国家大剧院工程中的几个岩土工程问题

土木工程学报CHIN A CIVIL ENGINEERING JOURNAL
第42卷第1期2009年1月
Vol.42No.1Jan.
2009
作者简介：张在明，教授级高工，中国工程院院士收稿日期：2008-04-18
1工程概况
国家大剧院位于北京市长安街，人民大会堂西侧，
为一多功能特大型公共建筑。

整个建筑平面由3部分组成（图1）：中心部分“202区”为椭圆穹形结构形成的主体建筑，平面东西向的椭圆长轴长212.2m ，南北向的短轴长143.6m ，穹顶高度46m 。

穹形结构的巨大空间里面包含了歌剧院、戏剧院和音乐厅3栋相互独立的建筑。

穹顶外有水池环绕；“202区”的南
北两侧分别为“201区”和“203区”，该两区分别由
地下通道、车库及其他配套设施组成，多为地下结构。

项目总占地面积超过8万m 2，总建筑面积19万m 2。

国家大剧院工程中的几个岩土工程问题
张在明沈小克周宏磊
孙保卫
唐建华
（北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038）
摘要：国家大剧院工程基础埋深大（最深达32.5m ）、地层不均匀、地下水赋存条件复杂、承压水头高、结构荷载很不均匀，由此带来了一系列复杂的岩土工程问题。

重点对这些问题及所采取的分析评价方法和工程措施进行了介绍，主要包括基坑支护、施工中地下水控制、抗浮设计水位的确定、采取结构措施降低基底浮力和沉降分析5个方面内容。

对大面积深基坑采取分步支护方案，用隔离、疏干和减压相结合的地下水控制措施，保证基坑施工的顺利进行；通过对北京市水资源供求平衡关系的分析，根据场地饱和-非饱和土的渗流分析结果，采取合理的结构措施，确定并大大降低了基底浮力，保证工程的抗浮稳定性。

最后，采用地基与基础的相互作用原理，比较准确地预测整个基础平面内的沉降与差异沉降的分布。

通过上述分析方法及建议的工程措施，使本工程的地基基础方案得以安全、经济地顺利实施。

关键词：国家大剧院；地下水；结构抗浮；沉降；深基坑中图分类号：TU46+3
文献标识码：A
文章编号：1000-131X （2009）01-0060-06
Geotechnical aspects of the National Centre for the Performing Arts
Zhang Zaiming Shen Xiaoke Zhou Honglei Sun Baowei Tang Jianhua
（BGI Engineering Consultants Ltd.,Beijing 100038,China ）
Abstract:Construction of the National Centre for the Performing Arts encountered many sophisticated geotechnical problems,i.e.deep excavation （32.5m at the deepest ）,complex groundwater occurrence and high pressure,non -homogenous soil strata and non -uniform structure loading.Some of these key issues are introduced,including design of retaining structure system for the deep excavation,groundwater control during foundation installation,decision on the design anti -buoyancy ground water levels taking the potential groundwater variation into account,structural measures to reduce the uplift force on the foundation and analysis of the differential settlements induced by the superstructures founded on a continuous foundation slab.The above integrated analysis and the engineering measures make the proposed foundation scheme realized safely and economically.
Keywords:National Centre for the Performing Arts;groundwater;structural uplift control;settlement;deep excavation E -mail:bgizzm@
图1工程平面示意及鸟瞰图
Fig.1The project sketch and the airview of the building
·
·第42卷第1期从岩土工程的角度看，该工程的主要问题是［1］：（1）占地面积2.55万m 2的主体建筑（“202区”），大部分基础埋深在地面下26m ，几个剧院的台仓部位基础埋深更大，最深达32.5m ，需要实施大面积深开挖的基坑支护工程。

（2）场地地层分布沿竖向变化大，在相对隔水层之间分布有多层地下水含水层和非饱和带，形成了复杂的水文地质条件和地下水赋存与渗流体系。

位于-
26m 的大面积基础部位的承压水头高2~6m ，再下面
的两个含水层承压水头分别超过15m 和23m ，因此需要谨慎做好施工中的地下水控制，特别要防止基础所在层位的承压水大面积抽降造成其下部的黏性土层在承压水头更高的下层地下水作用下发生突涌。

同时，还要避免降水引起的地面沉降对其东侧的人民大会堂和北侧的地铁1号线结构产生不良影响。

（3）由于20世纪70年代中期以后，对地下水资源需求扩大，造成地下水位下降。

从长远的眼光看，随着对水资源保护政策的加强，大量中水利用和南水
北调的实现，地下水位的上升可能对面积达2.55万平方米的基础形成巨大浮力。

如何确定抗浮设计水位和可能采取的抗浮结构措施，需要进行量化研究。

（4）“202区”大面积（2.55万m 2）筏型基础的上部荷载严重不均匀，除了椭圆形周边对穹顶结构的支撑荷载和三栋内部结构荷载之外，其他部位的基础基本上处于超补偿状态，需要预测和控制不均匀沉降。

2基坑支护方案的选择
经过勘察单位（北京市勘察设计研究院）和施工
单位（北京城建集团）分别开展的专项研究与方案的比选，根据结构埋置深度的要求，采用了不同类型结构层层加深的分步支护结构体系［5］，从上至下（也是从外至里）分别为：护坡桩加锚杆；地下连续墙（厚
800mm ）加锚杆；薄壁地下连续墙（厚300mm ，主
要用作对基础以下的高压承压水的隔离和控制）（见图2、表1）。

基坑支护工程由北京城建集团施工。

图2基坑支护方案示意及施工现场照片
Fig.2
Sketch showing the supporting system of the excavation and the construction site photograph
表1基坑支护与地下水控制方案说明［5］
Table 1
Scheme of excavation supporting and groundwater controlling systems
步骤开挖部位开挖深度（m ）
支护与地下水控制方案
第一步第二步第三步
消防通道202区主体歌剧院台仓
－13.58－26.00－32.50
护坡桩（Φ600）＋锚杆（1道）＋基坑外抽渗井地下连续墙（800）＋锚杆（1道）＋坑内疏干井薄壁地下连续墙（300）+坑内疏干＋坑外减压
施工单位对最外圈的桩锚支护结构的位移、内圈的地下连续墙结构的位移、锚杆轴力及相邻地面和建筑的沉降进行了系统的检测。

施工开始前，经过对支护结构安全性与周边建筑及地下设施安全性的分析，确定了如下的变形允许值：护坡桩水平位移允许值28mm ；连续墙水平位移允许值20mm ；地面沉降允许值30mm 。

对外圈护坡桩和地下连续墙水平位移的主要监测结果示于表2和表3。

未出现任何异常情况。

从表中看出，在锚杆张拉阶段和开挖连续墙内的第一步土方时，由于上部开挖卸载和锚杆张拉的影响，连续墙出现了向坑外的位移。

位于其上部外侧的护坡桩则未发生类似的现象。

张在明等·国家大剧院工程中的几个岩土工程问题
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·土木工程学报
2009年
3施工中地下水的控制
国家大剧院场地典型的地层结构如图3所示［1-2］。

从地表到基岩顶板有多层黏性土和含水的砂卵石地层的交互沉积。

由于各含水层都与北京市区西部单一砂卵石含水层有较好的连通性，造成了在各砂卵石中，除最上的③号地层为潜水含水层外，其下3层（⑤、⑦、⑨层）受西部水位控制，均为承压水含水层。

基础坐落（-26m ）的⑤层，承压水头为2~6m ；再下的⑦层的承压水头15m ；⑨层为23m ；以下各层的承压水头更高一些。

基础持力层⑤层的渗透系数很高，k ＝235m/d ［2］。

该项工程中，地下水控制的难点在于基础的绝大部分坐落在高渗透性的承压含水层中，如果采用全面疏干方案，估计排水量在8~10万m 3/d 左右［5］。

FEM
分析与降水试验均表明，影响半径将达到1600m 左
右［2］。

这不仅造成水资源的大量流失，还会对周围环境造成巨大影响，难以保证临近重大建筑和北面地铁线路的安全。

经过论证，采用了隔离、疏干和减压相结合的地下水控制措施。

具体方案是：（1）对上层滞水用渗、抽相结合的方法处理；（2）利用主体结构外围的地下连续墙隔断卵石⑤层中的第一层承压水，在内部进行抽降；（3）在台仓周边做隔水帏幕墙，隔开周围大面积基坑经过抽降后的地下水，单独进一步降低台仓部位的水位。

此外，经验算在此状态下基底下地层⑦中的第二层承压水可能造成突涌，渗透稳定安全系数不能满足要求，为此专门设计了控制第二层承压水的减压井；（4）由于地下水控制系统的复杂性，在现场设置了地下水观测和反馈系统，指导地下水控制操作（图4）。

对于上述方案，北京市勘察设计研究院与北京城建集团都做了详细的计算分析［3，5］。

实践证明地下水控制有效，控制效果与事先的分析十分接近。

图3地层分布、各层地下水位与基础埋深的关系Fig.3The soil strata ，groundwater level and
foundation depth
图4
防止基础下承压水发生突涌的监测与控制系统———通过
周边立管对水位进行监测、反馈、控制
Fig.4Groundwater monitoring and controlling system to prevent inflow ———monitoring ，feedback and controlling of groundwater level by surrounding standing pipes
（mm ）
表2各主要工况时护坡桩最大水平位移［5］
Table 2Maximum displacements of the piles in different construction phases
工况护坡桩段土方开挖
地下连续墙施工期
连续墙土方开挖
结构建至-17.00m
结构建至±0.00m
总平均值西坡均值东坡均值
8.1511.435.68
9.3212.297.09
11.3713.879.49
12.3117.0910.98
14.7014.9914.45
表3各主要工况时地下连续墙最大水平位移［5］
Table 3
Maximum displacements of diaphragm wall in different construction phases
工况地下连续墙锚杆张拉
地下连续墙一步土方
地下连续墙二步土方
地下连续墙三步土方
结构建至-17.00m
总平均值西坡均值东坡均值
8.1511.435.68
9.3212.297.09
11.3713.879.49
12.3117.0910.98
14.7014.9914.45
（mm ）
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·第42卷第1期4对抗浮设计水位的研究
国家大剧院工程，特别是“202区”，抗浮问题
十分突出。

在长200余米，宽近150米的椭圆形底板以上，平均荷载并不很大，如前述，很大部分基础处于超补偿状态，这样一个类似大船的结构坐落于承压水含水层中，抗浮稳定性自然成为设计中的一个关键问题。

在水文地质勘察中，测得各层钻探时的水位如表
4所示。

场区地面标高在45m 左右，根据北京市勘
察设计研究院水文地质GIS 系统中的资料，场区近
50年的最高水位达到42.30m ，距地面仅2.7m 左右。

近3~5年上层滞水的水位与历史水位相当，由于局部原因影响，某些区域还要略高一些［2］。

如果用历史最高水位或近3~5年最高水位作为抗浮设防标准，且不说最深部位，就是“202区”大面积的设计浮力也将达到235.5kN/m 2，这对大面积结构的抗浮和结构底板反向弯矩的验算将构成很大的困难。

类似国家大剧院场区遇到的多层地下水的情况，实际上在北京城区和其他一些城市也大量存在。

在大城市中，地下水的超量开采，造成地下水位在下降过程中受弱透水地层的阻隔形成多层地下水和含水层之间的非饱和带，使水文条件复杂化。

对此，北京市勘察设计研究院进行了系统的研究。

针对抗浮问题，根据研究成果提出［6］：①北京市及国内许多存在多层地下水条件的城市，地基渗流场中都存在较大的竖向渗流分量，水压力沿深度的分布往往小于传统的线性增加模式，传统方法有时过高估算了基底浮力；因此，
②传统的“抗浮水位”的提法是不严谨的。

在复杂的
水压力分布条件下，仅仅依靠水位一个条件，尚不能确定基底浮力的大小，抗浮验算中应该考虑地下水的赋存体系和渗流特征。

在此基础上，提出了“等效抗浮设计水位”的概念与确定方法；③采用建立的方法计算，依据计算结果和量测得到的当前的孔隙水压力场分布状态，利用提出的预报方法提供基底浮力和用于验算地下室外墙承载力水压力分布的设计模型。

基于以上成果，我们在国家大剧院的抗浮分析中，采
用了如图5所示结构运营期的设计抗浮水压力预测系统［3］。

按照该系统，研究的第一步是建立对地下水位影
响因素的分析模型，得出未来地下水位在主要影响因素（开采量、侧向补给和南水北调等）干扰下的动态与趋势；第二步是用区域性长期观测资料与场区实测水位进行拟合与比较，得到包括场区在内的区域性最高水位预测值和发生最高水位事件时对应的研究域的两类边界条件；第三步是根据上述边界条件进行FDM 分析，得到场区孔隙水压力沿深度的分布（图6），从而得到抗浮及其他基础设计的参数。

根据大量细致的分析，提出本工程“202区”的“等效抗浮设计水位”建议值是39.00m 。

比历史最高水位和近3～5年水位降低了3.3m 。

表4实测地下水
Table 4Measured groundwater level
地下水的层位
地下水类型埋深（m ）标高（m ）第一层第二层第三层
上层滞水潜水第一层承压水
3m 左右13m 左右16.5m 左右
41.27～42.4830.18～30.4828.61～28.85
图5抗浮设计水位的预测系统
Fig.5Predicting system for anti -buoyancy groundwater
level
图6用有限差分方法得到的水压力分布曲线
Fig.6Water pressure distribution from finite different
calculation
张在明等·国家大剧院工程中的几个岩土工程问题
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·土木工程学报2009年
5采取结构措施满足抗浮稳定性要求
验算表明，由于在整个基础底板以下没有采用抗浮桩，如不采取任何结构措施，虽然降低了“等效抗浮设计水位”，仍不能满足抗浮稳定性要求。

经过试算与分析研究，勘察与施工单位共同提出3种地下水处理方案。

这些方案，包括了两种措施的单独或联合使用，即对地下水进行阻隔，或在结构运营期间高水位事件发生时连续抽降。

针对3种具体的结构措施进行下述分析［4-5］：①计算分析不同措施引起的渗流场的变化；②分析比较连续墙下端在隔水层中的嵌入深度对基底水压力的影响；③计算在消防通道下采取长期抽水措施的可行性和必要性；④提出在采取一系列结构措施后，各建筑基础埋置深度处的等效抗浮设计水位。

在3种方案的比较中，我们用饱和－非饱和渗流理论做了大量的数值分析工作，并在影响抗浮稳定安全系数的主要因素、结构措施有效性以及应该注意的薄弱环节等方面得出了有意义的结论。

分析首先证明长期降水方案弊大于利，处理失当可能形成局部过高的渗流梯度对地基的渗流稳定性造成危害；在各种隔水措施的方案比较中，因为涉及很多具体的问题和设计措施的细节，这里不可能一一列举。

分析得到以下主要结论和建议：①将主体结构周边的连续墙和外圈消防通道的结构墙分别嵌入弱透水层中，可有效地降低基底浮力。

连续墙与结构墙间距大小对本工程基底处的水压力无明显影响；②201区周边的连续墙和外围消防通道结构墙各自插入弱透水地层中深度对地基渗流场无明显影响，虽然如此，考虑到地层分布的变化，为确保封闭要求，建议嵌入深度以不小于1m为宜；③在基底处抽水所产生的渗流场表明，局部弱透水地层中的水力坡降很大，易造成某些部位砂卵石层面附近的粉土、粉细砂地层产生流土现象；④在采取上述结构措施后，基底的水头标高一般可降至37.50m，或更小一些，但考虑到计算模型的近似性，特别是二维分析与实际情况的差异，结果不见得是偏安全的，因此建议在采取本文中涉及的结构措施后，“等效抗浮设计水位”标高按38.00m考虑；⑤由于弱透水地层顶板标高差异较大，并且不同结构措施对施工质量要求不同，因此，封隔措施，包括结构墙、不透水材料回填等，在设计、施工时应严格满足对不同含水层的封隔要求，否则由于渗流场的改变将对安全性造成不良影响。

作为一个例子，图7给出了研究202区周边连续墙嵌入弱透水层深度为2m时的分析模型与结果［4］。

从图中可以看出，基础底面，在靠近地下水上游区段（图中左侧），不利条件下的基底压力水头高程约在37.27m；基底靠近下游区段约为37.25m。

经过分析，提出了结构在不同情况下合理的嵌入深度及相应的抗浮稳定安全系数。

6地基沉降性状的协同作用分析
由于，第一，作用在大面积基础板上的荷载严重不均匀；第二，在基础持力层上部，接近结构底板处分布有厚薄不等、压缩性相对较高的黏性土层，导致本结构的不均匀沉降评价问题十分突出。

针对这个问题，北京市勘察设计研究院进行了地基与基础的相互作用分析［7］。

分析原理如图8所示，土的本构模型采用北京市勘察设计研究院开发的“BGI压剪模型”，模型原理是将土单元体的受力分解为受压和受剪两个部分，有关参数可以方便地用压缩试验和三轴试验求得。

模型虽然简单，但由于计算参数经过北京市上百个工程的计算并与实际监测数据的比较，通过反分析得到一套取值的规律，使计算结果与实际工程性状有很好的符合度。

利用上述模型，北京市勘察设计研究院开发了协同计算数值分析程序“SFIA”，在地基与基础变形协调的条件下，计算地基沉降和基础内力的详细分布情况（图8）。

协同作用分析得到的基础沉降分布如图9所示。

结论是基础底板的沉降性状和内力分布可以满足设计要求。

计算的沉降分布与后来的沉降观测结果基本一致。

图7结构措施影响分析举例——
—连续墙嵌入弱透水层
深度的影响
Fig.7Example of analysis of structural measures on groundwater flow——
—influence of the penetration depth of the diaphragm wall to a low-permeable strata
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·第42卷第1期7结论
像国家大剧院这样的大型工程，往往会遇到很多新的岩土工程问题，工程中的研究和事后的总结，特别是与设计、施工单位共同探讨，一定会得出若干有意义的经验，同时使岩土工程的理念可以得到真正的落实，使勘察单位在整个基础工程中起到更加积极的作用。

本工程中的岩土工程工作，有以下几点值得总结：（1）精细的勘察是工程设计和施工的基础。

本工程中，勘察揭露的厚层卵石地层中的黏性土层正好处
在基底以下，在很大程度上控制了基础的沉降性状。

（2）经过人工抽降干扰而大幅度下降的地下水分布状态往往是很复杂的，形成了不同的赋存类型和渗流形态。

我们在岩土工程勘察中不仅揭露了工程影响深度内各层地下水的分布形态，还首次在北京地区比较准确地量测到埋藏深度大于60m 的高承压水的压力水头数值，为工程分析、设计、施工提供了不可缺少的资料。

（3）采用分步支护方案以及隔离、疏干和减压相结合的地下水控制措施，不仅避免了施工降水对临近建筑和地铁结构的影响，还大量节约了水资源。

（4）由于含水层和非饱和带的交替分布，造成了水压力沿竖向分布的复杂性，仅仅掌握水位数值，尚不足以确定基底的浮力。

本次工程中，利用渗流分析与实测结果相对照的方法，合理地确定了“等效抗浮
设计水位”，相应的基底水压力低于按历史最高水位和近3～5年水位确定的数值。

（5）在充分比选、论证的基础上，采取结构措施降低基底水压力，满足设计要求，不再需要设置抗浮桩，在节约资金的同时，也缩短了工期。

（6）在地基与基础相互作用分析中，采用了简单实用的土的本构关系和经过数百个工程反分析得到的参数取值规律，得到了符合实际的分析预测结果。

致谢：本文的作者们要感谢参加过此项工作的全体同事，特别要感谢北京城建集团项目负责人余波和他的同事们在整个工作中的愉快合作以及提供的资料。

参考文献
［1］北京市勘察设计研究院.国家大剧院岩土勘察报告［R ］.
北京，2000
［2］北京市勘察设计研究院.国家大剧院水文地质勘察报告
［R ］
.北京，2000［3］北京市勘察设计研究院.国家大剧院设防水位论证报告
［R ］.北京，2000
［4］北京市勘察设计研究院.国家大剧院结构措施对场地渗流
场及建筑设防水位影响的分析报告［R ］.北京，2000［5］北京市城建集团有限公司.国家大剧院基坑工程施工技术
研究［R ］.北京，2003
［6］张在明.地下水与建筑基础工程［M ］.北京:中国建筑工业
出版社，2001
［7］张乃瑞，唐建华，沈滨.国家大剧院工程地基与基础共同
作用分析［R ］.北京，2002
图8地基与基础协同作用原理
Fig.8
The principle for soil and foundation interaction
settlement analysis
图9202区地基与基础协同作用分析得到的沉降分布Fig.9Predicted settlement distribution by SFIA technique
developed by BGI
张在明（1942-），男，本科，教授级高工，中国工程院院士。

主要从事岩土与地下工程领域的科研与工程实践。

沈小克（1957-），男，本科，教授级高工。

主要从事岩土工程、地基基础工程的科研与工程实践。

周宏磊（1970-），男，硕士，教授级高工。

主要从事岩土工程领域的研究及工程实践。

孙保卫（1964-），男，硕士，教授级高工。

主要从事地下水、环境岩土工程的研究与工程实践。

唐建华（1961-），女，学士，教授级高工。

主要从事岩土工程、地基基础工程的研究与工程实践。

张在明等·国家大剧院工程中的几个岩土工程问题
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