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，不如說是門藝術”。巖土體是自然和歷史的產物，兼具“時間”和“空間”的雙重不確定性，以及“科學”和“藝術”的雙重精神內涵。

  依據確定的工程項目、不確定的巖土體條件，設計出符合工程特點、安全經濟、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計水平，也是巖土工程設計的魅力所在。

  多年來，得益于博士階段打下的理論基礎，以及數十個復雜工程項目實踐的積累，逐步領悟到：真正優(yōu)秀的巖土工程設計，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，精準判斷項目的關鍵點和難點，因地制宜、有的放矢，定向精準設計，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。好的設計方案應由設計者賦予其靈魂，體現設計者的獨特意圖。而要達到這一點，需要加強概念設計，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合，在實踐中發(fā)現問題、解決問題，逐步提升設計水平。

創(chuàng)  新

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

一、帶支腿地下連續(xù)墻設計技術（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，下設四層地下室，2006年開工，是浙江省最早開挖深度近20m的復雜基坑工程之一。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凝灰?guī)r巖層內一定深度，由于基巖硬度大，成墻施工困難、成本高、環(huán)境影響大。經過設計、施工等相關單位的多次討論，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，存在應力集中等一系列工程應用問題。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，開展支腿墻設計理論研究并精細化設計（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合應用、判定支腿合理長度的支腿墻設計方法；

  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設計方法。

  設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鍵技術，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。該技術后續(xù)推廣應用在在國大·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，而且承受主體結構豎向荷載。

  支腿墻經濟效益明顯，避免采用銑槽機等切巖設備，減少了施工難度，可節(jié)約20～30%圍護工程造價，體現了創(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構提供了寶貴經驗。

二、疏樁復合結構設計技術

  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。為此在設計一批上述地區(qū)臨道路側的基坑工程時，緊扣粉土粉砂層滲透性大、降水后強度高的特點，巧妙采用疏樁復合圍護結構技術，應用在開挖深度接近10m，基底及其以下一定深度范圍內仍存在粉土粉砂層的基坑工程中，獲得了成功。

該技術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。該技術體現了以下概念設計的思路：

  1、通過土釘墻技術，控制基坑邊坡的穩(wěn)定。

  2、通過疏樁技術，控制基坑邊坡的變形。

  疏樁復合圍護結構技術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用，最終土體深層水平位移值未超過20mm。

突  破

  巖土工程設計，不同于建筑的藝術創(chuàng)作，符合力學規(guī)律是第一要務。結合具體工程，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深度內為粉砂層，滲透性強。主樓電梯井深坑的突涌穩(wěn)定性數為0.91，不滿足規(guī)范要求。而完全滿足規(guī)范設定的抗突涌安全系數，需要在主樓深坑周邊設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?；诖?，綜合分析突涌穩(wěn)定系數值、圓礫層特性、工程特點，謹慎計算，最終放棄設置承壓含水層止水帷幕的設計思路，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，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計，是充分利用工程特點，因地制宜，有依據有條件突破規(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)，但伴隨著經濟高速發(fā)展、大規(guī)?；A設施建設，超大、超深、超長的巖土工程項目，對自身建設以及周邊環(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。

這就要求設計師緊跟時代發(fā)展，轉變觀念，與時俱進，更新設計思路，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計，提升設計水準。

一、變形控制及全過程設計

  地鐵設施毫米級的變形控制要求，必須精準、定量、全過程控制性設計，綜合運用設計、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號線盾構隧道、地鐵站房規(guī)劃同期開工建設。實際西廣場基坑開挖時，地鐵1號線盾構隧道已經施工。為實現上部西廣場大面積卸載施工，對下部已建盾構隧道微變形控制的保護要求，嘗試轉變以變形控制為主的設計思路：采用盾構隧道周邊土體加固、隧道兩側工程樁頂部加設配筋墊層，形成加固體與工程樁復合的門式結構，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。開展現場土體及其加固體的室內回彈試驗，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力計算研究，建立對應精細化施工要求的設計計算方法。

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驗，進一步對施工提出了逐層逐點的精細化施工要求和設計規(guī)定，并隨時根據現場實際情況調整設計規(guī)定，將設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生的影響。

二、考慮相鄰基坑交叉影響的全局設計

  城市有機更新、老城區(qū)整體改造，TOD商業(yè)綜合體建設，出現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，變化復雜，不確定性增加。完全不考慮相鄰基坑的設計和施工，曾引發(fā)多起基坑倒塌事故。

  好的設計師，應能根據周邊環(huán)境變化，敏銳覺察影響工程安全的關鍵因子，開展全局設計，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條件，不同相鄰狀態(tài)下相鄰基坑設計的典型案例。

  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粉質黏土。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，平面內凹、形狀差。兩大基坑先后交叉、同步建設且受限于周邊環(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單位、同一家施工單位的管理優(yōu)勢，開展相鄰側有限土壓力理論研究，挖掘深大軟土相鄰基坑的設計潛力，形成相鄰基坑群交叉施工的系統(tǒng)控制技術：

  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設計和施工技術，包括超長支撐剛度增強技術、支撐豎向和平面協(xié)調布置技術、土方開挖和支撐拆除協(xié)調等的系列控制技術。

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設計和施工風險控制技術，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。經濟和社會效益明顯。

  該技術后續(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用。

圖18 杭州西站樞紐南區(qū)塊工程（示意）

總  結

  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的超大、超高、超深工程以及新材料、新設備、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，在概念化設計、精細化設計的同時，均密切聯系理論研究，有所創(chuàng)新突破。由于安全、經濟、縮短工期，不僅得到了建設單位的充分認可，工程結束之時，即是收獲研究成果之時。

  巖土工程設計走創(chuàng)新之路，做到“傳統(tǒng)與創(chuàng)新的結合”、“技術和藝術的結合” “理論和實踐的結合”以及“巖土和結構的結合”、 “局部和整體的結合”，以理論為拐杖，實踐為雙腿，才能穩(wěn)步前行，保持行業(yè)領先優(yōu)勢。