很感佩年少懵懂時，幸運地選擇了巖土工程專業(yè)。“土力學之父”卡爾 · 太沙基曾說過:“巖土工程與其說是門技術(shù)，不如說是門藝術(shù)”。巖土體是自然和歷史的產(chǎn)物，兼具“時間”和“空間”的雙重不確定性，以及“科學”和“藝術(shù)”的雙重精神內(nèi)涵。

  依據(jù)確定的工程項目、不確定的巖土體條件，設(shè)計出符合工程特點、安全經(jīng)濟、具有實踐創(chuàng)新性的方案，將考驗項目負責人對項目的理解深度和設(shè)計水平，也是巖土工程設(shè)計的魅力所在。

  多年來，得益于博士階段打下的理論基礎(chǔ)，以及數(shù)十個復(fù)雜工程項目實踐的積累，逐步領(lǐng)悟到：真正優(yōu)秀的巖土工程設(shè)計，在于針對巖土材料的不確定性，抓住工程項目自身及其周邊環(huán)境特點，精準判斷項目的關(guān)鍵點和難點，因地制宜、有的放矢，定向精準設(shè)計，從而做到同等造價條件下安全度更高，或同等安全度條件下造價更低。好的設(shè)計方案應(yīng)由設(shè)計者賦予其靈魂，體現(xiàn)設(shè)計者的獨特意圖。而要達到這一點，需要加強概念設(shè)計，與時俱進，勇于創(chuàng)新，敢于突破。同時善于將理論研究與工程實踐相結(jié)合，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，逐步提升設(shè)計水平。

創(chuàng)  新

     創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，對設(shè)計而言，創(chuàng)新是其生命力所在?；趧?chuàng)新的設(shè)計，更能體現(xiàn)設(shè)計師的價值。下面分享兩個創(chuàng)新設(shè)計案例。

一、帶支腿地下連續(xù)墻設(shè)計技術(shù)（以下簡稱“支腿墻”）

  黃龍飯店改擴建工程緊貼已運營的黃龍飯店，凈距僅2m，下設(shè)四層地下室，2006年開工，是浙江省最早開挖深度近20m的復(fù)雜基坑工程之一。地下室外墻采用地下連續(xù)墻，并兼做圍護墻。

  由于坐落于寶俶山的山前地帶，巖層面起伏大。西南角基巖埋藏淺，最淺處巖面距離坑底僅約2 m（見圖1）。地下連續(xù)墻若全斷面進入中風化熔結(jié)凝灰?guī)r巖層內(nèi)一定深度，由于基巖硬度大，成墻施工困難、成本高、環(huán)境影響大。經(jīng)過設(shè)計、施工等相關(guān)單位的多次討論，創(chuàng)新性采用帶支腿地下墻，在地連墻下部設(shè)置支腿（見圖2）。

圖1 基巖埋藏區(qū)域分布圖

圖2 帶支腿地下連續(xù)墻

圖3 帶支腿地下連續(xù)墻受力及模型簡圖

  支腿墻由于形狀不規(guī)則，截面突變，存在應(yīng)力集中等一系列工程應(yīng)用問題。為此，基于起伏較大基巖面的施工勘察，進行支腿墻適用條件分析，開展支腿墻設(shè)計理論研究并精細化設(shè)計（見圖3）：

  1、獲得支腿墻水平荷載作用和豎向荷載傳遞機理；

  2、形成常規(guī)和變剛度豎向彈性地基梁有限元程序聯(lián)合應(yīng)用、判定支腿合理長度的支腿墻設(shè)計方法；

  3、形成豎向荷載作用下"僅用作工程樁""二墻合一"的支腿墻豎向承載力和沉降計算公式，給出了墻段、支腿的受彎、受剪、受壓的驗算公式和包絡(luò)設(shè)計方法。

  設(shè)計方法獲得三項國家發(fā)明專利。在理論研究可行的前提下，施工單位通過試驗幅施工，獲得了支腿墻全套施工關(guān)鍵技術(shù)，包括泥漿配制及槽壁穩(wěn)定控制、支腿定位與成孔、支腿墻鋼筋籠對位和連接工藝、支腿墻鋼筋籠吊裝、清孔和混凝土澆筑技術(shù)等（見圖4~圖7）。

圖4 帶支腿地下連續(xù)墻鋼筋綁扎

圖5  支腿節(jié)點

圖6 支腿墻吊裝

圖7  黃龍飯店改擴建基坑工程

  黃龍飯店改擴建工程四層地下室中支腿墻共使用約110延長米，主要承受水平土壓力作用。該技術(shù)后續(xù)推廣應(yīng)用在在國大·城市廣場工程5層地下室， 開挖深度超過28m的基坑工程中，支腿墻使用約100延長米，不僅承受水平土壓力，而且承受主體結(jié)構(gòu)豎向荷載。

  支腿墻經(jīng)濟效益明顯，避免采用銑槽機等切巖設(shè)備，減少了施工難度，可節(jié)約20～30%圍護工程造價，體現(xiàn)了創(chuàng)新的價值，也為解決相類似超大、超深基坑的承重及圍護結(jié)構(gòu)提供了寶貴經(jīng)驗。

二、疏樁復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

  杭州錢塘江兩岸，如錢江新城、濱江、錢江世紀城等區(qū)域，地下水豐富，淺層分布著滲透性較大的粉土粉砂潛水含水層。降水條件下，粉土粉砂層強度高，自立性好。

  上述區(qū)域早期大規(guī)模建設(shè)時，往往道路先行形成，工程施工可允許降水，但不具備放坡條件。為此在設(shè)計一批上述地區(qū)臨道路側(cè)的基坑工程時，緊扣粉土粉砂層滲透性大、降水后強度高的特點，巧妙采用疏樁復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)，應(yīng)用在開挖深度接近10m，基底及其以下一定深度范圍內(nèi)仍存在粉土粉砂層的基坑工程中，獲得了成功。

該技術(shù)的核心是鉆孔灌注樁直徑小，僅600mm；插入深度淺，僅3m，而間距超過2m。和常規(guī)密排、插入深度為1.5倍開挖深度的圍護樁相比，圍護造價僅為其1/5。該技術(shù)體現(xiàn)了以下概念設(shè)計的思路：

  1、通過土釘墻技術(shù)，控制基坑邊坡的穩(wěn)定。

  2、通過疏樁技術(shù)，控制基坑邊坡的變形。

  疏樁復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)在錢江新城日出錢塘、迪凱國際等大廈的地下室施工得到應(yīng)用，最終土體深層水平位移值未超過20mm。

突  破

  巖土工程設(shè)計，不同于建筑的藝術(shù)創(chuàng)作，符合力學規(guī)律是第一要務(wù)。結(jié)合具體工程，在安全的前提下若要突破規(guī)范條條框框的約束，需要設(shè)計師大膽思考，更要小心求證。

  由前述可知，錢塘江兩岸除淺部分布著粉土粉砂潛水含水層，深部還有一層圓礫承壓含水層。圓礫層滲透系數(shù)大，厚度后，承壓水補給充足，基坑一旦發(fā)生承壓水突涌，將封堵困難，延誤工期，甚至引發(fā)事故。

  杭州來福士廣場位于錢江新城核心商務(wù)區(qū)，由T1、T2塔樓和裙房組成。平面為矩形，尺寸約200×180m；基坑大范圍開挖深度約16.00m，塔樓開挖深度19.20m、20.10m，局部電梯井深坑開挖深度25.10m（見圖8、圖9）。

  場地地表下20m深度內(nèi)為粉砂層，滲透性強。主樓電梯井深坑的突涌穩(wěn)定性數(shù)為0.91，不滿足規(guī)范要求。而完全滿足規(guī)范設(shè)定的抗突涌安全系數(shù)，需要在主樓深坑周邊設(shè)置穿越圓礫層的止水帷幕。由于圓礫層厚度大，強度高，封閉止水帷幕需要采用非常規(guī)的施工設(shè)備且損耗高，工程代價極大。

圖8 杭州來福士廣場

圖9  來福士廣場平面布置圖

  來福士廣場深基坑設(shè)計期間，鄰近工程項目因主樓深基坑措施不當，發(fā)生突涌事故。基于此，綜合分析突涌穩(wěn)定系數(shù)值、圓礫層特性、工程特點，謹慎計算，最終放棄設(shè)置承壓含水層止水帷幕的設(shè)計思路，突破了規(guī)范規(guī)定：

  1、利用工程樁承擔部分承壓水水頭壓力，考慮工程樁樁周摩阻力后，可平衡承壓水頭頂托作用。

  2、補充針對25m深塔樓電梯井的設(shè)計措施，采用高壓旋噴樁滿堂封底加固，針對性封閉工程樁樁壁滲透路徑（見圖10）。

  3、考慮深坑空間效應(yīng)，補充分層、分塊、限時施工的規(guī)定（見圖11）。

圖10  塔樓電梯井深坑加固圖

圖11  主樓深坑限時施工分區(qū)圖

  來福士廣場塔樓深坑施工順利，項目完成時，土體水平位移總量不超過50mm，從而利用工程樁的抗拔性能，成功地解決了局部深坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性不足的問題。和設(shè)置封閉承壓含水層的止水帷幕墻體相比，極大降低了工程造價和施工工期。

  來福士廣場局部深坑的抗承壓水突涌設(shè)計，是充分利用工程特點，因地制宜，有依據(jù)有條件突破規(guī)范的典型案例，開辟了錢江新城區(qū)域局部深坑不滿足抗突涌穩(wěn)定要求時的設(shè)計新思路。

與時俱進、系統(tǒng)思維

  土木工程雖然是傳統(tǒng)行業(yè)，但伴隨著經(jīng)濟高速發(fā)展、大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，超大、超深、超長的巖土工程項目，對自身建設(shè)以及周邊環(huán)境保護，提出了更嚴格的限制要求，完全不同于普通項目。如已運營的地下軌道交通設(shè)施，要求鄰近工程對其的擾動影響限制在毫米級，大大小于普通工程厘米級的控制標準。

這就要求設(shè)計師緊跟時代發(fā)展，轉(zhuǎn)變觀念，與時俱進，更新設(shè)計思路，加強全局性、系統(tǒng)性思維，從時間和空間兩個維度精細化設(shè)計，提升設(shè)計水準。

一、變形控制及全過程設(shè)計

  地鐵設(shè)施毫米級的變形控制要求，必須精準、定量、全過程控制性設(shè)計，綜合運用設(shè)計、施工手段，才能達到目標要求。杭州火車東站西廣場是浙江省最先開展變形控制設(shè)計的工程案例之一（見圖12）。

杭州火車東站及其綜合體西廣場，覆蓋范圍約700m×650m，西廣場占地約200m×650m，開挖深度13.900m。新塘路、天成路隧道分別從場地南北兩端穿過，地鐵1、4號線則在西廣場中部下穿，地鐵盾構(gòu)隧道頂距離西廣場地下室底板底最近處僅約1.5m（見圖13）。

圖12 杭州火車東站站房及西廣場建成圖

圖13 杭州火車東站西廣場平面圖

  東站、西廣場、新塘路和天成路隧道、地鐵1號線盾構(gòu)隧道、地鐵站房規(guī)劃同期開工建設(shè)。實際西廣場基坑開挖時，地鐵1號線盾構(gòu)隧道已經(jīng)施工。為實現(xiàn)上部西廣場大面積卸載施工，對下部已建盾構(gòu)隧道微變形控制的保護要求，嘗試轉(zhuǎn)變以變形控制為主的設(shè)計思路：采用盾構(gòu)隧道周邊土體加固、隧道兩側(cè)工程樁頂部加設(shè)配筋墊層，形成加固體與工程樁復(fù)合的門式結(jié)構(gòu)，達到限制底板施工期間下臥土層的回彈變形，以及抑制隧道上抬變形的目的（見圖14）。

圖14  盾構(gòu)隧道周邊門式加固體

  為確保最近處1.5m豎向凈距下，頂部超10m厚度大面積土方卸載的順利實施，正式施工前開展了以下三項研究工作：

1、試驗研究。開展現(xiàn)場土體及其加固體的室內(nèi)回彈試驗，獲取上方卸載工況下的土體回彈模量特點和變化規(guī)律。

2、理論研究。開展基于Mindlin解的基坑卸載附加應(yīng)力計算研究，建立對應(yīng)精細化施工要求的設(shè)計計算方法。

3、試驗段施工研究。試驗段先行實踐，檢驗第1、2點的試驗和理論研究效果。

  基于試驗段的成功經(jīng)驗，進一步對施工提出了逐層逐點的精細化施工要求和設(shè)計規(guī)定，并隨時根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整設(shè)計規(guī)定，將設(shè)計由施工前端貫徹延伸至施工的全過程。

  試驗、理論和實踐，三位一體，以及全過程的跟蹤設(shè)計，保證了火車東站西廣場三層地下室施工對已見地鐵盾構(gòu)隧道的保護要求，最大限度減少了頂部大面積、大深度卸載開挖施工對下方地鐵隧道所產(chǎn)生的影響。

二、考慮相鄰基坑交叉影響的全局設(shè)計

  城市有機更新、老城區(qū)整體改造，TOD商業(yè)綜合體建設(shè)，出現(xiàn)了眾多相鄰深大基坑同時或交叉施工的工程。相鄰基坑的受力模式，不同于單個基坑，受兩者凈距、施工工況等多因素影響，變化復(fù)雜，不確定性增加。完全不考慮相鄰基坑的設(shè)計和施工，曾引發(fā)多起基坑倒塌事故。

  好的設(shè)計師，應(yīng)能根據(jù)周邊環(huán)境變化，敏銳覺察影響工程安全的關(guān)鍵因子，開展全局設(shè)計，將工程隱患消滅在萌芽狀態(tài)。杭州遠洋綜合體基坑群即是不同地質(zhì)條件，不同相鄰狀態(tài)下相鄰基坑設(shè)計的典型案例。

  遠洋綜合體由樂堤港和國際中心組成，位于大關(guān)路和麗水路交叉口，占地約15萬方（見圖15）。場地埋藏深厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。樂堤港平面尺寸360×300m，地下二層，深度13.5m； 國際中心平面尺寸155×255m，地下三層，深度17.0m，主樓深度21m。兩者超大超深，平面內(nèi)凹、形狀差。兩大基坑先后交叉、同步建設(shè)且受限于周邊環(huán)境，兩者中間需通行重型施工機械，施工風險高。

圖15-1 遠洋綜合體

圖15-2 遠洋綜合體平面

  基于遠洋綜合體同一家建設(shè)單位、同一家施工單位的管理優(yōu)勢，開展相鄰側(cè)有限土壓力理論研究，挖掘深大軟土相鄰基坑的設(shè)計潛力，形成相鄰基坑群交叉施工的系統(tǒng)控制技術(shù)：

  1、建立了相鄰基坑間有限土壓力計算方法，獲得了包括支撐水平力影響的多因素土壓力分布規(guī)律；

  2、獲得了全工況下基坑群的內(nèi)力和變形影響規(guī)律，得到相鄰基坑水平間距的臨界值；

  3、形成控制相鄰基坑交叉施工影響的系列包絡(luò)設(shè)計和施工技術(shù)，包括超長支撐剛度增強技術(shù)、支撐豎向和平面協(xié)調(diào)布置技術(shù)、土方開挖和支撐拆除協(xié)調(diào)等的系列控制技術(shù)。

圖16 樂堤港基坑工程

圖17 國際中心基坑工程

  先行采用全工況包絡(luò)設(shè)計和施工風險控制技術(shù)，規(guī)避危險工況后，樂堤港和國際中心得以同步、交叉施工。施工期間，兩大基坑變形穩(wěn)定，未超出50mm，見圖18、圖19。由于樂堤港無需設(shè)置分隔墻，節(jié)約造價約2750萬元；國際中心提前2年、樂堤港至少提前一年運營。經(jīng)濟和社會效益明顯。

  該技術(shù)后續(xù)在英藍大廈、綠地杭州之門、杭州西站樞紐南區(qū)塊等工程中得到推廣應(yīng)用。

圖18 杭州西站樞紐南區(qū)塊工程（示意）

總  結(jié)

  巖土工程屬于土木工程大類，雖然土木工程屬于傳統(tǒng)學科，但隨著新時期不斷涌現(xiàn)的超大、超高、超深工程以及新材料、新設(shè)備、新工藝，傳統(tǒng)行業(yè)也在煥發(fā)生機。

  本次分享的工程案例，在概念化設(shè)計、精細化設(shè)計的同時，均密切聯(lián)系理論研究，有所創(chuàng)新突破。由于安全、經(jīng)濟、縮短工期，不僅得到了建設(shè)單位的充分認可，工程結(jié)束之時，即是收獲研究成果之時。

  巖土工程設(shè)計走創(chuàng)新之路，做到“傳統(tǒng)與創(chuàng)新的結(jié)合”、“技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合” “理論和實踐的結(jié)合”以及“巖土和結(jié)構(gòu)的結(jié)合”、 “局部和整體的結(jié)合”，以理論為拐杖，實踐為雙腿，才能穩(wěn)步前行，保持行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢。