楊統(tǒng)元

上海寶冶集團(tuán)有限公司 上海 200941

引言

在建筑工程領(lǐng)域的地下結(jié)構(gòu)施工中，我國對逆作法施工技術(shù)的研究與應(yīng)用相對較晚。上世紀(jì)80年代在上海開展了一個試驗(yàn)性工程，為在密集建筑群及復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)同時兼做地下室外墻，加快施工進(jìn)度并降低對已建建筑物的損害，提供了全新的施工方法。到90年代中期，逆作法在上海高層建筑地下結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用已逐漸增多，其優(yōu)點(diǎn)也被其他省市接受，并逐步被推廣和應(yīng)用[1]。

1 順作法、逆作法概念

1.1 順作法

順作法指在地下工程施工過程中，先施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，再開挖土方和做支撐，逐步至基底，然后自下而上逐層施工地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu) ，如圖1所示。

圖1 順作法示意圖

1.2 逆作法

逆作法是先施工地下連續(xù)墻或施工臨時圍護(hù)墻及中間支撐樁及立柱，然后將土方開挖到第一層地下室頂板標(biāo)高處，完成的樓面結(jié)構(gòu)作為水平支撐系統(tǒng)。接著在梁間設(shè)有吊裝孔，繼續(xù)下挖，并依此向下逐層施工，同時逐層做上部豎向結(jié)構(gòu)[2]。

逆作法可分為以下幾類：

1.2.1 上部主體結(jié)構(gòu)施工時同步施工地下室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 上下同步施工示意圖

1.2.2 僅地下結(jié)構(gòu)使用逆作的方式施工（也叫作半逆作法），如圖3所示。

圖3 僅地下結(jié)構(gòu)逆作法

1.2.3 局部采用逆作的方式施工（也稱順逆結(jié)合），如圖4-5所示。

圖4 先主后輔，主順輔逆圖

圖5 先輔后主，主順輔逆

2 某項(xiàng)目深基坑工程概況

2.1 項(xiàng)目總體概況

武漢市某超高層項(xiàng)目位于漢口中山大道與三陽路交匯處，地上46層，地下3層，基坑深度20m，結(jié)構(gòu)高度216m。

圖6 結(jié)構(gòu)整體效果圖及剖面圖

2.2 場地周邊環(huán)境

本項(xiàng)目開始時，塔樓及北側(cè)裙樓區(qū)大部分拆遷完成，為保證塔樓關(guān)鍵線路，將基坑分劃為4個分區(qū)進(jìn)行分階段施工。

圖7 基坑與周邊環(huán)境示意圖

2.3 基坑工程概況

本基坑開挖面積約7740m2，由于特殊的基坑設(shè)計(jì)，形成了“外坑套內(nèi)坑，內(nèi)坑含小坑”的布局，“外坑”指的是裙樓區(qū)域，“內(nèi)坑”指的是塔樓區(qū)，“小坑”為塔樓核心筒內(nèi)的井道。

圖8 基坑模型示意圖

2.4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系選型

鑒于本基坑周邊環(huán)境比較復(fù)雜，開挖深度較大，內(nèi)支撐受力較大等特點(diǎn)，以及現(xiàn)場拆遷進(jìn)度影響、施工場地狹小等制約因素，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系選型如下。

2.4.1 塔樓區(qū)域及裙樓IV區(qū)采用方案：地下連續(xù)墻(嵌巖)+三層臨時鋼筋混凝土支撐；順作法進(jìn)行施工[3]。

2.4.2 裙樓II區(qū)、III區(qū)采用方案：地下連續(xù)墻(嵌巖)+地下三層結(jié)構(gòu)梁柱支撐(逆作法)。

3 整體地下工程施工分析

3.1 整體施工流程

地下結(jié)構(gòu)的施工依據(jù)實(shí)際情況劃分為4個階段：

3.1.1 塔樓區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

3.1.2 裙樓III區(qū)、IV區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，同時進(jìn)行塔樓I區(qū)地下結(jié)構(gòu)施工。

3.1.3 裙樓II區(qū)、III區(qū)地下結(jié)構(gòu)采用逆作方式施工，塔樓進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工。

3.1.4 裙樓IV區(qū)水平支撐及地下結(jié)構(gòu)施工，塔樓上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完。

3.2 局部采用“順逆結(jié)合”技術(shù)分析

3.2.1 順逆結(jié)合施工范圍。由于場地條件限制及確保塔樓的施工進(jìn)度，要求塔樓結(jié)構(gòu)封頂?shù)耐瑫rII區(qū)及III區(qū)地下室主體結(jié)構(gòu)及建筑功能提前實(shí)現(xiàn)，采用“順逆結(jié)合”進(jìn)行II區(qū)及III區(qū)地下主體結(jié)構(gòu)（共3層）的施工，如圖9所示。

圖9 順逆結(jié)合施工的范圍平面圖

3.2.2 “順逆結(jié)合”的依據(jù)。

3.2.2.1 施工場地制約。II區(qū)、III區(qū)南側(cè)與正在施工的漢口工作井僅一墻之隔（共用地下連續(xù)墻），北側(cè)為結(jié)構(gòu)已施工至一定高度的塔樓，東側(cè)、西側(cè)為現(xiàn)場施工通道，場地受限，采用順作法難以實(shí)施。

3.2.2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)傳力合理、保證安全。II區(qū)、III區(qū)的施工，同時要考慮到北側(cè)塔樓區(qū)與II區(qū)、III區(qū)之間、南側(cè)漢口工作井與II區(qū)、III區(qū)之間支撐體系傳力的平衡，以及拆撐換撐時候地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所以支撐必須緊跟著開挖施工，逆作法可以利用梁板結(jié)構(gòu)作為支撐體系確?；影踩?。

3.2.2.3 “順逆結(jié)合”的工藝比較。采用順作法，施工場地受限，需進(jìn)行三層支撐結(jié)構(gòu)施工及三層土方開挖，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，較全逆作法多了三層支撐的施工時間，工期長。

采用全逆作法，三層土方開挖均為暗挖，開挖量較大，效率低，較順作法節(jié)約的工期有限。

經(jīng)對比分析，負(fù)一層結(jié)構(gòu)采用順作法，負(fù)二層、負(fù)三層及底板采用逆作法，即“順逆結(jié)合”法，能有效地縮短施工周期。

3.2.2.4 確保項(xiàng)目工期。采用“順逆結(jié)合”施工，II區(qū)、III區(qū)在負(fù)一層結(jié)構(gòu)施工完成后，仍可作為塔樓的施工周轉(zhuǎn)場地，確保塔樓工期。同時進(jìn)行施工II區(qū)、III區(qū)地下室主體結(jié)構(gòu)施工，也為裙樓區(qū)建筑功能的實(shí)現(xiàn)提供保證。

3.2.3 “順逆結(jié)合”的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2.3.1 II區(qū)、III區(qū)的基坑支護(hù)體系的承載力、變形需滿足要求，且與塔樓區(qū)、南側(cè)工作井之間相互作用的支護(hù)體系也需確保安全。

3.2.3.2 負(fù)一層土方開挖與樓板施工前，梁板還未作為支護(hù)體系，基坑周邊懸臂的地下連續(xù)墻的穩(wěn)定和變形需滿足要求。

3.2.3.3 提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量，如梁板與地下連續(xù)墻的接頭，結(jié)構(gòu)柱上下接頭，梁板與格構(gòu)柱的連接，以防止出現(xiàn)滲漏和質(zhì)量隱患。

3.2.3.4 施工場地狹小，特別是負(fù)二層、負(fù)三層的土方采用暗挖，作業(yè)空間狹小，機(jī)械操作困難，防止安全隱患[4]。

4 局部地下結(jié)構(gòu)順逆結(jié)合施工技術(shù)

4.1 地下結(jié)構(gòu)“順逆結(jié)合”施工流程

圖10 逆作法施工流程

4.2 地下連續(xù)墻穩(wěn)定性分析

當(dāng)II區(qū)、III區(qū)負(fù)一層采用順作法時，在土方開挖至負(fù)一層樓板底這階段，地下連續(xù)墻頂部未設(shè)置支撐，此時應(yīng)計(jì)算地連墻在懸臂情況下其穩(wěn)定性，結(jié)合基坑開挖深度，以III區(qū)西側(cè)的地連墻（EAA1段）進(jìn)行分析。

4.2.1 分析模型。按樁墻撐錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，采用的軟件為天漢基坑設(shè)計(jì)軟件，如圖11所示。

圖11 地下連續(xù)墻模型

4.2.2 工況分析表，見表1。

表1 底部邊坡信息

4.2.3 分析結(jié)果。

4.2.3.1 軟件計(jì)算結(jié)果。

圖12 土壓力

圖13 側(cè)向位移

圖14 彎矩

圖15 剪力

位移分析：墻體的最大水平位移為33.6mm。

彎矩分析：墻體的正向彎矩達(dá)到1021kN.m；墻體的負(fù)向彎矩達(dá)到-1011kN.m。

剪力分析：墻體的正向剪力達(dá)到446kN；墻體的負(fù)向剪力為-609kN。

4.2.3.2 結(jié)論：綜上，地下連續(xù)墻穩(wěn)定性能夠達(dá)到要求。

4.3 鋼格構(gòu)立柱穩(wěn)定性分析

4.3.1 分析模型。根據(jù)逆作區(qū)域立柱的受荷大小，結(jié)合工況分析，選擇III區(qū)的編號 LZJ16立柱為例，按壓彎構(gòu)件模型進(jìn)行分析。

圖16 立柱斷面圖

4.3.2 計(jì)算工況表，見表2。

表2 立柱荷載計(jì)算

可見，在處于工況三時，格構(gòu)柱受荷達(dá)到最大。

4.3.3 分析結(jié)果。

4.3.3.1 格構(gòu)柱強(qiáng)度計(jì)算，見表3。

表3 立柱強(qiáng)度計(jì)算

4.3.3.2 立柱整體穩(wěn)定性計(jì)算，見表4。

表4 立柱整體穩(wěn)定性計(jì)算

4.3.3.3 立柱分肢穩(wěn)定性計(jì)算，見表5。

表5 立柱分肢穩(wěn)定性計(jì)算

4.3.3.4 構(gòu)造要求：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.5條：

A、分肢長細(xì)比

B、綴板的線剛度之和同柱分肢的線剛度之比

綴板線剛度之和：

剛度比值：376372/47686=7.9≧6，滿足要求。

4.3.3.5 綴板強(qiáng)度驗(yàn)算：

經(jīng)計(jì)算，

4.3.3.6 結(jié)論：通過對計(jì)算結(jié)果的分析，鋼立柱的穩(wěn)定性和強(qiáng)度都能夠達(dá)到要求。

4.4 支承立柱樁穩(wěn)定性分析

4.4.1 分析模型。根據(jù)立柱樁的受荷情況及工況分析，選擇III區(qū)的編號LZJ16立柱對應(yīng)的樁進(jìn)行分析。

圖17 立柱模型

4.4.2 計(jì)算工況。根據(jù)支撐的布置以及施工安排，分為以下3種工況：

①工況一：開挖土方到首層樓板底部位置；②工況二：開挖土方到負(fù)二層樓板底部位置；③工況三：開挖土方到基礎(chǔ)底板底部位置；經(jīng)分析，在工況三的情況下，格構(gòu)柱受荷最大，立柱樁受荷相應(yīng)也最大。

4.4.3 分析結(jié)果。

4.4.3.1 單樁豎向承載力。根據(jù)單樁參數(shù)及土層參數(shù)計(jì)算樁側(cè)阻力：

表6 樁的側(cè)向摩阻力

經(jīng)計(jì)算，豎向承載力的特征值

4.4.3.2 受壓樁身承載力。計(jì)算得樁身受壓承載力 ][N=9692.25kN＞豎向承載力的特征值Ra=7649.561kN，滿足要求。

4.4.3.3 結(jié)論。經(jīng)分析，可見立柱樁穩(wěn)定性及承載力都能夠達(dá)到要求。

4.5 中間支承樁及立柱施工技術(shù)

采用反循環(huán)鉆孔形式進(jìn)行施工，“隔樁跳打”形式進(jìn)行施工。膨潤土造漿，比重處于1.15到1.20之間。

樁端持力層選擇進(jìn)入5-2層≥0.8m。

4.6 土方工程施工技術(shù)

II區(qū)、III區(qū)開挖采用機(jī)械+人工的開挖方式，基坑內(nèi)采用小型挖掘機(jī)械進(jìn)行開挖土轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。然后采用大型抓斗或者伸縮臂等設(shè)備在基坑外將土方運(yùn)出[5]。

本區(qū)域土方開挖分三層施工，如圖18所示。

5 逆作法區(qū)域基坑監(jiān)測技術(shù)

5.1 監(jiān)測項(xiàng)目

表7 監(jiān)測項(xiàng)目一覽表

圖19 二區(qū)、三區(qū)監(jiān)測點(diǎn)平面位置圖

5.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測結(jié)論

5.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

表8 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.2.2 監(jiān)測結(jié)論。基坑監(jiān)測各項(xiàng)目的變化速率及累計(jì)值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，未出現(xiàn)報(bào)警值或異常情況，表明該基坑支護(hù)體系安全可靠，確?；影踩玔6]。

6 “順逆結(jié)合”的實(shí)施效果

6.1 安全可靠

II區(qū)、III區(qū)“順逆結(jié)合”實(shí)施過程中，基坑監(jiān)測各項(xiàng)目的變化速率及累計(jì)值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，未出現(xiàn)報(bào)警值和異常情況，表明該基坑支護(hù)體系安全可靠，基坑安全。

6.2 質(zhì)量優(yōu)良

質(zhì)量總體優(yōu)良，未出滲漏現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6.3 確保工期

“順逆結(jié)合”施工實(shí)施的順利進(jìn)行，既保證了塔樓工期，又保證了裙樓地下室的工期，和順作法相比，節(jié)約工期70天。

6.4 經(jīng)濟(jì)效益

“順逆結(jié)合”實(shí)施后，通過經(jīng)濟(jì)性對比，較其他方案節(jié)約成本約200萬元。

7 結(jié)論及建議

本項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)局部采用“順逆結(jié)合”施工，有效解決了在城市中心區(qū)，緊鄰地鐵的復(fù)雜環(huán)境下，確保了項(xiàng)目安全可靠、質(zhì)量優(yōu)良，工程節(jié)點(diǎn)如期實(shí)現(xiàn)。超高層建筑，一般塔樓處于項(xiàng)目中心位置，而裙樓部分一般分布塔樓四周，加上城市用地緊張的原因，裙樓一般都緊貼著建筑紅線布置，所以當(dāng)進(jìn)行裙樓的施工作業(yè)時，場地變得十分狹小，在此情況下，可采取分區(qū)施工或逆作法施工技術(shù)。所以本項(xiàng)目裙樓 II區(qū)、III區(qū)地下結(jié)構(gòu)的施工，也是逆作法技術(shù)成功運(yùn)用的代表，為類似項(xiàng)目的施工積累了經(jīng)驗(yàn)或參考。