異形結構框架逆作結合臨時圍護的研究與應用

李偉強

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433; 2. 上海市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200433

隨著逆作法理論的成熟和工程經驗的不斷積累，其應用范圍也越來越廣，并逐漸發展和形成了與傳統逆作法不同的新型半逆作法技術——框架逆作法。框架逆作法施工主要原理為：將樓蓋混凝土分2次澆筑，第1次澆筑樓蓋的肋梁部分，使之與邊梁一起組成平面正交的交叉梁系[1]，形成水平框架內支撐，其下的土方開挖變成半開敞式，可利用框架中間的空間進行上下運輸。在地下室底板完成后，采用疊合梁澆筑工藝逐漸封閉樓板并向上順作主體結構。

1 深大基坑逆作施工面臨的問題

在施工空間不足和工期緊迫的工程中，地上和地下結構的同步施工可以縮短工期，梁板體系支撐剛度可以有效控制圍護結構和土體的變形，有利于對復雜環境的變形控制，然而傳統的逆作法施工也有一定的缺陷。

1.1 土方和混凝土工作量大，支撐體系形成慢

逆作體系由于剛度大，往往整坑進行開挖，但是在大面積基坑的施工中，大量的土方開挖和地下結構混凝土梁板體系澆筑，使得樓板支撐體系形成較慢，時空效應日益顯著，不利于復雜周邊環境的保護。

1.2 挖土作業空間少，不利于規模化施工

逆作法的施工效率取決于取土口的留設數量，洞口間距在25～30 m之間，蓋板區域仍需要小挖機翻運土方，由于四周立柱的阻擋，故出土效率低，不利于大規模施工。

1.3 大量采用短排架作為模板支撐，利用率低

逆作開挖時一般超挖2 m，保持樓板下有一人高的操作距離安裝模板和排架支撐，但由于高度限制，排架體系只能采用定制的短排架體系，后期挖土時部分排架也會被破壞而無法回收，周轉利用率比較低。

1.4 通風和采光不足，存在人員安全風險

在樓蓋下進行施工，下部空氣流通較慢，由于施工機械的尾氣排放聚集，不利于施工人員身心健康。樓板的遮擋也使下部采光出現困難，雖有照明系統但仍舊會有死角，取土口位置大型機械操作也存在視線盲區，對施工人員存在一定的安全隱患。

2 框架逆作相對傳統逆作法的優勢

采用肋梁代替臨時支撐，在薄弱部位布置樓板，根據梁的布置預留出土孔形成框架支撐體系，盡管樓板二次澆筑，存在整體性問題，但該工藝顯著地加快工期，提高了經濟效益[2]。

2.1 支撐體系形成快，有利于環境保護

在相同條件下，采用框架逆作，位移控制的效果很明顯，此外樓板框架支撐完成后，由于剛度較大，后續開挖引起的基坑位移較小[3]。同時由于減少了樓板體系的澆筑量，支撐工作量相對較少，無需大量短排架及模板搭設工作，支撐形成速度快，位移控制的效果更為明顯。

2.2 取土口多而不集中，挖土高效

框架逆作大量使用地下室主梁作為支撐體系，支撐開間有8.5～9.0 m，取土口多且不集中，出土效率高，通風采光充足，通暢的視野也便于挖機觀察下方情況，在局部位置設置大取土口，在滿足材料垂直運輸的同時加快土方集中出土速度。

2.3 逆作結構少，豎向結構縫留設少

逆作中豎向結構縫留設及結構二次澆筑一直是難題，雖然目前有多種工藝針對施工縫進行補強，但結構順作仍被主流所認可。采用框架逆作后，雖然疊合梁和樓板采用二次澆筑工藝，但該部位采用順作工藝，能夠保證整體效果。大量樓板的后作也減少樓板下方剪力墻、人防墻等逆作構件的數量，豎向結構的二次處理量相對也減少[4]。

3 工程應用

3.1 工程概況

上海某商業綜合體，地下建筑面積129 700 m2，由2個地塊及1個地下通道組成（圖1），整體設置2層地下室，每層層高6 m，基坑面積達到80 000 m2，開挖深度11.7 m，局部貼邊深坑落深3 m。基坑東側為已建道路，北側及南側為2條河道，東側河道側有2座橋梁引橋貼近基坑，最近處距離地下室邊線僅3 m。

經環境調查，東側橋梁引橋段兩側采用重力式擋土墻結構，中間道路為填土層，道路下埋藏有大量市政管線，該道路的構造對于地基變形異常敏感，需要重點保護。在施工勘察中發現部分位置擋土墻的墻趾進入紅線內部1.1 m，距離外墻不足3 m，已影響圍護施工。

圖1 基地平面

基坑西側為已建商業，河道位置采用漿砌塊石作為河岸結構，基坑開挖也易引起河岸開裂。

3.2 地質概況

本工程地質情況如圖2所示。

圖2 地質剖面

場地北側及東側分布有⑤2層灰色黏質粉土夾粉質黏土層，該層具有一定的承壓性，根據驗算，局部深坑抗突涌能力不滿足要求。另外，場地大部分位于古河道區，缺失第⑥層及第⑦層，立柱等承重構件承載力較差，對于豎向構件的變形控制較為不利。

基坑開挖范圍及底部位于③層灰色淤泥質粉質黏土夾黏質粉土層，以下為④層淤泥質黏土層，這兩層土厚度達9～10 m，物理力學指標較差，具有含水量高、孔隙比大、強度低、靈敏度高的特點，基坑開挖時易產生蠕變和剪切破壞，導致圍護結構穩定性差，坑底易產生回彈隆起，有明顯的流變性，對于基坑位移控制較為不利。

針對這些問題，在基坑圍護方案設計時，必須充分考慮到工程地質條件因素的影響，滿足基坑自身及周邊環境的安全性要求。

3.3 基坑難特點分析

1）基坑面積達到80 000 m2，開挖深度將近12 m，根據軟土地區施工經驗，單個基坑面積建議控制在25 000 ～30 000 m2之間，利于基坑安全，也較易控制基坑開挖對周邊環境的影響。按此要求勢必要劃分成3～4個基坑，無法滿足業主開發進度要求，大量分隔墻的設置也大大增加了工程造價。

2）基坑東側與西側均有保護對象，且對地基變形較為敏感，東側引橋擋土墻墻趾已進入紅線并與外墻不足3 m。如何控制大面積基坑開挖所引起的側向變形和沉降是本工程的重點之一。

3）二期與三期地下室間為地下連通道，由于位于市政道路下，頂板需覆土4 m，在層高要求下該區域為地下1層結構（通道中間30 m設置夾層），層高8 m，樓板為下凹折板，這樣的結構設計加大了換撐高度，不利于變形控制。

綜上所述，常規的基坑設計無法滿足本工程“大基坑、小變形、工期短、控造價”的要求，逆作法強大的剛度可很好地控制大面積基坑的側向變形，在此基礎上選擇框架逆作法，解決傳統逆作取土慢和采光通風問題，在12 m挖深條件下圍護結構采用排樁體系可大大降低造價，進一步提升框架逆作法優勢，滿足業主對于工程的需求。

3.4 框架支撐體系內力分析

將地下室梁板中的梁系改為疊合梁，并作為支撐體系，減小了梁結構的有效截面，在大面積基坑中其剛度相對較弱，考慮將原建筑的消防通道樓板作為挖土平臺，增加板的側向剛度既可以大大增加支撐剛度，也可以解決挖土問題。

模型中采用空間梁板單元來模擬逆作樓板，板采用4節點板單元，圍檁、結構疊合梁、臨時支撐等均采用2節點梁單元，模型中考慮了室內外標高差，在實際樁位處建立鋼立柱模型，柱底端施加位移約束（圖3）。在水平圍壓計算下，受力最大的B1層水平變形為15.9 mm，梁板應力在10.7 MPa以下，滿足環境保護及自身安全要求。

在號房與室外地坪等高差處，存在1.5 m高差，在一般逆作中需采用梁板同時加腋的措施，但由于建筑要求加腋角度不得大于60°，疊合梁截面由于削弱，導致高低差處受彎剪扭等作用下應力更為集中，鑒于此，在設計中對該處進行特別處理，內外加腋同時分散周邊水平力的傳遞，建模計算（圖4）后該處應力在14 MPa內，滿足強度要求。

圖3 整體模型應力

圖4 疊合梁錯層應力

3.5 框架逆作設計與施工關鍵技術

3.5.1 臨時圍護體系與逆作框架體系連接技術

常規逆作多采用地下連續墻作為圍護體系，但在12 m的挖深情況下采用排樁體系經濟性更優，但排樁與框架逆作之間的連接節點需要特別設計。

考慮結構外墻支模空間，以及B1板圍檁所占空間，排樁與外墻間保持至少1.6 m凈距[5]。在3道以上支撐情況下，首道支撐可能出現受拉工況，故首層結構與排樁之間建議選用剛接形式，也便于施工出入口的布置。排樁壓頂梁與逆作框架梁間采用混凝土短梁連接，防止首層結構在受拉工況下而產生脫離，此外應在外墻處預留圈梁，設置下掛止水鋼板及外墻插筋，以便于與順作外墻進行連接。

下層結構與排樁的連接采用型鋼，既可進行水平力傳遞，也可在型鋼處焊接止水鋼板進行防水處理。在正交梁系中可在主次梁內埋入型鋼，但多數情況下梁系為不規則體系，此時可在外墻邊跨1/3處設置內環梁，環梁處安裝型鋼，型鋼間距不小于1/3柱距。在深度逐步加深情況下，型鋼的應力可能超出許用應力，加密型鋼間距會造成穿墻節點過密不利于施工，可采用型鋼與臨時換撐板相結合的方案，即在型鋼間根據受力需要設置一定寬度的臨時混凝土板，臨時板的標高避開主體結構樓板的主筋，在底板澆筑完成后，拆除臨時板帶，型鋼處在施工外墻時焊接止水環片，進行外墻順作[5]。

3.5.2 相鄰基坑高低跨順逆同步建造技術

二期與三期工程先后開工，存在半年左右的時間差，在地下通道位置為折板且僅一層樓板，故無法逆作；另外，二期、三期號房位置與地下通道存在高差，高低跨位置存在應力集中問題，且順作工藝具有支撐間距大、單根受力大等特點，無法采用逆作時的大量加腋來解決水平傳力問題。

因此，本工程的關鍵點在于如何解決二期、三期與地下通道順逆同步建造的問題，保證工程整體施工速度。

1）工況調整，保證同步建造。由于先后進行建設，三期無法給二期提供有效的水平力傳遞體系，土方的開挖造成二期土壓力不平衡，引起結構側向變形，對工程安全不利。相鄰基坑實踐證明，3倍開挖深度外的兩基坑間基本無影響，考慮到地下通道順作工藝簡單，工期短，可將其作為有效的緩沖地帶，留出寬30 m土體作為反壓土，剩余區域的三期及地下通道區域繼續進行施工，并考慮盆式開挖至B1層后順作部分B1及B0層，縮短工期，形成后靠后，加快與二期連接，同步開挖地下通道位置土方。

2）先期逆作結構與后期順作連接及錯層處理。二期逆作時需要考慮地下通道順作體系的連接，常規預留插筋即可，但是高1.5 m錯層本身就對首層樓板及壓頂梁存在較大的彎矩、扭矩，在留設插筋時挖除后靠土方減少支點后該力進一步加大，在此位置需要考2種工況：二期留設插筋時水平力有效傳遞至地面；二期與地下通道同步施工時順作支撐與逆作結構錯層位置力的有效過渡。設計采用壓頂梁設置后靠牛腿兼作順作支撐加腋的方式（圖5），在牛腿內留設相鄰結構梁板鋼筋，后期進行連接，不僅達到傳力的目的，還可在前期就對順作基坑支撐梁進行加腋處理，保證2種工況下力的有效傳遞，順利實施順逆同步建造。

3.5.3 大層高不加撐條件下圍護樁變形及內力控制技術

圖5 順逆錯層節點

本工程層高較高，B1層至基底為7 m，深坑處達到8.2～8.5 m，使得排樁體系在B1層至基底的跨度太大，這樣的支點布置顯然不合理，加大了對排樁體系內力及變形控制的難度。

圍護排樁的內力及變形受制于圍護的剛度，但隨著圍護剛度增大至一定值后，其內力及變形主要受到支點剛度、入土深度、被動區土體強度及基坑開挖施工等因素的影響。

考慮軟土地區樁基施工因素，排樁直徑宜控制在約1 m，同時為減小內力及變形，B1層型鋼結合混凝土板帶的設計增加了支點剛度，并對被動區土體進行改良，增加土體剛度，減小內力及變形。在變形要求高的區域，設置寬10 m加筋墊層，增加一個弱支點，提高圍護抗變形能力。

3.5.4 框架疊合梁錯層處理技術

建筑覆土及室內外地坪的設計，常常導致水平樓板出現錯層，對結構的傳力十分不利，尤其是框架逆作中的疊合梁體系，截面削弱且在彎剪扭復合應力下導致梁應力不滿足受力要求，框架支撐的大開間導致單根梁的軸力相對較大，相對傳統梁板傳力更為不利。在錯層位置傳統采用結構主梁進行加腋處理，角度一般選擇1∶2～1∶1，但這種加腋方式對于后期建筑覆土層以下管道埋設不利。在框架逆作工藝下，加腋可采用小角度方式，加腋高度小于錯層高度的一半，角度選擇45°～60°，以盡量減少對建筑的影響。對于疊合梁部位的錯層，采用加腋對應力集中部位進行加強（圖8），在軸力較大位置采用添加臨時支撐體系分散受力，減小疊合梁的水平軸力，以減小其受彎剪扭的作用。

4 工程實施效果

本工程從開挖至筑底歷時約6個月，從圍護側向變形歷時曲線可看出最大位移點隨著開挖深度的增大而下移，并均處于基坑開挖面的附近，開挖至基底時，最大側向位移為30.5 mm（圖9），變形規律與一般順作方法一致。根據文獻資料：混凝土支撐的排樁圍護（順作）最大側移平均值為0.46%H（H為挖深），傳統逆作法施工的連續墻圍護最大側移平均值為0.26%H[5]。本項目樁體最大側向位移為0.27%H，介于0.26%H與0.46%H之間，證明在軟土地區超大面積基坑一次性整體施工中，采用框架逆作工藝可很好地控制基坑側向位移，在大面積基坑中，其仍具有較大的水平剛度，從實際施工情況及監測結果來看，環境保護效果顯著。

圖9 圍護側向變形歷時曲線

5 結語

1）軟土地區大面積基坑開挖采用框架逆作工藝，將地下室結構梁板轉換為疊合梁體系，結合消防通道等作為挖土平臺，相對傳統支撐體系剛度大，可很好地控制圍護側向變形，保護周邊環境安全。

2）框架逆作工藝在開挖階段混凝土澆筑量小，支撐體系形成快，大開間下土方開挖效率高，材料吊裝方便，同時改進了傳統逆作工藝采光及通風等問題，保證了工作人員在地下空間施工的安全。

3）地下室大層高情況下，加大圍護樁徑并非最經濟有效的方法，可結合采用增加環邊框架梁體系剛度、被動區地基改良及加筋墊層等方式，控制圍護體系內力及變形。

4）相鄰基坑高低跨順逆施工中，根據相鄰基坑影響范圍調整施工工況，保證逆作區施工，同時在高低跨位置預先設置牛腿兼加腋措施，保證逆作基坑高跨的后靠穩定，也保證后期順逆結合部位水平力的有效過渡。

5）根據本工程監測結果及相似案例，框架逆作法的變形控制效果優于順作法，略差于傳統逆作法[6]，適用于正交結構與異形結構體系，為大面積基坑結構逆作施工提供了新的思路。

[1] 劉征,羅志琪.超大型深基坑半逆作法設計與實踐[J].巖土工程學 報,2012,11(34):507-511.

[2] 褚峰.大型地下空間框架逆作法的技術經濟分析[J].山西建筑, 2013,22(39):49-50.

[3] 羅發揚,賈堅.軟土地區地鐵車站深基坑開挖中框架逆作法的設計 與應用[J].建筑結構,2008,38(9):82-84.

[4] 王衛東,翁其平,胡玉銀.新型逆作法結構型式的設計與應用[J].巖 土工程學報,2006,28(增刊1):1546-1551.

[5] 徐中華.上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形 性狀研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[6] 柏挺,李鏡培,丁鼎,等.框架逆作的超大基坑監測分析[J].巖土工程 學報,2012,8(6):1302-1309.