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一种大型深基坑的技术

在挖掘上海软土地基时使用的中央岛技术-

自顶向下施工的外围长方形坑

摘要：

因为492米高的上海环球金融中心大厦规模非常大（计划30000平方米），所以需要挖掘17.85- 25.89米深的基坑，它的中心建筑是采用中央岛技术的中心圆柱轴，即自下而上的建设，然后再自上而下挖掘，建筑外围是矩形基坑。作为这个大型基坑特点综合研究的一部分，以下主要通过对外围基坑位移进行展开：（1）侧壁挠度; （2）垂直墙位移; （3）横向位移; （4）下层楼板和支撑支柱的轴向力; （5）挡土墙的两侧侧向土压力（6）竖轴向和深层承压水位孔隙水压力变化; （7）地表沉降; （8）地下沉降; （9）基底隆起; （10）立柱升降（11）柱应力。为了探讨在开挖时，基坑尺寸的潜在影响，从上海另一个33层高的，自上而下的建筑的现场挖掘数据也被列入，进行比较。综合比较表明，除了众所周知的因素（例如，挖掘深度，支撑系统的刚性，以及抗隆起安全系数），基坑设计的大小确实起到了关键作用。设计在30,000-50,000m²大型基坑经历的墙体变形和地表沉降是常规建筑，如地下室和地铁站，还有设计规模尺寸在6000平方米的的凹坑的3-5倍，并且相应的影响区域也宽得多。因为进行去除邻近的土层，与承受荷载的支柱支撑不同的是，楼板承受沿深度方向的与整个挡土墙接触引起的负荷。对于上海软粘土自上而下的发掘，该挡土墙背后侧向土压力包络线是梯形的，但它们的大小比在文献中查阅到的方法预测显著要小，而且相应的峰值发生在更大的深度。造成去土（应力消除）抗隆起的延伸影响范围比常规的圆滑基底稳定性模型假设下的挖掘基底更深 DOI：10.1061 /（ASCE）GT.1943-5606.0000929。

copy;土木工程师2013年美国社会。

CE数据库

在过去的几十年里，挖掘通常是由两种自底向上的技术进行的(Finno et al. 1989; Blackburn and Finno 2007;Hashash et al. 2008; Tan and Wei 2012) ，还有自顶向下的技术(Whittle et al. 1993; Ou et al. 1998; Liu et al. 2005; Tan and Li 2011).在大多数情况下，这些挖掘是在一个近似矩形的形状，设计不大于6000平方米的区域进行的。近年来，一些计划规模在万平方米以上的基坑的挖掘陆续在上海展开。这些大规模的挖掘挑战了传统的设计方法和施工技术。如果使用自底向上的方法施工，则必须长期使用大量的具有非常大的长细比临时支柱。如果使用自上而下的方法，开挖必须根据铸造楼板进行，因此这将需要更长的时间来完成施工。此外，将需要更多的内柱和钻孔桩作为承重构件（LBEs），这将极大地提高了工程造价。基于这些考虑的基础上，中央岛技术被普遍用于在上海大规模挖掘采用，即，施工在坑的中心部分开始，然后延伸到其周边上。

关于从由自下而上和自上而下的方法构建的那些挖掘现场数据的基础上，许多经验和半经验的方法已被开发来预测挖掘结果(Peck 1969; Clough and Orsquo;Rourke 1990; Ou et al. 1993; Hashash and Whittle 1996; Hsieh and Ou 1998; Long 2001; Moormann 2004; Kung et al. 2007; Hashash et al. 2008; Wang et al. 2010).相比之下，几个由中央岛技术构建的大型挖掘是可以用来作为研究的。由于挖掘的方式是由许多因素（例如，基坑的几何形状，开挖方法，地下条件，并可持续系统）的影响，这些经验和半经验未必适用于大尺寸的基坑。上海环球金融中心（SWFC）大楼的建设提供了一个很好的机会来研究大型深基坑的特点。因为它的大尺寸（俯视30,000m²）的，环球金融中心的基坑由中央岛技术，即建筑从筒轴在由底向上方法的中央开始和在周边矩形结束通过自上而下方法开坑。由于目前的文献和数据资源有限，本研究主要集中在外围坑的行为。中央圆柱形转轴和地下条件的影响在配套文件中有所介绍(Tan and Wang 2013) 。为了探索基坑大小对挖掘方式的影响，另一个在上海建造的32层自上而下发掘（28层普通建筑的地下室挖掘和四层地铁站挖掘）和一个采用中央岛技术的大型基坑现场数据也包括在本研究中。

外围矩形基坑自上而下的建设

图1列出了平面布置图，图2示出的周坑的横截面。在中央圆柱形轴地下结构完成后，周边基坑和主塔上部的建设的发掘开始。外围坑的挖掘开始施工，采用1米厚的334米高的地下连续墙板，使用螺旋推进器铸就地（ACIP）打桩（28.95米长，1000毫米的直径），正如LBEs使用的H型钢柱（460*460毫米）和旋喷土壤（宽5m高34m）低于2005年3月24日和9月5日之间的最终开挖水平。由于其规模大，该外围坑分成四个区（即附件区1-4）单独挖掘。在每个区域内，挖掘土壤层1-5，接着在1.0，5.2，9.55，和17.85米地面（BGS）的深度按顺序进行铸造楼板。为了让开挖土顺利排出，在地板留下大口径的开口和由临时混凝土支柱（0：8531：7米）和钢管支柱（609毫米直径至16mm厚）支撑。考虑到最终的挖掘层（7.3米厚）的显著厚度，混凝土临时支柱以14.55米深度施放。图3显示了外围基坑与起污物排放和临时支柱作用的中层楼板1的开口的位置的的典型布局。为了减少因高承压水压力坑失败的风险，排水通过深坑外减压井（抽水井）进行，于2006年3月22日开始，并于2006年7月27日结束。在附件区1-4详细的施工活动总结在表1。

需要的仪器仪表

为了确保工程安全，确认施工程序，并调查开挖行为，施工期间外围基坑分不了密集的仪表。 图1呈现了计划中的仪器的布局，并且图2示出沿深度的仪器。监测的项目包括：（1）16个倾角仪（命名为P01-P16）用于墙偏转测量;（2）由16个倾角仪（命名为T01-T16）测定凹坑后面的侧向地面位移;（3）由32个水准仪（命名为Q1〜Q32）的测定垂直墙面动作;（4）在楼板和临时混凝土支柱的轴向力通过振动导线应力仪表测量（指定LB-1-LB-3为楼板和ZC-1-ZC-4为临时混凝土支柱;如图3）;（5）在由水准仪测定基坑坑后面的10个关键位置（命名为G1-1，G1-5到G10-1- G10-4）的地表沉降;（6）为了测定基坑的地表沉降，在由内而外的8个钻孔（命名为FC1-1-FC1-5到FC8-1-FC8-5）安装电磁系统来进行监测；（7）在两个钻孔（指定为L1-1-L1-6和L2-1-L2-6）的内部安装的两个箭状磁铁的簇监测抗隆起;（8）水平仪在LZ1-LZ44测量垂直位移;（9）在LG1- LG10安装振弦式应力仪测定为柱应力;（10）浅层地下水位由八根竖管（命名为SW1-SW8）测量，承压水位由四个观测井（命名为CY1-CY4）监控测量，并且，垂直方向的的孔隙压力，由2个内置安装的振弦式压力计的钻孔（指定为ST1-1-ST1-6和ST2-1- ST2-6）的集群监控。

现场测量

侧向位移和地表位移

图。4总结在不同施工阶段的P01，P03，P05，P08，P10，P14-P16现有的侧壁变形和T04，T06，T08坑侧的现有的侧向位移。当开挖进行到深层时，墙面和地面都会出现典型的深层次的横向运动。因为墙板P03是非常接近完成的筒轴，所以它的偏转均较其他显著小。接下来是基板坯的铸造，墙壁停止向挖掘侧移动。相反，它向后移向固定侧，特别是接近或低于开挖基壁部。这表明浇铸底座板可以成功地抑制墙壁向内变形和现有的相关的侧向位移。

图5（a）绘制了墙壁最大挠度delta;_m和开挖深度H.之间的关系，分别为还用另一个常规28楼地下室挖掘的数据（2007年徐），四条狭长的地铁站开挖（刘等人。2005年，2011;谭和李2011;和地铁7号线的常熟路站），以及上海仲盛商业中心（SSOCC）的基坑（(250m 长235m 宽313:8m 深)作为比较。像这样的基坑外围，普通地下室和地铁站发掘是由自上而下的方法构建了的，由多种支撑地下连续墙支持。SSOCC的基坑采用了中央岛挖掘技术和多支撑地下连续墙板的支持。然而，与该情况（SWFC）不同的是，SSOCC基坑的中心部分和周边部分是同步进行构成。对于图中呈现的SSOCC凹坑中的数据，图5显示的是那些沿其外围基坑的，由自上而下的方法构建的周边隔膜墙板。

图5（b）绘制的深度H_m，那里显示了delta;_hm和开挖深度H之间的关系，上述的楼地下室开挖，地铁站发掘和SSOCC基坑现场数据也被纳入分析。在这项研究中，当H＜＝10.55米时，H_m主要发生在开挖面下方，当H＞10.55时，在开挖面上方。这一观察结果表明，在上端10.55米土的开挖过程中，浇筑楼板和混凝土支柱需要承受开挖引起的侧向土压力，然后delta;_hm发生在开挖面下方。然而，随着开挖接近最终深度，delta;_hm出现在开挖面上方的原因是：（1）所示的挖掘基地灌浆反压土的制约作用被充分调动起来；（2）临时支撑ZC-4也无法完全支撑正上方的挖掘诱导土压力和墙壁偏移量上升直到楼板LB-3的可以独自承受土压力。这可以通过在铸造楼板和支柱测得的轴向力（请参考楼板和混凝土临时的支柱的轴向力）进行验证。正如谭和王（2013）报道的自下而上的矩形发掘，上海软土自上而下发掘的最大的H_m可以通过以下公式来界定，H_m =H -7m和 H_m =H 7m。

抗隆起

图7显示了L1在施工过程中典型的随时间的发展的抗隆起。我们可以发现，当挖掘不断向下时，基础土壤不断反弹。类似于在中央筒轴观21日意外损坏;因此，在此日期后的现场数据无法获得调查。与刘等人所作的假设（2011年）相反的是，上海一个38米深的自上而下的地铁站进行开挖，从这个挖掘现场的数据显示，抗隆起的主要区域扩展到挖掘基地下方的大深度。

纵向土体运动

接下来的开挖，地下连续墙可能会向上或者向下移动，这就取决于基础眼帘和应用在墙壁上的荷载（例如，中投楼板的重量，地面土壤施加的地下连续墙，摩擦力的自重，施工设备垂直载荷和重型车辆的物料输送）。图8（a）是在建设2区的过程中典型的垂直墙运动，有人注意到，地下连续墙经历了整个施工起伏垂直运动。这种现象可通过挖掘的每一级期间的现象来解释，壁最早的抗隆起因为即时消除应力（挖土）的引起，然后铸造楼板的重量下向下推。在4A期，土壤层3的去除导致更显著的壁凸起比土壤层1和2的去除。这意味着，在铸造底板的权重是不够的，以抑制所产生的应力去除土壤层3。然而，随着深部承压水在2006年3月22日开始释放，连续墙立即有大量的定居点。在阶段5A去除土层4，以上的墙往上提。然而，在这些阶段的壁凸起的幅度相对较小，这意味着降水有效抑制壁隆起。与基础板材在段6A建设，地下连续墙下的混凝土板的重物迅速解决。由于减压井于2006年7月27日截止，自流井水很快随着时间的推移（请参考侧向土压力和孔隙压力），即承台下面的承压水压力，随着时间的推移迅速增加恢复。因此，承台及地下连续墙连续向上抬高。由于水自流水平完全恢复，在墙上停起伏并表现出与地下结构施工逐步稳定的趋势。在比较研究和壁隆起数据——谭和李（2011）与上海环球金融中心圆柱轴的相应措施（Tan和王2013），有趣的是，我们注意到，在这两个研究中，谭和李的连续墙（2011）经历了起伏的垂直运动，而自我支持（unpropped）在谭、王圆形地下连续墙（2013）向上移动，几乎连续开挖。这种差异表明，在自上而下的挖掘，铸造底板的权重有助于抑制壁隆起。

图8（b）画出了垂直壁的运动，V_WM和挖掘深度，高度，对于本研究之间的关系。上述的地下发掘现场数据（2007年徐）和地铁开挖也被列入了比较（谭和李2011）。看来，在自上而下的发掘中，地下连续墙似乎更容易解决。这一观察结果证实了以前的发现，在自上而下的挖掘，铸地板的沉重的重量，有助于抑制壁隆起。通过对比图8（二）中的自上而下的挖掘数据，在中、王（2013）的自底向上挖掘中的相应数据，注意到在两个自底向上或自上而下挖掘的情况下，地下连续墙可能隆起或解决。相反，对该建筑的圆柱形轴地下连续墙开挖过程中经历了起伏。这种差异主要是从所有的矩形发掘，multipropped来源，而上海环球金融中心圆柱形转轴是unpropped。该支撑支柱或铸楼板帮助限制了向上的壁运动。

立柱移动和柱应力

图9（1）在2区建设过程中，垂直柱运动的典型发展。类似于图8（一）所示的墙运动，在开挖过程中，经历了起伏的垂直运动。这是因为提到的墙体竖向位移相同的原因。在阶段6A的底板完成后，柱有实质的定点。然而，随着浮孔在2006年7月27日关断，墙体再次向上移动，直到水自流水平2006年10月22日，才全部恢复。此后，柱逐步建设地下一层结构的解决。 图。图9（b）绘出了测量列的发展强调必须在LG8-LG10在2区，其中负值代表压缩，正值代表的张力。Itwas注意到，从圆柱形轴（Tan and Wang2013），柱在拉伸状态在大部分开挖阶段，列在这项研究持续显著压缩载荷。这种不一致的，在这种自上而下的挖掘重铸成楼板施加在内部钢柱显著向下负荷，因此柱被压缩的事实出现。因为ACIP桩承载的内柱为研究高28.95米和30–高40米的潭和Li（2011）[即，ACIP桩的脚趾分别为12.8和10–20米以下，在这项研究中，谭、李地下连续墙趾（2011），分别的明显隆起的ACIP桩验证的基础上扩展了巨大的深度低于地下连续墙趾的主要影响区。这一发现，与谭，王（2013）测得的显著基底隆起一起，表明这些传统的溜圆基底

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