張濤 王長祥 張文鑄 張風(fēng)玲

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司西安分公司 710018；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 天津300074）

引言

市政工程大多集中于繁華市區(qū)，設(shè)計和施工時往往受到諸多現(xiàn)狀條件限制，如工期不宜過長、阻礙交通、污染環(huán)境、地下情況復(fù)雜、影響現(xiàn)狀建（構(gòu)）筑物、可利用場地有限等，各種因素決定了市區(qū)內(nèi)一般不具備大開挖施工條件。如何解決這些問題就成為市政工程設(shè)計及施工考慮的重點。而逆作法對于城市建筑密度大、鄰近建筑物及周圍環(huán)境對沉降變形敏感、施工場地有限、工期緊、盡量少改遷現(xiàn)狀管道等情況的處理效果尤為顯著，在保證安全的前提下既節(jié)約了投資又加快了施工進度。

逆作法是將地下主體結(jié)構(gòu)的全部或一部分既作為結(jié)構(gòu)本體的同時也作為施工過程中的支撐體系，即結(jié)構(gòu)和支護一體，按自上而下的施工順序，結(jié)構(gòu)施工與基坑開挖交替進行的施工方法。此法與建筑工程逆作法有相似之處，但仍有較大區(qū)別，在國內(nèi)市政工程行業(yè)中應(yīng)用也較少，本文所述的逆作法近年來在西北地區(qū)市政工程中的應(yīng)用逐漸增多，主要應(yīng)用于平面尺寸較小的支護結(jié)構(gòu)、地下構(gòu)筑物主體結(jié)構(gòu)、頂管工作井等方面，經(jīng)實踐后逐漸形成了一套完整的計算理論及施工經(jīng)驗，對工期緊、作業(yè)面窄、沉降要求嚴格、鄰近現(xiàn)狀建構(gòu)筑物施工的工程，實際應(yīng)用效果明顯。

本文結(jié)合西安市南二環(huán)（朱雀路）高壓線落地工程，提出逆作法頂管工作井的設(shè)計原則，并指出逆作法施工工序及注意事項，為逆作法結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

西安市南二環(huán)（朱雀路）高壓線落地工程位于朱雀路，呈南北走向。沿線地面道路兩側(cè)多為多層、高層商住樓及辦公樓。工程沿線地下管線縱橫交織，電纜、自來水管、天然氣、雨污水等管線密布。設(shè)計路線穿繞城高速、地鐵，基坑鄰近城南客運站、西安醫(yī)學(xué)院、建材學(xué)校等公共建筑。周邊環(huán)境條件對文明施工、安全施工的要求比常規(guī)施工嚴格。

朱雀路高壓線落地工程分為兩部分，主線為單倉電力綜合管廊形式，支線為單倉電力管溝。第一部分由環(huán)城南路至南郊變，位于朱雀路東側(cè)，采用直徑2m鋼筋混凝土管頂管方式，全長8.8km，全程共計47座逆作法頂管井；第二部分由南二環(huán)至南郊變，位于朱雀路西側(cè)，采用直徑3.5m鋼筋混凝土頂管，全長6.6km，全程共計30座頂管井，采用排樁＋內(nèi)部鋼圍檁方式支護，內(nèi)部施做鋼筋混凝土頂管井，因本文主要討論逆作法，故西側(cè)結(jié)構(gòu)本文不再贅述。

1.1 地質(zhì)概況

擬建工程沿線地面總體南高北低，地面高程相對高差35.90m，地貌單元屬黃土梁洼。場地地基土主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical indexes

構(gòu)筑物基底大部分位于④層黃土，②～④層黃土、古土壤具濕陷性，勘察報告將場地界定為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級為Ⅱ級～Ⅲ級。

地下水位由北向南呈下降趨勢，穩(wěn)定地下水位為6m～36.7m。

1.2 設(shè)計方案

本工程位于朱雀路東西兩側(cè)人行道或非機動車道下，朱雀路為西安市南郊主干道，且修建年代久遠，施工限制條件較多，道路兩側(cè)地面以上高樓林立，地面以下管線縱橫交錯，且建（構(gòu)）筑物均距離道路較近，不具備常規(guī)放坡開挖的條件。故本工程東側(cè)頂管采用直徑2m的鋼筋混凝土管，頂管法施工，井體施工采用逆作法。頂管工作井及接收井平面尺寸分別為6m×6m及5m×5m，基坑深度約9m～15m。平面尺寸大于6m時經(jīng)結(jié)構(gòu)計算所需壁板過厚，經(jīng)濟性不佳，故不建議尺寸過大的結(jié)構(gòu)采用逆作法方式。

工作井的大小因頂管方式采用機械或人工而不同，平面工作所需空間也不盡相同。本工程平面尺寸的大小，均是根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）及《電力電纜隧道設(shè)計規(guī)程》（DL／T 5484－2013）的相關(guān)規(guī)定結(jié)合西安當(dāng)?shù)厥┕挝辉O(shè)備儲備情況綜合確定。

東側(cè)逆作法頂管井結(jié)構(gòu)形式若采用與西側(cè)相同的支護＋井體的形式在技術(shù)上是可行的，但其占地過大、改遷沖突管線的工程量大、成本較高，且打樁對周邊環(huán)境污染較重，總工期也較長，經(jīng)濟性和時效性較差。經(jīng)過經(jīng)濟性、施工工期控制、施工成本、安全保障、減少占地、環(huán)境保護各方面測算并結(jié)合西安市市政建設(shè)的長期經(jīng)驗積累，經(jīng)過與參建各方商討并舉行專項方案論證后，設(shè)計決定東側(cè)頂管井均采用逆作法施工，大大降低了工程量，經(jīng)濟效益顯著。

2 逆作法設(shè)計及分析

本文以平面凈尺寸6m×6m、井凈深10.8m的頂管工作井為例，論述逆作法設(shè)計及計算思路。井體平、剖面簡圖見圖1。

2.1 設(shè)計參數(shù)

工作井設(shè)計使用年限為50年，逆作法井體不僅作為施工過程中的圍護結(jié)構(gòu)，更是作為永久性構(gòu)筑物長期使用，故設(shè)計時首先不能將其按臨時圍護結(jié)構(gòu)考慮。

地下水位埋深約8m，采用管井降水。地質(zhì)情況與前土層描述相符，無不良地質(zhì)條件。

井體混凝土：C35，混凝土抗?jié)B等級S8；基礎(chǔ)墊層為C15混凝土。

井體上部為慢車道，設(shè)計時需按城－A級考慮車輛荷載；施工期間考慮地面超載20kN／m2，嚴格控制頂板覆土厚度。

根據(jù)頂管長度及井體尺寸，按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246：2008）計算頂管最大頂力不宜超過4100kN，后背墻面積不應(yīng)小于24m2。需注意計算施工頂力時，應(yīng)綜合考慮管節(jié)材質(zhì)、后背墻結(jié)構(gòu)的允許最大荷載、頂進設(shè)備能力、施工技術(shù)措施等因素。

井位所在位置，地面以下有現(xiàn)狀給水、通信、電力等管線，優(yōu)先采用改遷方式，無改遷條件且不影響井體結(jié)構(gòu)安全的，可與權(quán)屬單位溝通后采用井內(nèi)固定或吊裝保護等方式處理，以免影響后續(xù)井體施工。

2.2 外土壓力選取

本文所述逆作法不同于建筑工程的逆作法，也區(qū)別于沉井、地下連續(xù)墻等類似結(jié)構(gòu)，目前針對本工程所述逆作法尚無專門的結(jié)構(gòu)規(guī)范，本工程設(shè)計時主要以《地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程》（JGJ 165－2010）、上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DG／TJ 08－61－2010）、《基坑工程手冊》（第二版）為參考開展設(shè)計。綜合多本相關(guān)規(guī)范及手冊，與本工程相同的逆作法設(shè)計時，土側(cè)壓力的選取可遵循以下原則：首先應(yīng)區(qū)分不同階段，施工階段結(jié)構(gòu)體所承受的土側(cè)壓力可取主動土壓力或靜止土壓力。永久使用階段則有所不同，土側(cè)壓力宜取靜止土壓力。

土側(cè)壓力的計算，采用朗肯土壓力理論，根據(jù)《地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程》（JGJ 165－2010）第5.2節(jié)要求，地下水位以下的土體側(cè)壓力計算，對粉土及粘性土可按水土合算考慮，對于碎石土和砂土可按水土分算考慮。因本工程埋深范圍內(nèi)均為粘性土，透水性小，按水土合算考慮。需注意粘性土在計算土壓力時要考慮土壤粘聚力的貢獻，否則土壓力計算值過大會導(dǎo)致內(nèi)力結(jié)果失真。

2.3 計算原則

由于土側(cè)壓力類型選擇因施工階段而不同，故計算前應(yīng)先區(qū)分施工階段和使用階段。

對本文工程來講，壁板施工完畢→底板封閉→頂管頂進完畢這個時間段，坑外一直在降水，此階段及之前階段可視為施工階段，土側(cè)壓力計算時可取主動土壓力計算。待頂板封閉后，則視為永久使用階段開始，此時宜按封閉后狀態(tài)采用靜止土壓力再次驗算，注意此時要考慮地下水作用。

兩個階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，均需要按承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進行驗算，最終內(nèi)力取值需綜合兩個階段最不利情況取包絡(luò)值。具體計算原則為：壁板施工→底板未封閉前，可按水平框架考慮；底板封閉→頂板未施工前，可按頂部自由，三邊固定板考慮；頂板封閉后可按頂部簡支，三邊固定板考慮。結(jié)構(gòu)深度與寬度比達到深井要求時，應(yīng)按深井模式計算，深井的界定及具體計算方法參見《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（第二版）。

需注意的是，采用簡化模型計算時易忽略在壁板變截面處因上下壁板剛度突變引起的內(nèi)力變化。

3 施工工序及注意事項

3.1 施工工序

逆作法顧名思義是從地面到基底由上而下反向開挖并逐層逐次形成主體結(jié)構(gòu)的一種施工方法，與傳統(tǒng)先開挖至基坑后，由下而上依次施做結(jié)構(gòu)主體的施工次序相反。

1.第一節(jié)施工

井體于地表開始施工第一節(jié)時，如土質(zhì)條件及周邊環(huán)境允許，可一次性下挖到一定深度，挖深大小主要由下部土體性質(zhì)決定，出于安全角度考慮，一般不建議超過2m。本文工程要求首次開挖深度為2m，而后綁扎鋼筋、支模、澆筑混凝土，待混凝土強度達到設(shè)計強度的80%后，方可進行下一節(jié)開挖。第一節(jié)壁板頂部設(shè)計四邊封閉式加強梁，梁寬超出井壁以外坐落在原狀土上，主要起到防止諸如載重車輛荷載、坑邊堆載、塔吊輪壓荷載等地表集中應(yīng)力對井口產(chǎn)生破壞，同時還能將井體“吊”于土體上，消除在下一節(jié)井體開挖時，上節(jié)井體自重克服土體側(cè)摩阻力可能滑落的隱患，頂部加強梁現(xiàn)場做法見圖2。

圖2 頂部圈梁施工現(xiàn)場Fig.2 Construction site diagram of top ring girder

2.第二節(jié)及以下節(jié)段施工

第二節(jié)至底板高度范圍按序開挖，需注意的是，無論開挖哪一節(jié)，建議先開挖一側(cè)或相鄰的兩側(cè)，保證剩余側(cè)仍坐于原狀土上，每側(cè)井壁的施工從開挖到澆筑完成所用的時間不宜超過5天，混凝土澆筑后待強度達到80%設(shè)計強度后再開挖其余側(cè)，同樣可以防止出現(xiàn)井壁突然向下沉降的問題。

3.基坑開挖高度控制

土體自穩(wěn)性較好的土層，每節(jié)開挖高度可按2m控制。若開挖后地質(zhì)條件不佳，土體自穩(wěn)性較弱，比如遇素填土、砂土的情況，每層開挖高度可控制到1m左右并嚴格按一側(cè)或相鄰兩側(cè)先開挖施工的原則進行。每節(jié)開挖高度的大小，主要由土層自穩(wěn)性決定，其次是考慮施工時安全風(fēng)險可控。如每節(jié)開挖高度過大，卸荷后土體側(cè)壓力隨之增大，土體自穩(wěn)性減弱，安全風(fēng)險增大。另外因工作面過大的緣故，當(dāng)側(cè)壁土體出現(xiàn)失穩(wěn)或坍塌時，難以第一時間迅速控制事故的發(fā)展，尤其市區(qū)內(nèi)的項目，必須嚴格控制基坑安全，故每節(jié)開挖高度宜嚴格控制，以便土體失穩(wěn)時可迅速回填壓底控制情況。

井體施工至設(shè)計底標(biāo)高后，應(yīng)避免基坑底面暴露時間過長，加快施工速度盡快將底板施工完畢，完成井體下部閉合。

3.2 注意事項

1.施工降水

本工程所涉井體底板大部分位于地下水位以下，開挖前須降水。根據(jù)西北地區(qū)降水經(jīng)驗，設(shè)計采用地面管井降水方案，提前15天開始降水，同步進行周邊道路、建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測。管井在成井后應(yīng)在井、管間充填適宜的濾料，并在濾水管外纏繞相應(yīng)目數(shù)的紗網(wǎng)，保證抽水同時防止涌砂。降水工程應(yīng)進行專項設(shè)計。

2.混凝土澆筑質(zhì)量控制措施

由于逆作法是自上而下逐段澆筑，上下段接口處混凝土不易澆搗密實，為加強澆筑質(zhì)量，設(shè)計在澆筑口設(shè)置跳角，跳角做法見圖3，同時要求施工單位應(yīng)采取相應(yīng)的質(zhì)量保證措施。

圖3 跳角詳圖Fig.3 Detail of concrete pouringmouth

3.施工臨時支護措施

施工單位應(yīng)對施工過程中采用的臨時支撐進行詳細設(shè)計，豎向、橫向支撐應(yīng)有足夠的剛度和強度，保證開挖時土體的穩(wěn)定，保證施工人員安全。

壁板留洞較大處因難以形成閉合框架，成為整個結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，施工時應(yīng)對洞口處采用臨時支撐措施，以保證洞口處穩(wěn)定，待底板封閉后方可拆除支撐。臨時支撐可視洞口大小采用兩道或數(shù)道鋼梁橫跨洞口形成水平鋼圍檁，角部可視情況加斜撐，在洞口高度范圍內(nèi)形成數(shù)道水平鋼框架以作臨時支撐，土體穩(wěn)定性不佳時可將洞口臨時封堵，待結(jié)構(gòu)形成整體后，臨時支撐體系可拆除，由設(shè)計中洞口加固措施參與工作。

逆作法不可避免會導(dǎo)致豎向鋼筋的接頭率較高，故要求施工時壁板豎向鋼筋均采用焊接或機械接頭，不建議采用綁扎的形式，以保證接頭質(zhì)量。

4.施工過程監(jiān)測

在整個施工過程中應(yīng)進行全過程監(jiān)測。對結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化進行監(jiān)測，并把獲得的信息通過修改設(shè)計反饋到施工中去。監(jiān)測內(nèi)容主要包括坑頂豎向沉降和壁板水平位移、基坑底部土體卸荷回彈變形、鄰近建（構(gòu)）筑物水平位移和豎向沉降、地下水位變化、周邊地下管線變形和滲漏及地下設(shè)施的變形、周邊相鄰城市道路沉降、巡視檢查等。監(jiān)測應(yīng)進行到基槽土方回填完成為止，應(yīng)特別加強雨天和雨后的監(jiān)測，以及對各種能危及支護結(jié)構(gòu)安全的災(zāi)害來源進行仔細觀測，嚴防坑外水流入坑內(nèi)。

5.消除基坑遇水濕陷隱患

濕陷性黃土在西北地區(qū)分布較廣，且一般厚度較大。黃土在未浸水時，本身的自穩(wěn)性和強度均較好，深度較深密實度高的地方甚至需要風(fēng)鎬或小型挖掘機才能執(zhí)行開挖作業(yè)，此為逆作法施工的有利條件，以上優(yōu)點均是建立在黃土不見水的前提下。本文工程所述井體所在地基土為Ⅱ級～Ⅲ級自重濕陷性黃土，遇水會有比較嚴重的沉降失陷，甚至可能引起周邊路面、建構(gòu)筑物沉降，故要求施工單位采取坑頂加篷、坑邊設(shè)擋水墻、四邊做散水等方法形成可靠的防雨防水措施，消除外來水體對基坑內(nèi)原狀土造成不良影響的隱患。

3.3 現(xiàn)場問題處理

濕陷性黃土本身自穩(wěn)性較好，但由于土層分布不均勻性，部分地方黃土結(jié)構(gòu)較松散或有不良土質(zhì)夾層，以及降水困難時地下水位以下黃土含水量過大導(dǎo)致自穩(wěn)性差時，在開挖過程中就可能出現(xiàn)掌子面坍塌的情況，如圖4所示。針對此情況，可視掌子面坍塌面積、深度等實際情況采取不同的應(yīng)對措施。若坍塌面積較小、深度不大，坍塌后土體穩(wěn)定，則在沒有安全隱患的前提下可直接于坍塌面打錨桿并掛網(wǎng)噴錨，將坍塌范圍內(nèi)土體局部加強。當(dāng)坍塌面較大、深度較深或掌子面及基坑均見明水，坍塌情況已影響到基坑安全時，則首先應(yīng)進行回填壓底，同時對井體加強沉降監(jiān)測，確定井體無虞后，可從回填后基坑面斜向打注漿管至坍塌部位，實行注漿加固，即將軟弱土體做復(fù)合加固處理，待加固體系形成后，方可進行下一步作業(yè)。

圖4 側(cè)壁坍塌現(xiàn)場Fig.4 Site diagram of Side wall collapse

4 結(jié)語

逆作法在西北地區(qū)有一定應(yīng)用經(jīng)驗，屬于本地的“土辦法”，完成后的結(jié)構(gòu)可作為永久性結(jié)構(gòu)，也可作為臨時支護措施，因其施工速度快、安全性高、經(jīng)濟性佳、占地較少、施工過程遇障礙處理靈活等優(yōu)點，深受當(dāng)?shù)厥姓块T好評。經(jīng)過多年的實踐證明，逆作法有確實的可行性，既節(jié)省了作業(yè)空間，又保證了施工速度和安全，存在的主要問題是目前沒有針對性的規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計。本文結(jié)合實際工程案例及相關(guān)規(guī)范，總結(jié)了逆作法施工井體的設(shè)計原則和參數(shù)選取以及施工要點，以供相關(guān)設(shè)計及施工人員參考。

［1］JGJ 165－2010地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010 JGJ 165－2010 Technical specification for top-down construction method of underground buildings［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2010

［2］DG／TJ08－61－2010基坑工程技術(shù)規(guī)范［S］.上海：上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2010 DG／TJ 08－61－2010 Technical code for excavation engineering［S］.Shanghai：Shanghai building materials industry market management station，2010

［3］劉國斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009 Liu Guobin，Wang Weidong.Excavation engineering manual（The second edition）［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2009

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