维渲染精细建模工期造价分析动态分析多维施工模拟三维检测测量BIM技术应用地质模型的建立三维地质模型可以任意剖分和显示，避免二维特定剖面的弊端。能够快速统计土方的挖方量，针对不同土层的土方量精确计算。第27页BIM技术应用勘察钻孔数据信息实现地质模型的信息化，将钻孔资料、土层参数、现场照片等融入模型，据此可形象地了解场地岩土层分布规律，方便设计师工作。第28页BIM技术应用支护结构模型确定支护型式后，在软件中直接建立三维模型，提高工作效率，减少错误，可以与岩土工程辅助设计软件接口进行计算分析。第29页BIM技术应用场地模型优化现场施工场地布置第30页BIM技术应用岩土工程族库积累目前，已完成岩土工程常见族，共500余个，全部为参数化族，最终将所有族库内嵌于二次开发的岩土工程模块，方便调取，提高工作效率。第31页BIM技术应用输出调用关联性自动更新工作量统计第页BIM技术应用可制定图纸样式，可输出CAD格式文件。快速出图第页BIM技术应用重要、复杂节点交底与普通的平面设计方法相比，BIM技术在岩土工程中的优势除了表现对常规构件的三维设计外，更突出的体现在对一些复杂节点或构件的设计第34页BIM技术应用重要、复杂节点交底冠梁、围护桩、混凝土撑、八字撑间的钢筋交错复杂，钢筋类型较多，只通过平面图不能够给施工人员及检查人员直观感受，通过三维模型可直观显示钢筋的配置和构造。第35页BIM技术应用移动应用终端BIM技术应用动态展示漫游飞行动画旋转、缩放、剖面动画脚本动画四维施工模拟BIM技术应用总结(1)将岩土工程勘察、设计、施工结合为整体。(2)整体上工作量并未增加，能产出很多附加功能。第页方向(1)与理正勘察等软件的结合，提高三维地质模型建模效率。(2)进行二次开发，编写岩土工程模块代码，直接载入核心建模软件。(3)利用三维模型进行数值模拟分析。工程监测数据反分析研究研究背景第38页基坑工程的最终落脚点仍是基坑安全。目前，基坑工程主要存在两个方面问题，基坑工程事故多和设计不合理造成工程投资浪费。根据国内明挖地铁车站的统计数据，支护结构的造价大约占整个工程造价的1/3~1/2。实现既安全又经济——来源于实践数据。工程监测数据反分析研究研究背景第39页获取围护结构内力方法内部埋设钢筋应力计直接量测通过其它量测信息进行反演间接容易受到施工因素影响而破坏或量测不准确；量测成本较高；规范并未强制要求。围护结构水平位移量测值容易得到；在围护结构中量测，受外界干扰小，量测结果可靠；设计人员能够掌握围护结构的真实受力状态，将会使基坑设计更加合理工程监测数据反分析研究技术路线第40页围护桩测斜监测数据围护桩变形曲线函数拟合求导变形曲线函数曲率计算基于曲率值的弯矩反分析基于曲率值的剪力反分析多项式拟合光顺样条几何法抗弯刚度短期刚度规范折减三点定圆法土压力计值拟合求导工程监测数据反分析研究监测数据分析第41页石家庄地铁1号线一期工程，全长约23.9公里，均为地下线，共设站20座，平均站间距1.215公里。石家庄地铁3号线一期工程，全长19.61公里，均为地下线，共设站17座，其中新百广场站为地下三层站。15m≤H25m工程监测数据反分析研究监测数据分析主要监测数据：桩顶水平位移；桩顶竖向位移；桩身水平位移；支撑轴力；地表和地下管线沉降；基坑周围建(构)筑物沉降。不同施工阶段桩身水平位移曲线工程监测数据反分析研究监测数据分析围护结构的最大侧向位移随开挖深度的增加而增加。石家庄地区以灌注桩为支护结构的地铁车站深基坑最大侧向位移在0.04%～0.06％Ｈ之间，均值约为0.05％。围护结构最大侧向位移深度和开挖深度的关系围护结构最大侧向位移和开挖深度的关系围护结构最大侧向位移深度与开挖深度之比在0.63～0.92之间，平均值约为0.77。工程监测数据反分析研究监测数据分析第44页对石家庄地铁站基坑监测数据进行分析得知，围护桩桩身水平位移变形整体呈弓形，最大水平位移值一般出现桩身中间部位，最大值均小于20mm，一般小于计算值。开挖初期，桩身水平位移呈现向坑内变形的前倾型曲线，位移最大处出现在桩顶。随着开坑的开挖和钢支撑的施工，桩身水平位移曲线由前倾型向“弓