大型深基坑逆作法施工關鍵技術研究*

龍莉波

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

傳統施工方法是敞開式施工（順作法），即用支護結構圍護后垂直開挖，挖至設計標高后澆筑底板，再由下而上逐層施工各層地下室結構。逆作法采用水平梁板結構作為水平支承體系，自上而下施工地下室結構[1-4]。

本文以上海某大型超深基坑為工程背景，圍繞大型深基坑逆作法施工技術進行系統的研究，形成了一整套標準化、高效、經濟的逆作法施工工藝。

1 工程概況

1.1 地理位置及周邊環境

上海丁香路778號商業辦公樓項目位于上海市浦東新區丁香路以南、民生路以東、長柳路以西。地處鬧市區，周邊環境比較復雜。

基坑南側有3 幢高層建筑，其中太平人壽大廈距離地下室外墻16 m，樓高18 層，地下1 層，采用250 mm方樁基礎，樁底埋深約30 m和35 m。

地下室外墻距離紅線3.8～4.8 m；基地四周道路在基坑1 倍開挖深度范圍內分布有電力、煤氣、信息和上下水等管線。其中南側道路下有Φ500 mm的上水管線，距離圍護結構外邊線最近距離僅為5 m；煤氣管距離基坑也僅為11.7 m。

1.2 建筑結構概況

工程占地面積為19 863 m2，東西長約210 m，南北寬約100 m。整個項目包括東西對稱的2 棟塔樓（高度99.5 m）和南北2 棟裙房（5 層，屋面高度17.35 m），地下共4 層，其中地下1、2層為商場，地下3、4層為汽車庫，地下4 層局部為人防設施。

地下室底板頂標高為-22.00 m，基礎采用鉆孔灌注樁及筏板基礎，主樓、裙房基礎底板厚分別為2.1 m和1.6 m。主樓、裙房工程樁兼作立柱樁的鉆孔灌注樁Φ900 mm（樁端后注漿），樁長40 m。

1.3 圍護設計概況

基坑普遍開挖深度為24.4 m，深坑位置開挖深度28.2 m，基坑面積超過16 000 m2，屬大型超深基坑工程。

地下室主樓核心筒順作，其他結構逆作法施工。圍護結構采用厚1 200 mm地下連續墻，長度為42～55 m，兼作地下室外墻，即兩墻合一。地下連續墻兩側采用Φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌墻作為槽壁加固。坑內攪拌樁墩式加固。對于電梯井、集水井等局部落深區，Φ800 mm@600 mm旋噴樁滿堂加固，圍護結構見圖1。

圖1 圍護結構平面示意

豎向支承系統采用一柱一樁形式，永久支承柱采用Φ550 mm×20 mm鋼管混凝土（C60）柱，臨時支承柱采用截面尺寸為530 mm×530 mm（L200 mm×20 mm）格構柱。鋼管混凝土柱待逆作完成后外包鋼筋混凝土形成主體結構柱。由于地下4 層挖深6.65 m，采用“拋撐+中心島”的設計方法。

1.4 本工程難點與特點

周邊環境復雜，基坑工程變形控制要求高；可利用施工場地緊張；逆作立柱垂直度控制要求高；逆作法節點復雜多樣；回筑質量要求高。工期緊張，要求挖土速度快，結構早拆模；坑底離第⑦層粉土、砂土層（承壓含水層）近，坑底土體抗承壓水穩定性問題突出；逆作法施工作業環境安全措施復雜。

2 關鍵施工技術

2.1 豎向支承樁柱施工技術[5]

本工程豎向支承柱（俗稱“一柱一樁”）采用鋼管柱和格構柱2 種形式，其中鋼管柱299 根、格構柱150 根，其垂直度偏差應分別不大于1/500和 1/300，如圖2所示。

圖2 立柱樁平面布置

由于基坑較深，因此對立柱樁的定位、垂直度控制要求非常高。其次鋼立柱數量較大，工期緊，要求調垂技術必須快捷高效。經過實踐與實際情況綜合分析，選用激光傾斜儀實時測量+調垂盤法，先插法施工。

豎向支承樁采用GPS-10鉆機，正循環成孔，泥漿采用黑旋風ZX-200泥漿凈化裝置除砂，控制沉渣厚度不大于50 mm。考慮GPS鉆機的鉆孔垂直度以及鋼立柱調垂的需要，900 mm灌注樁在樁部6 m范圍擴孔至1 200 mm，滿足規范中“豎向支承樁的鋼筋籠與支承柱之間的水平凈距……不應小于150 mm”的規定。

鋼管柱內需灌C40、C60兩種標號的混凝土，在混凝土灌注到樁頂標高以上3 m，鋼管外開始回填碎石，控制回填碎石速度和內外壓差，當鋼管口充分泛混凝土后，灌混凝土結束。待混凝土凝固后，方可松動調垂盤上的校正固定螺栓，拆除移走調垂盤。

樁身設置2 根注漿管，鋼管內徑不小于25 mm，壁厚不小于3.2 mm，下端與單向閥式注漿器相連。注漿管隨鋼筋籠下放，并做注水試驗以防漏水。開塞時間控制在混凝土澆注后7～8 h，開塞壓力為0.8～1.2 MPa。注漿采用P.O 42.5新鮮水泥，漿液水灰比為0.5～0.6，注漿壓力一般控制在0.6～0.8 MPa，最高不宜超過4 MPa，注漿速度為32～47 L/min。當注漿壓力＞4 MPa并持荷3 min，且注漿量達到設計注漿量的80%時，終止注漿。

基坑開挖后，對不小于20%的鋼管支承柱采用超聲波投射法進行質量檢測，對有疑問的立柱采用鉆孔取芯的方法進一步檢測。支承柱全數采用敲擊的方法檢測。

2.2 逆作挖土施工技術

本工程地下室挖土總量為40.5 萬m3，共分5次挖土。首層及B1層挖土分為8 個區域，B2和B3挖土分為9 個區域，底板挖土分4 個中心區域及若干周邊區域，出土口共16 處。每皮土的土方分塊按照各層樓板結構圖合理布置，分塊間的界線在梁板跨度的1/3處。土方開挖采用盆式分塊開挖方式，按照“時空效應”理論，做到“分層，分塊，對稱，平衡，限時”開挖，隨挖隨澆混凝土墊層。

2.2.1 取土口布置

本工程取土口布置見圖6，取土口設置原則為[6]：

（a）根據挖土分區，各挖土分區至少設置1 個取土口；盡量利用結構樓梯間、電梯井等部位，且位置上下相對應。

（b）取土口分布均勻，距離控制在30 m以內，盡量不設在坑邊。

（c）取土口同時兼作吊物孔，取土口的對角線長度宜超過10 m，以便下放鋼筋；

（d）取土口的布置要滿足施工工期的要求，滿足出土速度的要求。

2.2.2 車輛行走路線布置

依據取土口位置，布置行車路線。主行車道路寬7.5 m，停車平臺寬4.5 m。每個取土口運土車的行走路線均固定，不得隨意行駛，以求高效運土。行車路線B0板區域樓板要加強，厚度增加為250 mm。

行車路線根據大門的設置，車輛行駛順暢，能形成環路。在車輛轉彎及拐角部位，相應的柱預留插筋應做保護處理，如車輛轉彎半徑不足，可以采取插筋斷在板面的措施，采用Ⅰ級直螺紋機械連接接頭。

2.2.3 挖土機械配置

第一皮到第三皮土主要采取4 輛反鏟挖機（0.6 m3）水平翻土，2 輛長臂（15 m）挖土機垂直取土裝車。第四和第五皮土采取4 輛反鏟挖機翻土，2 臺電動船用起重機垂直取土裝車。反鏟挖機經過將油缸由大臂上部改裝到大臂下部，以解決挖土凈空問題，同時避免油缸在挖土過程中和上部的鋼筋或結構相碰損壞。

工程采用電動抓斗作為垂直取土設備，實現從柴油轉換成電的使用，起重能力大，采用花瓣斗，斗容量在1.2～1.4 m3，操縱方便，耐沖擊，制動性能好，安全可靠。裝卸貨效率高、適應性好。由于電價相比柴油更加經濟，挖土成本大幅降低，挖土噪聲也較柴油抓斗更小。電動抓斗的使用使深基坑逆作法工程更經濟、高效、環保。

2.2.4 挖土工況

基坑采用土方分區同步開挖、結構分塊同步施工原則。基坑土方第一皮開挖采用明挖法，其他土方開挖均采用暗挖法。每層分區土方開挖應按規定從東向西進行。

首皮土采用盆式開挖，盆邊挖至-3.60 m標高留設10 m寬平臺，采用1∶2的比例放坡挖至-6.55 m標高處。第二皮土開挖至B1板底2 m，即-8.75 m標高，B0、B1板分8 個區域，按1到8區的順序流水施工，見圖3。

圖3 B0、B1板施工分塊

第三、四皮土開挖至B2、B3板底2 m，至-15.25 m、-19.25 m標高處。為了保護基坑西南側太平人壽建筑，B2、B3板分9 個區域（將原7、8 區均分為3 個小塊），按從1到9的順序流水施工。

第五皮土開挖至坑底-24.40 m，電梯井深坑待周邊墊層完成后開挖。

考慮基坑東西方向較長，在挖土流水施工過程中采取立體交叉的挖土形式，即在上一層最后一塊結構尚未完成前，下一層的第一塊土方已開始施工。實現了各層土方連續無間隔施工，即通常所說的“躍層施工”。

底板先開挖中部，隨挖隨澆筑混凝土墊層，分塊施工底板，然后掏槽架設斜拋撐，待已完成的基礎底板混凝土強度達到80%強度后，按照1∶1.5的坡度開挖斜拋撐下面的土。依次類推，完成2～4區的底板施工。

2.2.5 土方施工效率

為提高夜間出土效率，白天由4 輛反鏟挖機水平翻土，取土口部位作為集土坑，集土坑在挖土面標高落深1.5 m，夜間集中出土。第二到第四皮土，暗挖每晚的出土量平均2 000 m3，高峰時可以做到3 000 m3，第五皮土挖底板，也可以做到每天1 500 m3。

從實踐效果來看，土方工程的進度主要由運土的效率控制，挖土效率完全可以滿足需要。

2.3 水平結構模板施工技術

本工程墊層采用厚150 mm的C20混凝土，水平結構模板形式為1.8 m標準鋼管排架支撐模板，排架高度剛好滿足工人可以站立施工，通常每塊結構板的流水施工工期在7 d以內，墊層完成后馬上施工模板排架，考慮墊層強度還比較低，需在立桿下通長設置木方墊板。

地下2 層樓板局部采用無排吊模技術，即在墊層上直接鋪設模板施工，同時將模板通過吊筋倒吊在上一層已經完成的梁板結構上。無排吊模可以對模板及格柵體系重復利用，從而達到降低成本、減少木材使用及加快施工進度的好處，可以避免施工現場敏感部位的超挖。有些部位結構梁板完成后要馬上開挖梁板下土方，結構梁板沒有足夠的養護時間，采用該技術可以使挖土不受拆模時間影響。

根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》規定：構件≥8 m混凝土強度應達到100%才可進行拆模。為了讓在逆作法施工中大梁能夠提前拆模，通過在主梁到柱邊1/3處設置吊筋，見圖4，混凝土強度只需≥75%即可進行拆模，達到既能滿足質量要求又能縮短工期的目的。

圖4 主梁提前拆模示意

對于跨度大于4 m的梁板結構，模板按設計要求起拱，當設計未做要求時起拱高度宜為跨度的1‰～3‰，并且要根據土質情況以及墊層的強度情況綜合確定。

回筑結構柱四周要留設澆搗孔，孔徑150 mm，對角布置，每根柱至少布置2 個澆搗孔。對需回筑的剪力墻，澆搗孔沿剪力墻方向單向布置，間距1 500 mm。澆搗孔采用PVC管或帶加筋的塑料波紋管留設。

2.4 關鍵連接節點技術

逆作法施工中的節點處理是逆作法工程結構施工的關鍵。如何處理逆作水平結構與豎向支承柱、與順作豎向永久結構的交接節點對確保工程質量、 保證結構受力的傳遞具有十分重要的意義。

2.4.1 豎向支承柱頂部梁柱連接節點

豎向支承柱與B0板的連接可以采取在豎向支承柱頂部設置倒置埋件的做法，通過倒置的錨筋與B0板的梁連接，從而避免水平梁與鋼立柱之間的復雜處理。

豎向支承柱采用鋼管時，控制鋼管頂標高在B0板梁底，鋼管內混凝土灌注到頂后，清除浮漿，將有雙向錨筋的埋件放入鋼管內，埋件要開預留透氣孔，振搗直到水泥漿從透氣孔內溢出。

豎向支承柱采用格構柱時，開挖土方暴露出鋼立柱，調整鋼立柱的頂標高至梁底，將埋件倒置與格構柱焊接連接。

采用倒置埋件法解決豎向支承柱和B0板的節點連接問題，可以確保B0板梁主筋在節點處連續，不需要對該處的梁的截面尺寸和鋼筋作修改，滿足節點的受力要求，施工方便，受力清晰。

2.4.2 豎向支承柱中部梁柱連接節點

B1、B2、B3層梁與豎向支承柱之間的連接根據不同的梁柱形式和截面尺寸、配筋等情況，采取加腋法、雙梁法、環梁節點，型鋼牛腿節點，環板連接法等多種方式。

（a）加腋法。通常采用栓釘作為抗剪件。將節點處無法通過的梁鋼筋通過規范允許的斜率繞過立柱。鋼立柱采用格構柱時，加腋法是最常用的簡單易行的做法，見圖5。

（b）雙梁法。將單根寬梁改為2 根等高窄梁從立柱兩側穿過，從而避免了梁主筋與立柱相碰。通常采取栓釘或者鋼牛腿作為抗剪件。當結構梁截面尺寸較大時采用。

（c）環梁連接節點。類似于“柱帽”的做法，環梁（有時是方柱帽）作為梁柱間連接的過渡措施，通常采用栓釘作為抗剪件，梁主筋伸入環梁中。由于環梁的頂底面鋼筋和腰筋全部為環筋，且箍筋較密，因此環梁的鋼筋施工難度較高。環梁連接節點適用于幾乎所有鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁、無梁樓蓋的連接。

（d）型鋼牛腿連接節點。通過在鋼立柱上設置鋼牛腿，將梁無法通過立柱的主筋焊接在型鋼牛腿上，型鋼牛腿既作為鋼筋的傳力連接構件，同時也作為抗剪件使用。該做法連接可靠，但焊接的工作量較大，對焊接質量要求高。該做法主要在鋼管或型鋼作為豎向支承柱時使用。

（e）環板連接法。與型鋼牛腿連接原理相同，當梁截面較寬，無法通過鋼管柱的梁主筋數量較多時，在沿鋼管一圈焊接連接環板，梁主筋焊在環板上。通常為提高抗剪性能，上下環板間采用勁板連接，節點范圍內鋼管加強處理。

2.4.3 豎向支承柱底部連接節點

豎向支承柱底部按規范要求錨入灌注樁中至少3 m，鋼立柱在加工時，按設計要求在錨入樁和底板范圍內，按照構造要求設置栓釘。底板施工前需設置焊接止水鋼板，見圖6。

圖5 加腋法節點示意

圖6 支承柱底部連接節點

2.5 結構回筑關鍵技術

逆作法施工主樓核心筒通常順做施工，而框架柱、內襯墻以及壁柱等則逆作施工。逆作施工不僅能加快結構施工進度，減少勞動力窩工現象，而且有利于將已經完成的地下水平結構連接成箱體，對地下結構的穩定和控制基坑變形有利。

豎向結構預留鋼筋應盡可能采用一段式施工的方法，從上向下施工。與順做法相反，鋼筋接頭主要留在上部，且層間只有1 個連接接頭。在作水平結構時，柱在節點部位應至少向下做300 mm以上，以便于后期采取“超灌法”回筑。

豎向結構水平接縫處理，結合工程情況主要采取超灌法和灌漿法進行處理。

逆作的豎向結構混凝土采用高流態低收縮混凝土，配合比在現場做好試驗后使用。用超灌法施工，豎向結構模板要能保證澆搗面高出接縫300 mm以上。

針對無梁板下豎向接縫及其他達不到使用超灌法要求的接縫采用灌漿法，即在接縫下方50～100 mm停止澆搗，處理下部混凝土浮漿及清掃上部混凝土底面后，濕潤基面，繼續由澆筑孔澆搗無收縮灌漿料。

2.6 地下通風措施

按最不利工況計算，B1區挖土過程中廢氣排放量最大，該階段按6 臺0.6 m3挖掘機同時開挖考慮，同時配備10臺電焊機，作業人員按50 人計，機械設備考慮作業間歇及70%的使用率。

施工到B3層、B4層時，會有一部分在B1層、B2層產生的有害氣體通過取土口下沉，增加B3層、B4層有害氣體濃度。下沉的有害氣體主要有CO2、NO2、SO2等以及少量有害微塵（PM）。

考慮風機抽風口的布置不能與廢氣排放點一一對接，中間會有大量廢氣在被抽排前稀釋擴散；通風系統管路多、接口多，使通風能力不可避免地會有一定折損。綜合考慮各項因素，經計算，排風量為17 280 m3/h。

在頂板上布置8 臺T4-72型離心通風機，豎向通風管道為800 mm×800 mm白鐵皮方管，在每個挖土階段設2 個Φ300 mm風口，接出內配螺旋筋的塑料軟管，該軟管可人工移動和接長，采用抽吸的方式直接抽出廢氣排放集中區的污濁空氣。

3 信息化監測

3.1 報警值及頻率

按照設計施工技術規范設置相應警報值和布設監測點，其中圍護墻傾斜報警值為累計變形50 mm，或5 mm/d，地下連續墻設24 個測斜孔，在坑外布設6 個土體測斜孔；在各層樓板受力較大部位分別布設13 個監測點監測梁板鋼筋應力；鋼立柱垂直位移報警值為累計30 mm，或3 mm/d，應力報警值為設計值的80%，選擇5 個鋼管混凝土柱、2 個格構柱進行監測。

監測頻率為基坑開挖期間1次/d；底板澆筑后1次/2 d；地下室施工回筑期間1次/（3～7 ）d。

3.2 監測結果

3.2.1 圍護墻體和土體水平位移監測

圍護墻體水平位移隨基坑開挖深度的增加而逐步增大，向基坑內位移。連續墻體最大水平位移發生在約3/4基坑深度附近，而不是像順作法發生在坑底以下。至監測結束，圍護墻體測斜孔點最大位移基本都控制在50 mm內，滿足設計要求。CX17點位于基坑長邊中點部位，累計位移最大值為68.8 mm，這是長邊效應和時空效應的緣故，符合基坑開挖的變形規律。

土體測斜孔比地下連續墻深，能反映地下連續墻以下土體的蠕動情況。以監測數據可以看出，42 m以下累計位移量很小，說明基坑施工過程中地下連續墻以下土體基本沒有出現蠕動現象。

3.2.2 圍護墻頂垂直水平位移監測

圍護墻頂水平位移變化量很小，最大變化量在5 mm內。隨著土方開挖坑內土體的回彈，圍護墻頂垂直位移在整個基坑開挖過程中呈上升趨勢，但變化不大。監測結束時，圍護墻頂垂直位移最大值為14.2 mm，不超過報警值（30 mm）。

3.2.3 鋼立柱沉降與應力監測

在基坑開挖過程中，鋼立柱沉降呈上升趨勢。監測結束時，鋼立柱大部分隆起累計值在30 mm內，未超報警值。鋼立柱測試點布設于B3板頂板下方1 m處，每個斷面安裝4 個應變計。從監測數據得知，鋼立柱壓應力隨土方繼續開挖逐漸增大，最大值為40 MPa， 遠小于警報值。

3.2.4 梁板鋼筋應力監測

梁板鋼筋應力隨開挖深度增加而變化，當B1、B2、B3層梁板施工結束后，B0層梁板鋼筋應力均出現凸點。B2層梁板施工結束前，B0板應力達到最大值。在整個監測過程中，梁板鋼筋壓應力最大值為55 MPa，未超過警報值，均在設計范圍之內。

3.2.5 地下管線沉降監測

周邊地下管線水平位移變化較小，累計沉降基本都小于40 mm，依據管線沉降歷時曲線可知，在B1板土方開挖完畢到大底板結束期間，管線沉降變形明顯，然后趨于穩定。基坑長邊中點位置離基坑最近的上水管線沉降90 mm，超過報警值。

3.2.6 周邊建筑物沉降監測

基坑開挖施工過程中，基坑周邊建筑物沉降隨時間的變化呈下降趨勢。2012年8月開始承壓降水，沉降斜率增大；至2012年11月承壓降水結束，沉降趨于平緩。本工程對周邊建筑變形影響較小，最大累計值為16.6 mm，未超過警報值（20 mm）。

4 結語

本文結合工程實踐，詳細闡述了大型深基坑逆作法施工關鍵技術，其中豎向支承樁柱施工技術、逆作挖土施工技術、逆作法模板技術、關鍵連接節點技術、作業環境控制技術等已形成了一套標準化施工流程，大大縮短了施工工期，降低了施工難度，取得了顯著的經濟效益，為逆作法施工技術的進一步推廣提供了強有力的支持。同時逆作法在基坑變形規律方面也與順作法明顯不同，相關數據為今后的進一步研究提供了參考。