譚 宇, 黃 濤, 左朝暉, 戴清峰

(湖南建工集團工程設計研究院有限公司，長沙 410004)

0 引言

隨著我國城市建設的高速發(fā)展,城市核心商圈高層及超高層建筑鱗次櫛比,其地下室因結構穩(wěn)定及功能需要,地下層數(shù)不斷增加,地下室通常深達幾十米;同時城市核心區(qū)地價飛漲,土地有效利用率越來越高,地下室無限貼近用地紅線建設,施工場地狹小[1]。為解決類似工程的經(jīng)濟、安全、質量、合理的工程進度以及周邊環(huán)境的保護等問題,住建部頒布的《建筑業(yè)10項新技術》(2017版)[2]推廣逆作法的應用。近年來大量的工程采用此技術,獲得了較好的社會和經(jīng)濟效益[3-6]。

本文針對湖南旺旺醫(yī)院二期醫(yī)療大樓所處環(huán)境和地質水文條件,通過計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、豎向樁柱轉換體系的設計分析及技術措施;并針對全逆作法施工工藝存在的一些共性問題提出解決方案并在工程中設計實踐;最后,總結全逆作法的應用范圍及技術措施,以期為同類工程參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

湖南旺旺醫(yī)院位于長沙市芙蓉區(qū)萬家麗路與人民東路交匯處的東南角,長沙地鐵5、6號線交匯于此。醫(yī)院整體規(guī)劃規(guī)模達到2 000床,日門診量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,地下室平面長約150m、寬約750m,地下6層,基坑開挖深度達32.1m;地上20層,建筑面積約120 000m2。

1.2 環(huán)境概況

項目地下室緊貼用地紅線建設,四周建(構)筑物密集。北側一期醫(yī)療大樓距基坑僅5.5m;東側綜合樓地下室緊鄰本項目基坑,本項目建成后與之聯(lián)通;南側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;西側是萬家麗路,其上是高架,其下是地鐵5號線,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 水文地質概況

根據(jù)鉆探揭露,本場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粉砂巖。

場地地表水主要為地表大氣降水及鄰近建筑生活用水,場地內無明顯的地表徑流。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。場地內基巖裂隙水未形成連續(xù)水位面,水量小,本次勘察未測得基巖裂隙水。

根據(jù)室內滲透試驗及抽水試驗結果,結合地區(qū)經(jīng)驗綜合判定,場地內除粉砂、中砂和圓礫為強透水性地層外,其他各地層均為弱透水性地層。

2 工程特點及難點分析

(1)基坑開挖深度大,達32.00m以上,屬超深基坑?？又芙?構)筑物及管網(wǎng)密集,環(huán)境保護要求高?；邮┕け仨毚_保周邊場地變形滿足建(構)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,施工場地狹小,四周無可用場地供基坑支護設置外錨等構件。

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

(4)基坑土石方量大,約40萬方,且大部分為石方,項目地處鬧市區(qū),開挖運輸均有嚴格的時間限制,外加考慮天氣因素,實際可施工時段非常有限。因此,需盡量減少土方工程對項目施工總工期的影響。

(5)項目緊鄰醫(yī)院一期住院樓且基坑面積超1萬m2,需要將土石方施工期間產(chǎn)生的揚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

本工程設計時針對支護體采用壁式地下連續(xù)墻的內撐逆作法與順作法進行了分析比較,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

對比圖1、2的施工流程可見:順作法施工時地下工程完工是地上工程開始施工的先決條件;全逆作法施工時地上地下是同步施工,互不牽制。已有工程的實施效果表明,當建筑規(guī)模大,地下地上層數(shù)多時,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,地上建筑竣工時地下工程施工完畢,地下工程幾乎未占用一天關鍵工期。

為比較兩種施工方法的經(jīng)濟效益以及對環(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行了基坑支護整體及單元分析計算,計算結果見表1。由表可得,無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)墻加內支撐的形式,地下連續(xù)墻水平位移及坑外場地沉降值均能滿足安全及環(huán)境保護的需要;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地沉降值比全逆作法稍大一點。順作法時需要設置大量的鋼筋混凝土臨時支撐,并且需要拆換兩道工序,耗時費力,這就增加了工程的投資并影響了施工進度,同時這些臨時支撐拆除后就是建筑垃圾又增加了環(huán)境保護的負擔。因此本工程采用全逆作法相較順作法具有明顯的優(yōu)勢。

表1 三維基坑模型計算結果對比

3.2 全逆作法在本工程中的優(yōu)勢

經(jīng)過前面的分析對比,結合本工程建筑結構及基坑特點、場地工程地質水文條件等因素,本工程采用全逆作法基坑圍護設計方案[7]。結構設計根據(jù)全逆作法實際工序,考慮多種工況建模分析對比,以地下1層結構板為界面,地下室結構每完成1層,上部主體結構施工5層;同時運用BIM建立出土工況模型,對關鍵工序進行施工模擬,優(yōu)化開挖過程中人、材、機布置,從前期直觀高效地完善項目的施工組織管理,有效避免了多重交叉施工條件下的作業(yè)沖突,確保施工進度及過程中的可靠性和準確性。全逆作法施工方案有以下優(yōu)勢。

(1)縮短總工期:在地下結構完工的同時完成地上20層結構,實現(xiàn)地上、地下同步施工,可大大加快地上結構的施工進度,節(jié)省總工期;同時地下1層以下土方開挖時地下室首層結構已施工完成,可實現(xiàn)全天候施工,減小了惡劣天氣對土方開挖和地下結構施工的影響,為施工工期的加快進一步創(chuàng)造了條件。

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

(3)經(jīng)濟性:本工程基坑開挖深度深,采用地下室結構梁板代替水平支撐體系,可節(jié)省大量臨時圍護結構的工程量,具有較為明顯的經(jīng)濟優(yōu)越性;同時本工程地下連續(xù)墻、立柱樁、鋼立柱設計時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計形式,具有明顯的經(jīng)濟性。

(4)施工場地: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,基地周邊施工場地極為狹小,本工程將地下室頂板加固作為施工平臺和材料堆場,可有效解決基地周邊施工場地狹小問題。

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

4 技術措施

4.1 地下連續(xù)墻連接及防滲漏技術措施

4.1.1 墻身防水

本工程地下連續(xù)墻混凝土強度等級為C35,抗?jié)B等級為P12。設計中采取以下措施提高墻身施工質量,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)適當提高護壁泥漿比重,有效提高槽壁的穩(wěn)定性;3)在地下連續(xù)墻兩側設置水泥土攪拌樁加固槽壁,加固范圍為自然地坪至強風化巖面頂,以防止塌槽,提高地下連續(xù)墻成槽及澆筑質量。

4.1.2 槽段接頭設計

本工程槽段兩端采用工字形接頭并配合設置圓形鎖口管的形式,這種接頭設計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造及內襯墻防水

本工程在地下連續(xù)墻槽幅分縫位置設置截面尺寸為450mm×1200mm的扶壁柱,扶壁柱通過預先在地下連續(xù)墻內預留的鋼筋與地下連續(xù)墻形成整體連接,從而增強地下連續(xù)墻接縫位置的防滲性能。同時平齊扶壁柱內側設置通長的內襯墻,車道板區(qū)域設置鋼筋混凝土內襯墻,其余區(qū)域設置磚砌內襯墻。鋼筋混凝土內襯墻通過預先在地下連續(xù)墻內預留的鋼筋與地下連續(xù)墻形成整體連接;磚砌內襯墻厚為200mm,磚墻內壁做防潮處理,內襯墻與地下連續(xù)墻之間形成250mm空腔,在每一樓面空腔處設置導流溝,各層導流溝用豎管連通,使用階段如局部地下連續(xù)墻有細微滲漏時,可通過導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)墻與地下室各結構層連接及防水

(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層結構梁板二次澆筑,因此地下連續(xù)墻與1層結構存在兩個二次澆筑施工縫。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的凹槽以增加連接部位的滲透路徑,同時在槽內放置遇水膨脹止水條;壓頂圈梁與1層結構梁板澆筑接縫處,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遇水膨脹止水條,再與1層結構梁板共同澆筑。

圖3 地下連續(xù)墻與壓頂圈梁關系

(2)地下連續(xù)墻與中間樓板連接

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

圖4 地下連續(xù)墻與樓板環(huán)梁關系

(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;連接部位考慮埋設兩道遇水膨脹止水條,底板與地下連續(xù)墻連接處設置嵌入地下連續(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)梁關系

4.2 結構梁板代水平支撐體系的計算分析與構造措施

4.2.1 計算分析

本工程利用地下結構的梁板等內部水平構件作為全逆作期間基坑工程施工階段的水平支撐,并在局部結構開洞區(qū)域設置鋼筋混凝土臨時支撐或臨時封板,與結構梁板共同形成水平支撐體系[1,8-9]。

為分析全逆作施工過程中作為水平支撐體系的結構梁板的受力變形性狀,本工程采用ANSYS對全逆作施工的結構梁板進行有限元分析,根據(jù)實際的支撐結構形式建立考慮圍檁、主梁、次梁和樓板的有限元模型,設置必要的邊界條件并施加荷載進行分析,結構參數(shù)取值如下:1)采用4節(jié)點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)點空間梁單元(Beam4);3)樓板周邊設置土體彈簧,采用彈簧單元(Comb14)。

地下1層樓板整體模型和相應變形云圖分別如圖6、7所示。

由圖7可知,在基坑開洞并設置臨時支撐的區(qū)域變形較大,總體計算變形均在可控范圍之內。結果表明在逆作區(qū)域利用結構梁板替代支撐作為水平受力構件是可靠的,由于結構體系的剛度較大,整體變形較小,而且結構板上的開口不影響結構整體受力,只需對開口增設邊梁加強即可。

圖7 地下1層樓板變形云圖/m

4.2.2 構造措施

為了保證水平力的有效傳遞,根據(jù)具體的結構高差情況,在結構框架梁和板加腋,結構梁板高差位置加腋示意圖見圖8。

圖8 結構梁板高差位置加腋示意圖

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

4.3 先頂后底豎向支承系統(tǒng)計算分析與構造措施

4.3.1 計算分析

本工程采用樁柱聯(lián)合承載體系作為豎向支承構件,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,內插入其下的灌注樁內一定長度。施工時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與鋼管混凝土柱。

計算時參考《鋼管混凝土疊合柱結構技術規(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行分析,不同階段所對應的鋼立柱計算跨度按實際情況分別取值,計算得出各類型鋼立柱的承載能力設計值。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的結構荷載值進行對比,對鋼立柱的承載力及穩(wěn)定性進行驗算以保證結構安全的可靠性。

4.3.2 構造措施

構造措施包括鋼立柱穩(wěn)定性提升措施及梁柱節(jié)點。

(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沒有澆灌混凝土,如果不采取措施,直徑不到750mm的鋼立柱高達27m,其穩(wěn)定性極低,為保證其穩(wěn)定性,在地下1層梁板面標高以下的鋼立柱與樁孔間采用8%水泥穩(wěn)定碎石(無側限抗壓強度為6MPa)回填,并分層對稱夯實,以保證鋼立柱的穩(wěn)定性,同時在分區(qū)域分層計算鋼立柱的承載力時,柱有效長度適當考慮加高。

(2)梁柱節(jié)點形式

在本工程中,根據(jù)樓層梁柱節(jié)點應力情況設計成兩種連接節(jié)點形式:高應力區(qū)采用環(huán)梁節(jié)點,低應力區(qū)采用傳力鋼環(huán)板節(jié)點。

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

傳力鋼環(huán)板節(jié)點的鋼環(huán)板、剪力環(huán)、栓釘要求在工廠焊接,在結構梁頂和梁底第一排鋼筋標高處,鋼管設置兩個方向的四塊環(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并與加勁環(huán)板焊接。

5 結論

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

(2)本工程對地下連續(xù)墻墻身、槽段接縫、地下連續(xù)墻與壓頂圈梁、各層結構梁板及基礎底板接縫防水以及內襯墻等防水薄弱環(huán)節(jié)進行了專項的防水設計,實施結果表明防水效果良好。

(3)利用地下室結構梁板替代支撐的設計體系,其結構體系的剛度較大,整體變形較小,節(jié)省了大量臨時支撐的施工與拆除,對周邊環(huán)境保護較為有利,且通過有限元分析及后期實施效果表明方案及設計的可靠性。

(4)豎向支承構件采用樁柱聯(lián)合承載體系,梁柱節(jié)點采用環(huán)梁節(jié)點形式和傳力鋼環(huán)板節(jié)點形式,通過前期計算分析及后期現(xiàn)場實踐對比,其豎向支承體系是安全可靠的。