譚 宇, 黃 濤, 左朝暉, 戴清峰

(湖南建工集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展,城市核心商圈高層及超高層建筑鱗次櫛比,其地下室因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及功能需要,地下層數(shù)不斷增加,地下室通常深達(dá)幾十米;同時(shí)城市核心區(qū)地價(jià)飛漲,土地有效利用率越來(lái)越高,地下室無(wú)限貼近用地紅線建設(shè),施工場(chǎng)地狹小[1]。為解決類似工程的經(jīng)濟(jì)、安全、質(zhì)量、合理的工程進(jìn)度以及周邊環(huán)境的保護(hù)等問(wèn)題,住建部頒布的《建筑業(yè)10項(xiàng)新技術(shù)》(2017版)[2]推廣逆作法的應(yīng)用。近年來(lái)大量的工程采用此技術(shù),獲得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[3-6]。

本文針對(duì)湖南旺旺醫(yī)院二期醫(yī)療大樓所處環(huán)境和地質(zhì)水文條件,通過(guò)計(jì)算分析比較全逆作法與順作法;接著介紹全逆作法地下連續(xù)墻、水平支撐、豎向樁柱轉(zhuǎn)換體系的設(shè)計(jì)分析及技術(shù)措施;并針對(duì)全逆作法施工工藝存在的一些共性問(wèn)題提出解決方案并在工程中設(shè)計(jì)實(shí)踐;最后,總結(jié)全逆作法的應(yīng)用范圍及技術(shù)措施,以期為同類工程參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

湖南旺旺醫(yī)院位于長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)萬(wàn)家麗路與人民東路交匯處的東南角,長(zhǎng)沙地鐵5、6號(hào)線交匯于此。醫(yī)院整體規(guī)劃規(guī)模達(dá)到2 000床,日門(mén)診量10 000人次以上。醫(yī)院二期醫(yī)療大樓總建筑面積約180 000m2,地下建筑面積約60 000m2,地下室平面長(zhǎng)約150m、寬約750m,地下6層,基坑開(kāi)挖深度達(dá)32.1m;地上20層,建筑面積約120 000m2。

1.2 環(huán)境概況

項(xiàng)目地下室緊貼用地紅線建設(shè),四周建(構(gòu))筑物密集。北側(cè)一期醫(yī)療大樓距基坑僅5.5m;東側(cè)綜合樓地下室緊鄰本項(xiàng)目基坑,本項(xiàng)目建成后與之聯(lián)通;南側(cè)市政支路路邊距基坑不足10m;西南角正在使用的地下污水站距基坑僅1.5m;西側(cè)是萬(wàn)家麗路,其上是高架,其下是地鐵5號(hào)線,最近處距基坑僅20m。四周各類管線密集,最近處距基坑距離小于2m。

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探揭露,本場(chǎng)地分布有人工填土層、植物層、第四系沖積及殘積層、下伏基巖為第三系泥質(zhì)粉砂巖。

場(chǎng)地地表水主要為地表大氣降水及鄰近建筑生活用水,場(chǎng)地內(nèi)無(wú)明顯的地表徑流。地下水主要為上層滯水和潛水。上層滯水主要為賦存于人工填土及第四系地層中,受大氣降水和地表水補(bǔ)給,水量不大,未形成連續(xù)穩(wěn)定的水位面;潛水主要賦存于粉砂、中砂和圓礫中,受大氣降水及周邊生活用水的下滲補(bǔ)給,水量較大,水位隨季節(jié)變化而變化,一般春夏季地下水位較高,秋冬季地下水位較低。水位變化幅度一般可按1～3m考慮。場(chǎng)地內(nèi)基巖裂隙水未形成連續(xù)水位面,水量小,本次勘察未測(cè)得基巖裂隙水。

根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)及抽水試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合判定,場(chǎng)地內(nèi)除粉砂、中砂和圓礫為強(qiáng)透水性地層外,其他各地層均為弱透水性地層。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

(1)基坑開(kāi)挖深度大,達(dá)32.00m以上,屬超深基坑?？又芙?構(gòu))筑物及管網(wǎng)密集,環(huán)境保護(hù)要求高?；邮┕け仨毚_保周邊場(chǎng)地變形滿足建(構(gòu))筑物及管網(wǎng)的正常使用要求。

(2)用地率高,基坑占地面積大,邊線緊貼用地紅線,施工場(chǎng)地狹小,四周無(wú)可用場(chǎng)地供基坑支護(hù)設(shè)置外錨等構(gòu)件。

(3)場(chǎng)地覆蓋層中地下水水量大,且大部分土層為強(qiáng)透水層,施工期間不宜大面積抽排水,可能導(dǎo)致地下工程滲漏,影響周邊環(huán)境的安全。

(4)基坑土石方量大,約40萬(wàn)方,且大部分為石方,項(xiàng)目地處鬧市區(qū),開(kāi)挖運(yùn)輸均有嚴(yán)格的時(shí)間限制,外加考慮天氣因素,實(shí)際可施工時(shí)段非常有限。因此,需盡量減少土方工程對(duì)項(xiàng)目施工總工期的影響。

(5)項(xiàng)目緊鄰醫(yī)院一期住院樓且基坑面積超1萬(wàn)m2,需要將土石方施工期間產(chǎn)生的揚(yáng)塵及噪音控制在最低水平。

3 解決方案

3.1 全逆作法與順作法的比較分析

本工程設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)支護(hù)體采用壁式地下連續(xù)墻的內(nèi)撐逆作法與順作法進(jìn)行了分析比較,擬采用的全逆作法和順作法的施工流程分別如圖1、2所示。

圖1 全逆作法施工流程

圖2 順作法施工流程

對(duì)比圖1、2的施工流程可見(jiàn):順作法施工時(shí)地下工程完工是地上工程開(kāi)始施工的先決條件;全逆作法施工時(shí)地上地下是同步施工,互不牽制。已有工程的實(shí)施效果表明,當(dāng)建筑規(guī)模大,地下地上層數(shù)多時(shí),采用全逆作法大約可縮短施工總工期的1/3[1,3-6]。按照本工程的工期安排,采用全逆作法,地上建筑竣工時(shí)地下工程施工完畢,地下工程幾乎未占用一天關(guān)鍵工期。

為比較兩種施工方法的經(jīng)濟(jì)效益以及對(duì)環(huán)境的影響等,采用有限元軟件建立了的基坑三維模型,按照全逆作法及順作法進(jìn)行了基坑支護(hù)整體及單元分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表可得,無(wú)論是全逆作法還是順作法,由于采用了剛度較大的壁式地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的形式,地下連續(xù)墻水平位移及坑外場(chǎng)地沉降值均能滿足安全及環(huán)境保護(hù)的需要;由于拆換支撐的二次受力影響,順作法的地下連續(xù)墻水平位移及坑外場(chǎng)地沉降值比全逆作法稍大一點(diǎn)。順作法時(shí)需要設(shè)置大量的鋼筋混凝土臨時(shí)支撐,并且需要拆換兩道工序,耗時(shí)費(fèi)力,這就增加了工程的投資并影響了施工進(jìn)度,同時(shí)這些臨時(shí)支撐拆除后就是建筑垃圾又增加了環(huán)境保護(hù)的負(fù)擔(dān)。因此本工程采用全逆作法相較順作法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 三維基坑模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 全逆作法在本工程中的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過(guò)前面的分析對(duì)比,結(jié)合本工程建筑結(jié)構(gòu)及基坑特點(diǎn)、場(chǎng)地工程地質(zhì)水文條件等因素,本工程采用全逆作法基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案[7]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)全逆作法實(shí)際工序,考慮多種工況建模分析對(duì)比,以地下1層結(jié)構(gòu)板為界面,地下室結(jié)構(gòu)每完成1層,上部主體結(jié)構(gòu)施工5層;同時(shí)運(yùn)用BIM建立出土工況模型,對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行施工模擬,優(yōu)化開(kāi)挖過(guò)程中人、材、機(jī)布置,從前期直觀高效地完善項(xiàng)目的施工組織管理,有效避免了多重交叉施工條件下的作業(yè)沖突,確保施工進(jìn)度及過(guò)程中的可靠性和準(zhǔn)確性。全逆作法施工方案有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)縮短總工期:在地下結(jié)構(gòu)完工的同時(shí)完成地上20層結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)地上、地下同步施工,可大大加快地上結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度,節(jié)省總工期;同時(shí)地下1層以下土方開(kāi)挖時(shí)地下室首層結(jié)構(gòu)已施工完成,可實(shí)現(xiàn)全天候施工,減小了惡劣天氣對(duì)土方開(kāi)挖和地下結(jié)構(gòu)施工的影響,為施工工期的加快進(jìn)一步創(chuàng)造了條件。

(2)環(huán)境保護(hù):考慮利用主體水平結(jié)構(gòu)作為支撐,相較于順作法采用鋼筋混凝土支撐體系,地下室結(jié)構(gòu)梁板剛度大于臨時(shí)支撐體系,可有效控制基坑變形和提高基坑的穩(wěn)定性,對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)較為有利;相較于錨桿支護(hù)體系,避免了因錨桿進(jìn)入周邊建筑基礎(chǔ)下方樁群內(nèi)而對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生不利影響。

(3)經(jīng)濟(jì)性:本工程基坑開(kāi)挖深度深,采用地下室結(jié)構(gòu)梁板代替水平支撐體系,可節(jié)省大量臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程量,具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性;同時(shí)本工程地下連續(xù)墻、立柱樁、鋼立柱設(shè)計(jì)時(shí)考慮與正常使用階段的地下室外墻、工程樁及框架柱合二為一的設(shè)計(jì)形式,具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

(4)施工場(chǎng)地:本工程地下室緊鄰用地紅線,且基坑處于周邊建筑及市政道路的合圍之地,基地周邊施工場(chǎng)地極為狹小,本工程將地下室頂板加固作為施工平臺(tái)和材料堆場(chǎng),可有效解決基地周邊施工場(chǎng)地狹小問(wèn)題。

(5)工地文明形象好:本基坑工程位于醫(yī)院內(nèi)部,采用全逆作法,地下結(jié)構(gòu)先行施工,地上結(jié)構(gòu)也很快進(jìn)入施工狀態(tài),工地形象好,而且全逆作法施工時(shí),大量施工設(shè)備均在地下室頂板之下作業(yè),對(duì)外界噪音降至最低,從而大幅降低擾民程度。

4 技術(shù)措施

4.1 地下連續(xù)墻連接及防滲漏技術(shù)措施

4.1.1 墻身防水

本工程地下連續(xù)墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,抗?jié)B等級(jí)為P12。設(shè)計(jì)中采取以下措施提高墻身施工質(zhì)量,保證墻身自身防水能力:1)地下連續(xù)墻正式施工前,先試成槽以確定合理的施工參數(shù);2)適當(dāng)提高護(hù)壁泥漿比重,有效提高槽壁的穩(wěn)定性;3)在地下連續(xù)墻兩側(cè)設(shè)置水泥土攪拌樁加固槽壁,加固范圍為自然地坪至強(qiáng)風(fēng)化巖面頂,以防止塌槽,提高地下連續(xù)墻成槽及澆筑質(zhì)量。

4.1.2 槽段接頭設(shè)計(jì)

本工程槽段兩端采用工字形接頭并配合設(shè)置圓形鎖口管的形式,這種接頭設(shè)計(jì)能夠增加墻段接頭處可能出現(xiàn)的地下水的滲流路徑,提高接頭處防水能力;同時(shí)提高接頭的剛度及地下連續(xù)墻的整體性。

4.1.3 槽幅分縫位置連接構(gòu)造及內(nèi)襯墻防水

本工程在地下連續(xù)墻槽幅分縫位置設(shè)置截面尺寸為450mm×1200mm的扶壁柱,扶壁柱通過(guò)預(yù)先在地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)留的鋼筋與地下連續(xù)墻形成整體連接,從而增強(qiáng)地下連續(xù)墻接縫位置的防滲性能。同時(shí)平齊扶壁柱內(nèi)側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)的內(nèi)襯墻,車道板區(qū)域設(shè)置鋼筋混凝土內(nèi)襯墻,其余區(qū)域設(shè)置磚砌內(nèi)襯墻。鋼筋混凝土內(nèi)襯墻通過(guò)預(yù)先在地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)留的鋼筋與地下連續(xù)墻形成整體連接;磚砌內(nèi)襯墻厚為200mm,磚墻內(nèi)壁做防潮處理,內(nèi)襯墻與地下連續(xù)墻之間形成250mm空腔,在每一樓面空腔處設(shè)置導(dǎo)流溝,各層導(dǎo)流溝用豎管連通,使用階段如局部地下連續(xù)墻有細(xì)微滲漏時(shí),可通過(guò)導(dǎo)流溝和豎管引至積水坑排出,以保證地下室的永久干燥。

4.1.4 地下連續(xù)墻與地下室各結(jié)構(gòu)層連接及防水

(1)地下連續(xù)墻與頂板連接

地下連續(xù)墻頂部設(shè)置貫通、封閉的壓頂圈梁,該圈梁與地下連續(xù)墻二次澆筑,又與1層結(jié)構(gòu)梁板二次澆筑,因此地下連續(xù)墻與1層結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)二次澆筑施工縫。為確保二次澆筑施工縫位置的防水可靠性,在墻頂位置留置通長(zhǎng)的凹槽以增加連接部位的滲透路徑,同時(shí)在槽內(nèi)放置遇水膨脹止水條;壓頂圈梁與1層結(jié)構(gòu)梁板澆筑接縫處,提前鑿除如圖3所示陰影部分,并在陰影部分的平面及立面加設(shè)遇水膨脹止水條,再與1層結(jié)構(gòu)梁板共同澆筑。

圖3 地下連續(xù)墻與壓頂圈梁關(guān)系

(2)地下連續(xù)墻與中間樓板連接

地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)留插筋和剪力槽,與地下室各層環(huán)梁進(jìn)行有效連接,環(huán)梁再與各層梁板進(jìn)行連接,如圖4所示。

圖4 地下連續(xù)墻與樓板環(huán)梁關(guān)系

(3)地下連續(xù)墻與底板連接

地下室底板處地下連續(xù)墻預(yù)留插筋、接駁器及剪力槽,插筋錨入底板,底板鋼筋接入地下連續(xù)墻接駁器;連接部位考慮埋設(shè)兩道遇水膨脹止水條,底板與地下連續(xù)墻連接處設(shè)置嵌入地下連續(xù)墻中的底板環(huán)梁,將各幅地下連續(xù)墻槽段連成整體并與底板可靠連接,如圖5所示。

圖5 地下連續(xù)墻與底板環(huán)梁關(guān)系

4.2 結(jié)構(gòu)梁板代水平支撐體系的計(jì)算分析與構(gòu)造措施

4.2.1 計(jì)算分析

本工程利用地下結(jié)構(gòu)的梁板等內(nèi)部水平構(gòu)件作為全逆作期間基坑工程施工階段的水平支撐,并在局部結(jié)構(gòu)開(kāi)洞區(qū)域設(shè)置鋼筋混凝土臨時(shí)支撐或臨時(shí)封板,與結(jié)構(gòu)梁板共同形成水平支撐體系[1,8-9]。

為分析全逆作施工過(guò)程中作為水平支撐體系的結(jié)構(gòu)梁板的受力變形性狀,本工程采用ANSYS對(duì)全逆作施工的結(jié)構(gòu)梁板進(jìn)行有限元分析,根據(jù)實(shí)際的支撐結(jié)構(gòu)形式建立考慮圍檁、主梁、次梁和樓板的有限元模型,設(shè)置必要的邊界條件并施加荷載進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下:1)采用4節(jié)點(diǎn)空間板單元模擬逆作樓板(Shell43);2)主梁、次梁、環(huán)梁、圍檁、托換梁和出土口邊梁均采用2節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧?Beam4);3)樓板周邊設(shè)置土體彈簧,采用彈簧單元(Comb14)。

地下1層樓板整體模型和相應(yīng)變形云圖分別如圖6、7所示。

由圖7可知,在基坑開(kāi)洞并設(shè)置臨時(shí)支撐的區(qū)域變形較大,總體計(jì)算變形均在可控范圍之內(nèi)。結(jié)果表明在逆作區(qū)域利用結(jié)構(gòu)梁板替代支撐作為水平受力構(gòu)件是可靠的,由于結(jié)構(gòu)體系的剛度較大,整體變形較小,而且結(jié)構(gòu)板上的開(kāi)口不影響結(jié)構(gòu)整體受力,只需對(duì)開(kāi)口增設(shè)邊梁加強(qiáng)即可。

圖7 地下1層樓板變形云圖/m

4.2.2 構(gòu)造措施

為了保證水平力的有效傳遞,根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)高差情況,在結(jié)構(gòu)框架梁和板加腋,結(jié)構(gòu)梁板高差位置加腋示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 結(jié)構(gòu)梁板高差位置加腋示意圖

車道區(qū)域高差處理須兼顧結(jié)構(gòu)受力和施工車輛通行兩個(gè)方面的因素,本工程車道臨地下室外墻設(shè)置,為確保將水平推力傳至樓層梁板采取了以下兩種措施:一是在高差處設(shè)置斜撐構(gòu)件,讓水平土壓力可以通過(guò)斜撐有效傳遞至樓面梁板;二是利用車道旁的采光通風(fēng)井設(shè)置豎向梁式構(gòu)件,土壓力通過(guò)此構(gòu)件傳至框架梁柱節(jié)點(diǎn),再由框架柱通過(guò)水平梁板傳遞水平力[8]。

4.3 先頂后底豎向支承系統(tǒng)計(jì)算分析與構(gòu)造措施

4.3.1 計(jì)算分析

本工程采用樁柱聯(lián)合承載體系作為豎向支承構(gòu)件,豎向支承系統(tǒng)由鋼立柱和立柱樁組成。由于框架柱網(wǎng)規(guī)則,單柱荷載較大,本工程的鋼立柱采用鋼管混凝土柱,內(nèi)插入其下的灌注樁內(nèi)一定長(zhǎng)度。施工時(shí)首先將立柱樁鋼筋籠及鋼管置入樁孔之中,再澆筑混凝土依次形成樁基礎(chǔ)與鋼管混凝土柱。

計(jì)算時(shí)參考《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 188∶2005)[10]6.2.3條,根據(jù)不同類型立柱在不同逆作階段進(jìn)行分析,不同階段所對(duì)應(yīng)的鋼立柱計(jì)算跨度按實(shí)際情況分別取值,計(jì)算得出各類型鋼立柱的承載能力設(shè)計(jì)值。再把鋼立柱在不同階段的承載力最小值與最不利工況下需承擔(dān)的結(jié)構(gòu)荷載值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)鋼立柱的承載力及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算以保證結(jié)構(gòu)安全的可靠性。

4.3.2 構(gòu)造措施

構(gòu)造措施包括鋼立柱穩(wěn)定性提升措施及梁柱節(jié)點(diǎn)。

(1)鋼立柱穩(wěn)定性措施

本工程灌注樁混凝土只澆灌至底板底面,底板底面以上樁孔內(nèi)沒(méi)有澆灌混凝土,如果不采取措施,直徑不到750mm的鋼立柱高達(dá)27m,其穩(wěn)定性極低,為保證其穩(wěn)定性,在地下1層梁板面標(biāo)高以下的鋼立柱與樁孔間采用8%水泥穩(wěn)定碎石(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6MPa)回填,并分層對(duì)稱夯實(shí),以保證鋼立柱的穩(wěn)定性,同時(shí)在分區(qū)域分層計(jì)算鋼立柱的承載力時(shí),柱有效長(zhǎng)度適當(dāng)考慮加高。

(2)梁柱節(jié)點(diǎn)形式

在本工程中,根據(jù)樓層梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力情況設(shè)計(jì)成兩種連接節(jié)點(diǎn)形式:高應(yīng)力區(qū)采用環(huán)梁節(jié)點(diǎn),低應(yīng)力區(qū)采用傳力鋼環(huán)板節(jié)點(diǎn)。

環(huán)梁節(jié)點(diǎn)在施工現(xiàn)場(chǎng)支模制作,在鋼立柱的周邊設(shè)置一圈剛度較大的鋼筋混凝土環(huán)梁,形成一個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)區(qū),利用這個(gè)剛性區(qū)域的整體工作來(lái)承受和傳遞梁端的彎矩和剪力,鋼筋混凝土環(huán)梁與鋼立柱通過(guò)環(huán)筋、栓釘或鋼牛腿等方式形成整體連接,如此以來(lái)框架梁主筋錨入鋼筋混凝土環(huán)梁,而不必穿過(guò)鋼立柱。

傳力鋼環(huán)板節(jié)點(diǎn)的鋼環(huán)板、剪力環(huán)、栓釘要求在工廠焊接,在結(jié)構(gòu)梁頂和梁底第一排鋼筋標(biāo)高處,鋼管設(shè)置兩個(gè)方向的四塊環(huán)形加勁板,雙向框架梁頂部和底部第一排主筋遇鋼管阻擋處鋼筋斷開(kāi)并與加勁環(huán)板焊接。

5 結(jié)論

(1)在城市核心商圈區(qū)域,施工場(chǎng)地狹小且環(huán)境保護(hù)要求較高的情況下,采用全逆作法不僅可以縮短總工期,還有較大經(jīng)濟(jì)性,且工地形象較好,有利于環(huán)境保護(hù)、減少施工擾民。

(2)本工程對(duì)地下連續(xù)墻墻身、槽段接縫、地下連續(xù)墻與壓頂圈梁、各層結(jié)構(gòu)梁板及基礎(chǔ)底板接縫防水以及內(nèi)襯墻等防水薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了專項(xiàng)的防水設(shè)計(jì),實(shí)施結(jié)果表明防水效果良好。

(3)利用地下室結(jié)構(gòu)梁板替代支撐的設(shè)計(jì)體系,其結(jié)構(gòu)體系的剛度較大,整體變形較小,節(jié)省了大量臨時(shí)支撐的施工與拆除,對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)較為有利,且通過(guò)有限元分析及后期實(shí)施效果表明方案及設(shè)計(jì)的可靠性。

(4)豎向支承構(gòu)件采用樁柱聯(lián)合承載體系,梁柱節(jié)點(diǎn)采用環(huán)梁節(jié)點(diǎn)形式和傳力鋼環(huán)板節(jié)點(diǎn)形式,通過(guò)前期計(jì)算分析及后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐對(duì)比,其豎向支承體系是安全可靠的。