深大基坑逆梁順板施工及其變形控制研究

趙興波

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

隨著高層超高層建筑、大型綜合體建筑與地下空間建設(shè)的高度結(jié)合，基坑工程越發(fā)呈現(xiàn)出開挖面積大且開挖深度深、施工環(huán)境及地質(zhì)復(fù)雜、變形控制難度高、施工工期緊張等特點(diǎn)[1]，給基坑工程的施工帶來了越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

目前，基坑工程施工主要包括順作法和逆作法。單獨(dú)采用這些方法，存在施工效率和變形控制的矛盾：順作法施工速度快，但材料耗費(fèi)多、環(huán)境擾動(dòng)大、不利于變形控制；逆作法節(jié)省材料、環(huán)境擾動(dòng)小，但施工速度慢且作業(yè)環(huán)境差[2]。同時(shí)，隨著基礎(chǔ)底板工程體量和厚度的不斷增大，最下面一道支撐不可避免地位于底板內(nèi)，給底板回筑換撐施工帶來了挑戰(zhàn)。因此，迫切需要開展一種工期短、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)影響小的新型基坑施工技術(shù)研究。

本文嘗試探索一種新型深大基坑施工工藝以及施工變形控制技術(shù)方法，以解決現(xiàn)有基坑施工方法存在的施工效率與施工擾動(dòng)變形控制的矛盾。

1 逆梁順板施工工藝及原理

1.1 施工工藝

基坑工程逆梁順板施工方法的核心為探索順作法與逆作法施工工藝的最優(yōu)組合，即采用永久結(jié)構(gòu)兼作支撐并將最下一道逆作梁內(nèi)嵌入超厚底板（圖1），其工藝流程可概括為：

圖1 基坑工程逆梁順板結(jié)構(gòu)示意

1）開挖第1層土方，施工首層逆作結(jié)構(gòu)梁。

2）逐層開挖土方，施工各層逆作結(jié)構(gòu)梁。

3）逆作局部底板結(jié)構(gòu)，形成底板逆作梁。

4）開挖至坑底，底板回筑，底層逆作梁內(nèi)嵌施工。

5）底板完成后，順作地下最后一層的樓板。

6）依次順作施工地下各層樓板。

逆作結(jié)構(gòu)梁澆筑分區(qū)（圖2）及施工順序?yàn)椋合饶孀魇┕げ仓篖1區(qū)，形成基坑臨時(shí)支撐；在底板完成后[3-4]，再澆筑梁L2、板B1及B2區(qū)，通過施工L1區(qū)時(shí)預(yù)留的梁箍筋將L1區(qū)與L2區(qū)有機(jī)結(jié)合。

圖2 逆作結(jié)構(gòu)梁澆筑分區(qū)

對(duì)于超厚基礎(chǔ)底板工程，則先行逆作局部底板結(jié)構(gòu)形成底板逆作梁式混凝土支撐〔圖3（a）〕，并在底板回筑過程中將該支撐“握裹”在后澆底板中〔圖3（b）〕。

圖3 超厚基礎(chǔ)底板施工示意

1.2 工藝原理

1.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載傳遞原理

樓板及底板順作施工前，逆作結(jié)構(gòu)梁與底板逆作梁主要承受圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的水土壓力和差異變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力，增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。后澆底板施工后，底板逆作梁與后澆底板之間形成內(nèi)嵌式疊合協(xié)同工作面；樓板施工后，除這些荷載外，逆作結(jié)構(gòu)梁尚需承受樓板及使用荷載等豎向荷載。

1.2.2 底板澆筑熱傳導(dǎo)原理

后澆底板大體積混凝土澆筑過程中，不斷水化升溫，把熱傳導(dǎo)給逆作梁，逆作梁因而被動(dòng)升溫（其升溫幅度和速度均小于后澆底板）。由于逆作梁的存在，影響了后澆底板溫度場(chǎng)的分布，故后澆底板升溫幅度有所降低，距支撐越近溫升越小（圖4），通常其影響范圍約0.6 m。所提出的施工方法，有利于底板大體積混凝土澆筑的水化熱控制。

圖4 新老混凝土溫度及其溫差發(fā)展曲線

1.3 工藝優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)基坑施工工藝相比，逆梁順板工藝?yán)糜谰媒Y(jié)構(gòu)梁作為支護(hù)體系，免除了建造及拆除臨時(shí)支撐的繁雜工作，節(jié)省了材料及人工；能提供通風(fēng)照明狀況良好的地下施工作業(yè)空間，具備明挖作業(yè)環(huán)境，節(jié)約了工程工期；支撐內(nèi)嵌超厚基礎(chǔ)底板的工藝無需進(jìn)行墊層加厚或拆撐施工，工序簡單且經(jīng)濟(jì)安全，有效地解決了順作施工耗材量大及施工環(huán)境擾動(dòng)大、逆作施工作業(yè)環(huán)境差及出土效率低的問題。

2 逆梁順板施工變形控制技術(shù)

2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1.1 基坑工程逆梁順板支護(hù)設(shè)計(jì)的總體原則

應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)梁兼具臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，使其既能滿足支撐承載能力的要求，同時(shí)又能保證施工完成后正常使用的需要。支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響也應(yīng)予以重視，必要時(shí)可采用局部加強(qiáng)處理。逆作梁形成后、土方開挖前，時(shí)變變形主要以收縮變形為主；土方開挖后，時(shí)變變形主要以彈性變形和徐變變形為主。

2.1.2 超大型多塔樓基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)

可通過分區(qū)支護(hù)、分區(qū)開挖、局部增設(shè)臨時(shí)桁架支撐或環(huán)撐的方式為主樓先行創(chuàng)造條件，從而控制施工變形（圖5）[4]。

圖5 基坑分區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)案例

2.1.3 后澆樓板裂縫控制設(shè)計(jì)

可通過設(shè)計(jì)一次澆筑長度和配筋率控制后澆樓板裂縫。試驗(yàn)及計(jì)算表明，一次性澆筑長度越長，收縮應(yīng)力越大[5]；配筋率越大，混凝土收縮越小（圖6，圖中C30-0f至C30-3f配筋率依次增大），樓板的設(shè)計(jì)配筋率建議為1%左右，該配筋率可使收縮變形減小約20%。

圖6 不同配筋率下混凝土收縮變形曲線

2.2 材料優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

采用高品質(zhì)骨料、復(fù)合膠凝材料及高性能摻加劑進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，減小混凝土收縮和徐變，提高其彈性模量，從根源上控制逆作梁的時(shí)變變形。為研發(fā)弱時(shí)變效應(yīng)混凝土，開展了大量混凝土收縮、彈性模量、徐變性能試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果（圖7）可見，與普通混凝土相比，所研制的弱時(shí)變效應(yīng)補(bǔ)償收縮混凝土的彈性模量同比增長15%以上，收縮同比降低30%以上，徐變系數(shù)降低50%以上。

圖7 弱時(shí)變效應(yīng)混凝土構(gòu)件性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 分區(qū)分段施工方法

2.3.1 分區(qū)分段施工

逆作結(jié)構(gòu)梁分段長度原則上為30 m，后澆樓板的分塊長度不宜大于50 m，并在合攏段與后澆段采用補(bǔ)償收縮混凝土，從而減少了混凝土支撐承載前的時(shí)變變形，避免支撐在澆筑合攏過程中的剛度損失。

2.3.2 施工質(zhì)量控制

為保證新老混凝土的結(jié)合質(zhì)量，對(duì)疊合面采用鑿毛的方式進(jìn)行處理；逆作梁間隔布設(shè)振搗孔，便于其下部混凝土的振搗；通過新老混凝土疊合面節(jié)點(diǎn)的施工，提高基礎(chǔ)底板與內(nèi)嵌支撐新老混凝土的結(jié)合和防水抗?jié)B能力。底板逆作梁應(yīng)確保底板鋼筋的連續(xù)性[6]，避免由于施工偏差引起結(jié)構(gòu)的差異變形。

2.4 施工變形監(jiān)控技術(shù)

為控制施工變形，研發(fā)逆作梁軸向變形主動(dòng)補(bǔ)償蓄能及隨動(dòng)控制裝置。裝置由液壓系統(tǒng)和蓄能機(jī)構(gòu)組成，當(dāng)超長逆作梁產(chǎn)生微小變形時(shí)，由蓄能機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形補(bǔ)償；當(dāng)變形較大時(shí)，由液壓系統(tǒng)進(jìn)行變形補(bǔ)償，并給蓄能機(jī)構(gòu)蓄能。該裝置采用主動(dòng)補(bǔ)償和蓄能相結(jié)合的方式，避免了液壓系統(tǒng)頻繁工作，能達(dá)到對(duì)逆作梁變形補(bǔ)償?shù)睦硐肟刂疲筛鶕?jù)變形控制需要將裝置布置在支撐兩端或中部。此外，研發(fā)了新老混凝土結(jié)合面錯(cuò)動(dòng)差異變形監(jiān)測(cè)設(shè)備，可用于監(jiān)測(cè)底板逆作梁與后澆底板間疊合面滑動(dòng)差異變形。

3 工程應(yīng)用

將深大基坑逆梁順板施工工藝應(yīng)用于上海陸家嘴世紀(jì)金融廣場(chǎng)深大基坑工程，該工程基坑面積為46 000 m2，開挖深度為13.6～14.2 m。應(yīng)用結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝相比，建筑垃圾減少約30 000 m3，逆作土方施工效率提高40%，地下結(jié)構(gòu)總工期縮短30%。

將所提出的施工工藝及施工變形控制技術(shù)應(yīng)用于寧波環(huán)球航運(yùn)廣場(chǎng)工程，基坑最大開挖深度為19.5 m，底板厚度為5 m。由支撐與底板位移監(jiān)測(cè)結(jié)果（圖8）、新老混凝土結(jié)合面錯(cuò)動(dòng)應(yīng)變的計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果（圖9）可見，底板澆筑7 d后，底板逆作梁與后澆底板間疊合面滑動(dòng)差異變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定，應(yīng)變最終穩(wěn)定在80 με 左右，可見逆作梁與底板達(dá)到了協(xié)同作用。應(yīng)用結(jié)果表明，采用所提出的工藝和技術(shù)可縮減底板施工工期20%，節(jié)約了大量的工程材料，減小了基坑變形和底板水化熱。

圖8 支撐與底板位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 新老混凝土結(jié)合面錯(cuò)動(dòng)應(yīng)變

4 結(jié)語

1）探索了采用永久結(jié)構(gòu)兼作支撐并將最下一道逆作梁內(nèi)嵌入超厚底板的深大基坑施工逆梁順板施工工藝，揭示了新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載傳遞原理和底板澆筑熱傳導(dǎo)規(guī)律。

2）提出了深大基坑中的逆梁順板施工變形控制技術(shù)，主要包括：考慮臨時(shí)與永久結(jié)構(gòu)協(xié)同變形的逆作梁混凝土支撐及超厚基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)、弱時(shí)變效應(yīng)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、分區(qū)分段施工及質(zhì)量控制、施工變形監(jiān)控技術(shù)等。

3）將逆梁順板工藝及變形控制技術(shù)方法應(yīng)用于上海陸家嘴世紀(jì)金融廣場(chǎng)、上海靜安大中里和寧波環(huán)球航運(yùn)廣場(chǎng)等工程。應(yīng)用結(jié)果表明，所提出的工藝及技術(shù)顯著縮短了基坑施工工期和減小了基坑變形，確保了基坑的安全穩(wěn)定和高效施工。