逆作法在高層建筑地基施工中的應(yīng)用

曹俊芳

(中鐵三局集團(tuán) 第四工程有限公司，北京 102300)

1 工程概況

和諧家園工程地上十六層，建筑高度45.0 m，地下兩層，為地下車庫、人防工程和地下設(shè)備層，基坑深度8.2 m，修建平面約為長105.0 m，寬59.0 m的矩形。施工現(xiàn)場可利用的場地較小，加工場、堆料場等無法設(shè)置，現(xiàn)場道路狹窄，且僅工地東側(cè)可以設(shè)出入口。由于本工程南側(cè)、北側(cè)及西側(cè)緊鄰現(xiàn)狀住宅樓及居民區(qū)，距用地紅線不到4.0 m，其西側(cè)路與醫(yī)院、居民區(qū)相鄰，南側(cè)為六層住宅小區(qū)，東側(cè)為鐵路。設(shè)計(jì)明確要求，必須嚴(yán)格控制基坑水平位移及豎向沉降，絕不容許出現(xiàn)相鄰建構(gòu)筑物發(fā)生傾斜、變形或路面開裂、下沉的情況。另一方面，從使用功能上提出要求，一是地下室的邊線應(yīng)盡量貼近用地紅線，以取得最大使用空間;二是要求盡可能縮短工期，以便及早安置回遷居民。

2 地質(zhì)情況

2.1 地層條件

根據(jù)北京京西建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司提供的巖土工程勘察報(bào)告，現(xiàn)場場地地形較平坦，地面絕對高程為106.70～107.58 m。在勘察范圍深度內(nèi)，場地地層主要由人工填土及一般第四紀(jì)洪沖積地層組成，各土層自上而下為:①層填土層為雜色，稍密，含碎石、磚塊、灰渣等，厚度約0.5～1.7 m;②層黏土層為褐黃色，稍濕，土質(zhì)均勻，含氧化鐵，厚度約2.6～3.7 m;③層卵石層為雜色，稍密，一般粒徑4～8 cm，最大粒徑14 cm，厚度約2.1～3.5 m;④細(xì)砂層為褐黃色，密實(shí)，砂質(zhì)較均勻，厚度約0～1.8 m;⑤中粗砂及粉砂層為褐黃色，松散，均勻厚度5.5 m;⑥卵石層為雜色，中密，一般粒徑4～8 cm，最大粒徑18 cm。

2.2 地下水情況

擬建場區(qū)內(nèi)在勘察期間 25.00 m深度范圍內(nèi)，未見地下水，擬建場地地下水位埋深近3～5年內(nèi)在絕對高程81.70 m以下。

3 施工方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

由于施工場地狹小，且地下結(jié)構(gòu)南側(cè)5.1 m處有一六層居民住宅樓，北側(cè)辦公樓距紅線4.0 m，為克服場地狹小，保證施工進(jìn)度，避免施工擾民等綜合各方面因素，結(jié)合現(xiàn)場施工條件確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁，支撐柱采用鋼管柱，圍護(hù)樁和鋼管柱均采用人工挖孔，地下室施工采用逆作法施工技術(shù)。

按設(shè)計(jì)圖地下圍護(hù)樁為 φ800 mm，深度13.2 m，即到達(dá)基坑底面以下5.0 m為錨固深度，以確保其穩(wěn)定效果用以抵抗挖土?xí)r外側(cè)土壓力和固定連接地下室樓層板，見表1。

鋼管柱設(shè)計(jì)采用φ750高強(qiáng)硅鋼管柱，長12.0 m。當(dāng)人工挖孔樁完成后，通過安裝定位器附屬裝置，把成形的1層至負(fù)2層的鋼管柱、電梯筒內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)架柱一次定位吊裝到位。

表1 圍護(hù)樁的施工參數(shù)

3.2 逆作法施工工序

本工程逆作法施工是先施工地下圍護(hù)樁作為擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以先澆筑的負(fù)1層樓板作為水平支撐，同時(shí)向上向下雙向施工。具體施工流程為:人工挖孔施工地下圍護(hù)樁和支撐柱→吊裝鋼管柱→0層梁板→負(fù)1層土方開挖→負(fù)1層地下室梁底板和外墻→負(fù)2層土方開挖→負(fù)2層地下室底板、負(fù)2層外墻→地下室完成。逆作法施工程序示意如圖1。

圖1 逆作法施工程序示意圖

3.3 逆作法步驟

1)按基礎(chǔ)外圍面積，先施工四周的支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)體系采用地下排樁支護(hù)，排樁采用挖孔樁，人工挖孔樁采用間隔跳段施工，成孔后下鋼筋籠澆筑C25號混凝土。

2)按設(shè)計(jì)圖施工中間支承柱和基礎(chǔ)，人工挖孔樁分為基樁部分與上部空段兩部分。當(dāng)基樁部分澆筑到樁頂設(shè)計(jì)高程時(shí)，便由工人下去布置定位環(huán)安裝定位鋼板并調(diào)校水平，然后由工人在下面扶正、卡位，保證其垂直度后，在地面用十字架固定鋼管柱上端，用高拋法澆筑管內(nèi)混凝土。

3)利用0以下的土方夯實(shí)修整后作地模，澆筑地下室0層的頂層鋼筋混凝土的梁和板，梁、板體系為圍護(hù)樁提供牢固的側(cè)向支承，其結(jié)構(gòu)類似于對撐體系。并在此層預(yù)留出挖土的出土洞口，在平面靠近便路處預(yù)留8 m×10 m出土口，方便運(yùn)輸。

4)進(jìn)行地下室一層土方開挖并清運(yùn)到室外卸土區(qū)，土方開挖至-4 m高程，施工負(fù)二層樓面梁板及上部結(jié)構(gòu)，負(fù)二層樓面出土口位置與首層同等。就地下圍護(hù)樁而言，首層和負(fù)二層樓面的水平剛度可視為兩個(gè)鉸支座。但是出土口處的槽段應(yīng)設(shè)置腰梁和鋼支持。

5)開挖至-8.2 m高程(地下室底板底)，完成土方施工，施工底板和負(fù)二層樓側(cè)墻，吊出挖土機(jī)，封閉出土口。至此地下室土建主體已竣工，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)也已施工到8層。

4 逆作法施工的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 支柱樁正確定位

逆作法施工時(shí)，支承垂直力的是由工程樁接高的鋼管柱，將來在立柱外再包裹混凝土作正式地下室柱，所以其軸線位置與垂直度必須正確，要求偏差在20 mm以內(nèi)，否則會影響正式工程柱子位置的正確性，由于鋼管柱支承在人工挖孔樁上，故兩者的準(zhǔn)確連接是施工中的一大重點(diǎn)和難點(diǎn)，本工程采用設(shè)置限位鋼板的方法來固定鋼管柱(如圖2)，在人工挖孔樁樁芯混凝土上安裝25 mm厚M1型環(huán)形鋼板，在其上焊接3個(gè)16 mm厚限位鋼板用于固定鋼管位置，然后吊裝鋼管柱及澆筑樁芯混凝土封住鋼管柱腳，這樣就能最大限度地保證鋼管柱的準(zhǔn)確連接，且施工快捷。

圖2 鋼管柱定位圖(單位:mm)

4.2 沉降差異控制

逆作法是先施工地下室樓板與上部結(jié)構(gòu)，后施工基礎(chǔ)大底板，所以工程樁在施工前期部分受力部分不受力，因此，各根立柱會有沉降產(chǎn)生。如果各根立柱之間或立柱與圍護(hù)排樁之間有較大的沉降差，已澆筑的樓板與梁系就會產(chǎn)生裂縫，危及正式結(jié)構(gòu)的安全。以往的逆作法施工之所以不能從試驗(yàn)研究推廣到大型工程，主要難點(diǎn)就是變形控制無法把握。現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變形控制能夠把握，在成功的工程中，采取的措施主要有兩條。

1)設(shè)定工況并計(jì)算沉降

逆作法施工順序是事先設(shè)定的，在挖土的各個(gè)階段，立柱與地墻排樁受力可以正確計(jì)算，按荷載與地基樁和地質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行沉降估算，各立柱與地墻排樁相鄰沉降計(jì)算差值應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，其沉降差一般按結(jié)構(gòu)允許可以定為10～20 mm。

2)施工動(dòng)態(tài)控制

巖土力學(xué)的計(jì)算與實(shí)際相差很大，因此保證結(jié)構(gòu)安全是信息化施工的重要任務(wù)。對地下墻、柱、樁，垂直與水平變形、地下水位變化、挖土工況條件等要全面進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)實(shí)測結(jié)果再按實(shí)際工況來反算土體力學(xué)參數(shù)，修正下一步工況計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)相鄰柱間沉降差超過報(bào)警值，可以采取停止上部結(jié)構(gòu)施工、局部放慢或加速挖土、個(gè)別地方可采取注漿和加固等措施，這些措施在和諧家園施工中都實(shí)施過。實(shí)踐證明，動(dòng)態(tài)控制可以保證沉降差在一定范圍之內(nèi)的要求。

為保證逆作法施工時(shí)圍護(hù)排樁的變形側(cè)移在安全范圍內(nèi)，本工程在圍護(hù)樁上每隔20 m設(shè)1個(gè)觀測點(diǎn)，以防圍護(hù)樁出現(xiàn)較大位移。通過本工程逆作法施工實(shí)踐，應(yīng)注意以下問題:減少基坑支撐暴露時(shí)間，以減小基坑變形;各種節(jié)點(diǎn)的連接方法要適當(dāng)，才能保證施工質(zhì)量;充分考慮混凝土的收縮對排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。在整個(gè)施工過程中，地下圍護(hù)樁最大位移為14.3 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的允許值。基坑周邊地表未發(fā)現(xiàn)明顯下陷，相鄰結(jié)構(gòu)物未見明顯變化，施工效果非常理想。

4.3 逆作法施工中的挖土技術(shù)

挖土是逆作法施工的重要環(huán)節(jié)，有頂蓋的地下挖土難度大，周期長，不僅是影響工期的關(guān)鍵因素，而且挖土是產(chǎn)生變形的主要原因，也是施工安全的關(guān)鍵。由于采用逆作法施工，暗挖時(shí)受某些客觀條件影響限制而無法采用大型機(jī)械，為確保工期，本工程采用2臺pc100小型挖土機(jī)配合人力開挖，且每個(gè)工作面配備10～15人，地下水平運(yùn)輸采用人力拖車運(yùn)輸?shù)匠鐾量紫拢鐾恋踹\(yùn)由提升設(shè)備完成，再由卡車運(yùn)出工地。按正常情況應(yīng)能保證每天完成300 m3土方量，為保證土方被及時(shí)清運(yùn)離場，根據(jù)現(xiàn)場情況，本工程利用了預(yù)留的2個(gè)車道口，并采用鋼結(jié)構(gòu)龍門架2臺電動(dòng)葫蘆及吊斗進(jìn)行土方運(yùn)輸，從而滿足每天土方運(yùn)輸量的要求，見圖3。

圖3 向上施工結(jié)構(gòu)、向下施工挖土示意

4.4 柱、梁、板的節(jié)點(diǎn)施工

由于逆作法施工，其地下室的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式與常規(guī)施工法有較大的區(qū)別。墻梁是將圍護(hù)樁上預(yù)留的埋件鑿出焊上鋼筋，柱梁的節(jié)點(diǎn)施工是先在中柱樁預(yù)留的鋼圈上焊上鋼筋，然后綁扎梁、板的鋼筋、澆搗混凝土，待基礎(chǔ)大底板完成后，再澆搗外包復(fù)合柱和復(fù)合墻的混凝土，見圖4。

圖4 支撐柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)

因此施工中預(yù)埋件位置必須正確完好，后續(xù)焊接必須牢固。后澆混凝土要采取可靠措施，做到密實(shí)無收縮裂縫，這些都是逆作法施工中必須注意采取的技術(shù)措施。

4.5 施工關(guān)鍵技術(shù)

1)施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行逆向思維。在正作法中，地下室的剪力墻如焦點(diǎn)筒、人防墻及地下室外墻等作為豎向構(gòu)件承受荷載。但在逆作法中，剪力墻是先施工上一層，再施工下一層，受力模式已發(fā)生變化，故創(chuàng)建計(jì)算模型時(shí)也應(yīng)調(diào)整輸入模式。為了有效地控制基坑變形，采用了圍護(hù)排樁作為基坑支護(hù)手段，地下室各層樓面的梁板體系作為水平側(cè)向支持，圍護(hù)結(jié)構(gòu)將與內(nèi)襯墻一起組成地下室外墻結(jié)構(gòu)，成為永久性構(gòu)件。

2)鋼管柱與梁板的就位連接。本工程采用環(huán)梁節(jié)點(diǎn)，須預(yù)先在鋼管上焊接抗剪環(huán)箍，且定位要求一定要準(zhǔn)確。施工地下室時(shí)如高程發(fā)生錯(cuò)誤，處理措施相當(dāng)困難，由于現(xiàn)場補(bǔ)焊環(huán)箍操作困難，而且管內(nèi)混凝土可能因溫度過高而影響受力性能。

3)鋼管柱吊裝的垂直度控制。由于逆作法的施工工藝的特別性，決定了地下室的豎向構(gòu)件必須采用鋼管柱或格構(gòu)式鋼柱，而吊裝這一豎向構(gòu)件時(shí)怎樣控制垂直度成為關(guān)鍵因素，本工程先在樁頂高程以下1 m處布置定位鋼板，定位鋼板有三個(gè)調(diào)整螺栓，以調(diào)整鋼板水平，鋼管柱中部采用鋼筋制成籠狀定位架，在地面也設(shè)有井字形定位木架，實(shí)踐證明，這種定位方法取得了較高的精度，可以滿足工程需要。

4)地下室樓面梁與圍護(hù)樁的連接。在逆作法工程中，內(nèi)襯墻尚未完成，邊跨的樓面梁一端支承在鋼管柱上，另一端則必須支承在地下圍護(hù)樁上。原計(jì)劃在地下圍護(hù)樁鋼筋籠中預(yù)埋連接鋼筋，地下室開挖后鑿去混凝土保護(hù)層后，扳出鋼筋與梁鋼筋焊接即可，但由于施工偏差及方案修改，這些預(yù)埋鋼筋位置難免有偏差出現(xiàn)，施工中可采用局部植筋的措施解決。

5)開挖深度的控制。土方開挖過程中必須嚴(yán)格控制開挖深度，避免圍護(hù)樁及鋼管柱的失穩(wěn)，并應(yīng)在圍護(hù)樁上進(jìn)行測斜監(jiān)控。

6)樁基選定。從鋼管柱布置定位的要求來看，人工挖孔樁是較好的選擇，筆者曾在另一個(gè)工程中使用鉆孔灌注樁，由于泥漿的作用，鋼管柱難以保證垂直度，開挖后發(fā)現(xiàn)偏差較大。就本工程的地質(zhì)情況而言，黏土層和砂層比較厚且無地下水，適合采用挖孔樁。事實(shí)證明，這一措施是有效的。

5 結(jié)語

通過該工程的實(shí)踐表明，逆作法與通常的施工方法相比有著不可替代的優(yōu)勢。

1)基坑與地下室結(jié)構(gòu)施工不占用關(guān)鍵線路工期，顯著地壓縮了工程施工的總工期，本工程采用逆作法比采用正作法壓縮了至少兩個(gè)月工期，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2)基坑施工最擔(dān)心的問題是影響鄰近地下建筑與管線安全，一般的支撐型支護(hù)體系，土體水平與垂直變形達(dá)500 mm以上，而逆作法可以控制在30 mm以內(nèi)。基坑變形小，相鄰建構(gòu)筑物影響小，實(shí)測效果表明基坑最大變形不夠20 mm，周邊路面沉降量也極小，未造成不良影響。

3)可最大限度地使用規(guī)劃紅線地下空間，在容許區(qū)域內(nèi)充分?jǐn)U大地下室修建面積。

4)由于支護(hù)樁與結(jié)構(gòu)墻合一，支撐與樓板合一，工程成本有了較大降低。

［1］夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］李艷春.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

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