緊鄰地鐵某超高層地下結構局部順逆結合施工技術淺談

楊統元

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

在建筑工程領域的地下結構施工中，我國對逆作法施工技術的研究與應用相對較晚。上世紀80年代在上海開展了一個試驗性工程，為在密集建筑群及復雜環境中應用地下連續墻作為支護結構同時兼做地下室外墻，加快施工進度并降低對已建建筑物的損害，提供了全新的施工方法。到90年代中期，逆作法在上海高層建筑地下結構施工中的應用已逐漸增多，其優點也被其他省市接受，并逐步被推廣和應用[1]。

1 順作法、逆作法概念

1.1 順作法

順作法指在地下工程施工過程中，先施工支護結構，再開挖土方和做支撐，逐步至基底，然后自下而上逐層施工地下結構和地上結構 ，如圖1所示。

圖1 順作法示意圖

1.2 逆作法

逆作法是先施工地下連續墻或施工臨時圍護墻及中間支撐樁及立柱，然后將土方開挖到第一層地下室頂板標高處，完成的樓面結構作為水平支撐系統。接著在梁間設有吊裝孔，繼續下挖，并依此向下逐層施工，同時逐層做上部豎向結構[2]。

逆作法可分為以下幾類：

1.2.1 上部主體結構施工時同步施工地下室結構，如圖2所示。

圖2 上下同步施工示意圖

1.2.2 僅地下結構使用逆作的方式施工（也叫作半逆作法），如圖3所示。

圖3 僅地下結構逆作法

1.2.3 局部采用逆作的方式施工（也稱順逆結合），如圖4-5所示。

圖4 先主后輔，主順輔逆圖

圖5 先輔后主，主順輔逆

2 某項目深基坑工程概況

2.1 項目總體概況

武漢市某超高層項目位于漢口中山大道與三陽路交匯處，地上46層，地下3層，基坑深度20m，結構高度216m。

圖6 結構整體效果圖及剖面圖

2.2 場地周邊環境

本項目開始時，塔樓及北側裙樓區大部分拆遷完成，為保證塔樓關鍵線路，將基坑分劃為4個分區進行分階段施工。

圖7 基坑與周邊環境示意圖

2.3 基坑工程概況

本基坑開挖面積約7740m2，由于特殊的基坑設計，形成了“外坑套內坑，內坑含小坑”的布局，“外坑”指的是裙樓區域，“內坑”指的是塔樓區，“小坑”為塔樓核心筒內的井道。

圖8 基坑模型示意圖

2.4 基坑支護結構體系選型

鑒于本基坑周邊環境比較復雜，開挖深度較大，內支撐受力較大等特點，以及現場拆遷進度影響、施工場地狹小等制約因素，基坑支護結構體系選型如下。

2.4.1 塔樓區域及裙樓IV區采用方案：地下連續墻(嵌巖)+三層臨時鋼筋混凝土支撐；順作法進行施工[3]。

2.4.2 裙樓II區、III區采用方案：地下連續墻(嵌巖)+地下三層結構梁柱支撐(逆作法)。

3 整體地下工程施工分析

3.1 整體施工流程

地下結構的施工依據實際情況劃分為4個階段：

3.1.1 塔樓區基坑圍護結構施工。

3.1.2 裙樓III區、IV區基坑圍護結構施工，同時進行塔樓I區地下結構施工。

3.1.3 裙樓II區、III區地下結構采用逆作方式施工，塔樓進行上部結構施工。

3.1.4 裙樓IV區水平支撐及地下結構施工，塔樓上部結構已經施工完。

3.2 局部采用“順逆結合”技術分析

3.2.1 順逆結合施工范圍。由于場地條件限制及確保塔樓的施工進度，要求塔樓結構封頂的同時II區及III區地下室主體結構及建筑功能提前實現，采用“順逆結合”進行II區及III區地下主體結構（共3層）的施工，如圖9所示。

圖9 順逆結合施工的范圍平面圖

3.2.2 “順逆結合”的依據。

3.2.2.1 施工場地制約。II區、III區南側與正在施工的漢口工作井僅一墻之隔（共用地下連續墻），北側為結構已施工至一定高度的塔樓，東側、西側為現場施工通道，場地受限，采用順作法難以實施。

3.2.2.2 基坑支護結構傳力合理、保證安全。II區、III區的施工，同時要考慮到北側塔樓區與II區、III區之間、南側漢口工作井與II區、III區之間支撐體系傳力的平衡，以及拆撐換撐時候地下結構穩定性。所以支撐必須緊跟著開挖施工，逆作法可以利用梁板結構作為支撐體系確保基坑安全。

3.2.2.3 “順逆結合”的工藝比較。采用順作法，施工場地受限，需進行三層支撐結構施工及三層土方開挖，再進行結構施工，較全逆作法多了三層支撐的施工時間，工期長。

采用全逆作法，三層土方開挖均為暗挖，開挖量較大，效率低，較順作法節約的工期有限。

經對比分析，負一層結構采用順作法，負二層、負三層及底板采用逆作法，即“順逆結合”法，能有效地縮短施工周期。

3.2.2.4 確保項目工期。采用“順逆結合”施工，II區、III區在負一層結構施工完成后，仍可作為塔樓的施工周轉場地，確保塔樓工期。同時進行施工II區、III區地下室主體結構施工，也為裙樓區建筑功能的實現提供保證。

3.2.3 “順逆結合”的關鍵點。

3.2.3.1 II區、III區的基坑支護體系的承載力、變形需滿足要求，且與塔樓區、南側工作井之間相互作用的支護體系也需確保安全。

3.2.3.2 負一層土方開挖與樓板施工前，梁板還未作為支護體系，基坑周邊懸臂的地下連續墻的穩定和變形需滿足要求。

3.2.3.3 提高關鍵節點的施工質量，如梁板與地下連續墻的接頭，結構柱上下接頭，梁板與格構柱的連接，以防止出現滲漏和質量隱患。

3.2.3.4 施工場地狹小，特別是負二層、負三層的土方采用暗挖，作業空間狹小，機械操作困難，防止安全隱患[4]。

4 局部地下結構順逆結合施工技術

4.1 地下結構“順逆結合”施工流程

圖10 逆作法施工流程

4.2 地下連續墻穩定性分析

當II區、III區負一層采用順作法時，在土方開挖至負一層樓板底這階段，地下連續墻頂部未設置支撐，此時應計算地連墻在懸臂情況下其穩定性，結合基坑開挖深度，以III區西側的地連墻（EAA1段）進行分析。

4.2.1 分析模型。按樁墻撐錨結構進行計算，采用的軟件為天漢基坑設計軟件，如圖11所示。

圖11 地下連續墻模型

4.2.2 工況分析表，見表1。

表1 底部邊坡信息

4.2.3 分析結果。

4.2.3.1 軟件計算結果。

圖12 土壓力

圖13 側向位移

圖14 彎矩

圖15 剪力

位移分析：墻體的最大水平位移為33.6mm。

彎矩分析：墻體的正向彎矩達到1021kN.m；墻體的負向彎矩達到-1011kN.m。

剪力分析：墻體的正向剪力達到446kN；墻體的負向剪力為-609kN。

4.2.3.2 結論：綜上，地下連續墻穩定性能夠達到要求。

4.3 鋼格構立柱穩定性分析

4.3.1 分析模型。根據逆作區域立柱的受荷大小，結合工況分析，選擇III區的編號 LZJ16立柱為例，按壓彎構件模型進行分析。

圖16 立柱斷面圖

4.3.2 計算工況表，見表2。

表2 立柱荷載計算

可見，在處于工況三時，格構柱受荷達到最大。

4.3.3 分析結果。

4.3.3.1 格構柱強度計算，見表3。

表3 立柱強度計算

4.3.3.2 立柱整體穩定性計算，見表4。

表4 立柱整體穩定性計算

4.3.3.3 立柱分肢穩定性計算，見表5。

表5 立柱分肢穩定性計算

4.3.3.4 構造要求：根據《鋼結構設計規范》7.2.5條：

A、分肢長細比

B、綴板的線剛度之和同柱分肢的線剛度之比

綴板線剛度之和：

剛度比值：376372/47686=7.9≧6，滿足要求。

4.3.3.5 綴板強度驗算：

經計算，

4.3.3.6 結論：通過對計算結果的分析，鋼立柱的穩定性和強度都能夠達到要求。

4.4 支承立柱樁穩定性分析

4.4.1 分析模型。根據立柱樁的受荷情況及工況分析，選擇III區的編號LZJ16立柱對應的樁進行分析。

圖17 立柱模型

4.4.2 計算工況。根據支撐的布置以及施工安排，分為以下3種工況：

①工況一：開挖土方到首層樓板底部位置；②工況二：開挖土方到負二層樓板底部位置；③工況三：開挖土方到基礎底板底部位置；經分析，在工況三的情況下，格構柱受荷最大，立柱樁受荷相應也最大。

4.4.3 分析結果。

4.4.3.1 單樁豎向承載力。根據單樁參數及土層參數計算樁側阻力：

表6 樁的側向摩阻力

經計算，豎向承載力的特征值

4.4.3.2 受壓樁身承載力。計算得樁身受壓承載力 ][N=9692.25kN＞豎向承載力的特征值Ra=7649.561kN，滿足要求。

4.4.3.3 結論。經分析，可見立柱樁穩定性及承載力都能夠達到要求。

4.5 中間支承樁及立柱施工技術

采用反循環鉆孔形式進行施工，“隔樁跳打”形式進行施工。膨潤土造漿，比重處于1.15到1.20之間。

樁端持力層選擇進入5-2層≥0.8m。

4.6 土方工程施工技術

II區、III區開挖采用機械+人工的開挖方式，基坑內采用小型挖掘機械進行開挖土轉運作業。然后采用大型抓斗或者伸縮臂等設備在基坑外將土方運出[5]。

本區域土方開挖分三層施工，如圖18所示。

5 逆作法區域基坑監測技術

5.1 監測項目

表7 監測項目一覽表

圖19 二區、三區監測點平面位置圖

5.2 監測數據分析與監測結論

5.2.1 監測數據分析。

表8 監測數據分析

5.2.2 監測結論。基坑監測各項目的變化速率及累計值均在設計范圍內，未出現報警值或異常情況，表明該基坑支護體系安全可靠，確保基坑安全[6]。

6 “順逆結合”的實施效果

6.1 安全可靠

II區、III區“順逆結合”實施過程中，基坑監測各項目的變化速率及累計值均在設計范圍內，未出現報警值和異常情況，表明該基坑支護體系安全可靠，基坑安全。

6.2 質量優良

質量總體優良，未出滲漏現象，結構檢測數據均滿足設計及規范要求。

6.3 確保工期

“順逆結合”施工實施的順利進行，既保證了塔樓工期，又保證了裙樓地下室的工期，和順作法相比，節約工期70天。

6.4 經濟效益

“順逆結合”實施后，通過經濟性對比，較其他方案節約成本約200萬元。

7 結論及建議

本項目地下結構局部采用“順逆結合”施工，有效解決了在城市中心區，緊鄰地鐵的復雜環境下，確保了項目安全可靠、質量優良，工程節點如期實現。超高層建筑，一般塔樓處于項目中心位置，而裙樓部分一般分布塔樓四周，加上城市用地緊張的原因，裙樓一般都緊貼著建筑紅線布置，所以當進行裙樓的施工作業時，場地變得十分狹小，在此情況下，可采取分區施工或逆作法施工技術。所以本項目裙樓 II區、III區地下結構的施工，也是逆作法技術成功運用的代表，為類似項目的施工積累了經驗或參考。