全逆作法建造技術在城市核心區復雜環境條件下的應用

楊雪軍 YANG Xue-jun

（上海久事北外灘建設發展有限公司，上海 200080）

0 引言

某工程項目地處上海市城市核心區域，毗鄰黃浦江和外灘風貌保護區（全國重點文物保護單位），受多方面客觀條件限制，環境條件異常復雜。通過反復比選和綜合評估，采用了全逆作法建造方案。通過全逆作法方案的實施，在工程自身安全、周邊環境安全和工期控制等方面取得了良好的綜合效益。

1 項目背景

為服務國家重大會議活動，向世界展示城市形象，并配合城市更新與濱江貫通工程，充分挖掘歷史建筑的深厚文化積淀和“一江兩岸”的絕佳景觀優勢，相關部門決定在該區域打造國際級重大會議中心。因項目土地權屬復雜，場地移交延遲、交付節點限定等因素影響，實際施工周期僅有23 個月，常規方案已無法滿足工期要求。綜合周邊環境保護要求、工期要求、場地條件和技術可行性等方面實際情況，經過對順作法、半逆作法、全逆作法進行了綜合比選，采用了全逆作法建造方案。

2 項目概況

項目基地紅線圍合面積19562 平方米，基坑面積約1.4 萬平方米，總建筑面積9.9 萬平方米，地上5.7 萬平方米，地下4.2 萬平方米。地上4 層（部分區域設置夾層），地下3 層（部分區域地下2 層），建筑屋脊高度44.8 米。基坑開挖面深度為地下2 層區域12 至12.6 米，地下3 層大面積普挖深度為14.9 至16 米。

3 環境條件

工程東側和南側1h 開挖深度范圍為在建新建防汛墻，防汛墻底板距基坑最近處約1.5 米。西側1h 開挖深度范圍內為兩棟優秀歷史保護建筑紅樓和灰樓。其中，紅樓為磚木結構，距基坑直線距離約7.6 米；灰樓為鋼筋混凝土結構，距基坑直線距離約8 米。北側1h 開挖深度范圍內有眾多城市管網，東北角有一棟8 層辦公樓和一棟6 層宿舍樓，最小距離僅1.6 米（見圖1）。根據上海地方標準《基坑工程技術標準》、市住建委文件《上海市基坑工程管理辦法》（滬住建規范[2019]4 號）的規定，基坑安全等級屬于一級基坑，環境等級也按照一級考慮。

圖1 周邊環境關系示意圖

4 工程地質、水文條件

場地屬于濱海沖積平原特征，地勢較為平坦，高程介于2.70～4.03 米之間。

勘察揭示地表至95.0 米深度區間內主要由軟黏土、粉土和砂土組成，成層連續分布。地基土受古河道切割影響，缺失⑥號土層，切割槽內沉積⑤3 層黏性土（局部分布⑤4 層次生硬土），可分為7 層，其中①、⑤、⑧及⑨層又可分若干亞層。

場地內的潛水與江水潮位有明顯的水力聯系，第⑦層和第⑨層為承壓水層，水頭埋深3.0～12.0 米。其中⑦層層頂最淺標高為-42.06 米。按3.0 米水頭標高計算，開挖至16 米時，第⑦、⑨層承壓含水層不會對基坑開挖面的穩定產生破壞。

5 總體技術路線

基坑施工基本方案分為順作和逆作兩種。所謂順作法，是指先施工圍護結構，隨后從上向下分層開挖，按順序設置水平向支撐，開挖到基底后，再從下至上施作本體結構。不同于順作法，逆作法每開挖一層土方后，即安裝模板并澆筑正式結構，用來替代常規順作法施工的支撐系統，來平衡圍護承受的橫向水、土壓力。當開挖完成時，地下結構同步完成。逆作下部結構的同時，進行上部主體施工的，稱作全逆作法。僅逆作地下結構，上部主體工程待地面以下結構基本完成后再開始施工的方法，稱為半逆作法。

本工程基坑平面范圍較大、周邊環境影響因素和條件極為復雜、可用場地局促，且需在較短的時間內整體投入使用，主體采用全逆作法方案。技術路線如下：將圍護、支撐結構與正式結構進行融合設計，圍護結構兼做地下室外墻，利用工程樁內插鋼管形成“一柱一樁”作為永臨結合豎向立柱，利用地下水平梁板結構作為支撐，首先完成地下室頂板，可兼作施工場地和材料的臨時堆場，實現地下、地上建筑同步施工。

全逆作法方案的優勢主要表現有：利用地下空間的橫向結構作支撐，可顯著控制圍護水平方向變形，對周圍復雜的環境可起到有效的保護。利用地下室首層樓板，作為材料、設備的堆放場地，并能為上部施工提供操作空間。利用“一柱一樁”與結構下插柱連接，實現地下、地上同步施工。

由于基坑西端頭距離歷保建筑僅7.6 米，東端頭局部為地下2 層，與主體挖深不同，在此兩處進行局部分區，采用順作法結合軸力伺服系統，錯時開挖，對周邊環境保護更為有利。

將基坑西側劃分出寬約16 米的窄條1 號基坑，1 號坑采用順作法，1 號基坑完成后再實施2 號基坑，2 號基坑逆作完成底板后，實施順作3 號基坑。為保護歷保建筑，在坑外設置一排隔離樁（MJS 套打Φ800@1100 灌注樁）。1 號基坑支護體系：1 米厚地下連續墻（結合槽壁加固）+4道水平支撐（1 砼+3 軸力補償鋼支撐）；2 號基坑支護體系：1 米/1.2 米厚地下連續墻（結合槽壁加固）+3 層梁板作水平支撐；3 號基坑支護體系：直徑1 米咬合樁（結合止水帷幕）+3 道水平支撐（砼支撐）。

6 主要技術方案

6.1 基坑圍護

主體圍護墻采用地下連續墻，圍護及永久內襯墻兩墻合一，厚度為1 米（南側局部厚度為1.2 米）,連續墻兩側設置槽壁加固。施工順序為先施工鄰近紅樓灰樓的隔離樁，然后施工1 號基坑圍護，順作進行基坑開挖，待1 號基坑出地面后再逆作開挖2 號基坑，2 號基坑完成底板后，順作實施3 號基坑。

地下連續墻插入基底以下21 米，混凝土采用水下配置，強度為C35，采用工字型剛性接頭，在槽段分縫外側設置MJS 旋噴樁以提高抗滲能力。墻身內預設注漿管，達到規定強度并確保劈通后進行墻趾注漿。地下連續墻頂部設貫通的壓頂冠梁，壓頂圈梁與主體結構整體澆筑或設置預留鋼筋，墻身預埋插筋（直螺紋連接器）和剪力凹槽與各層邊梁、內襯墻進行有效連接。

6.2 水平支撐系統

1 號基坑采用順作法，采用一道砼支撐+三道軸力補償鋼支撐。鋼支撐采用直徑609、壁厚16 鋼管，第二、三、四道支撐軸力分別為1200kN、1200kN、1500kN，分兩階段施加，采用軸力自動補償系統控制基坑變形。

2 號基坑采用全逆作法，逆作區域利用結構梁板代替水平支撐體系承受水平力，各層結構梁板預留多個出土口作為出土和小型機械吊裝通道，對施工荷載和土方運輸路線進行結構驗算，對結構進行加強處理，對永久開口、樓梯間位置采用臨時封板或設置支撐等方式處理（見圖2）。

圖2 B0 層梁板與出土口平面布置圖

根據一柱一樁承載力計算結果，上部結構對下承載力要求較高的立柱采用鋼管內填混凝土立柱，為保證主框架梁鋼筋的連接和貫通，連接方法采用環梁節點或者寬梁節點。

局部荷載不大的位置以及托梁位置采用角鋼格構柱，采用寬扁梁便于梁鋼筋的通過，也可采用局部加腋的方式確保框架梁的整體受力性能。

結構梁板作為施工階段的水平支撐體系，高差過大對逆作時水平力的傳遞十分不利，結合實際結構差別情況，對框架梁端部和板端部采取加腋的方式予以處理。加腋混凝土在逆作施工完成后可根據建筑、管線和設備安裝等實際要求確定是否拆除。

6.3 豎向支承系統

框架柱下方使用工程樁設置“一柱一樁”豎向支承體系，樁基形式為1 米和1.2 米直徑的鉆孔樁。豎向立柱樁主要利用底板下永久工程樁。一柱一樁格構柱在基礎筏板澆筑完畢后，外側另行澆灌混凝土形成正式框架柱，臨時格構柱待結構施工完成后拆除。

鋼立柱采用φ550×18 和φ600×20 鋼管內填C50 高強混凝土的鋼管混凝土柱以及由等肢角鋼和綴板焊接組成的4L200×20、4L200×24 和4L160×16 焊接格構柱，鋼材牌號為Q345B，鋼立柱深入立柱樁的樁頂以下不小于3 米。一柱一樁在穿過底板的厚度范圍內設置止水鋼板。

6.4 地基加固

為防止地下連續墻成槽時槽壁坍方，槽壁內側采用單排直徑850@600 三軸攪拌樁，北側坑外采用TRD 工法水泥土攪拌墻，南側坑外采用SMC 銑削水泥土攪拌墻。

在長邊被動區設置墩臺式土體加固，采用格柵式布局。1 號基坑采用直徑2000@1500MJS 滿堂加固，加固體插入基底面以下5 米，基底面以上水泥摻和量為15%，基底以下水泥摻和量不小于40%。2 號坑被動區土體加固采用直徑850@600 的三軸水泥土攪拌樁，加固體寬度為7.85 米，加固體深入基底以下5 米，基底以上為弱加固，水泥摻和量為15%，基底以下水泥摻和量不小于20%，三軸攪拌樁與圍護墻間的空隙采用直徑800@600 的高壓旋噴樁充填。局部深坑采用直徑850@600 三軸水泥土攪拌樁進行加固。

6.5 基坑開挖與降水

逆作法開挖前，在首層結構樓板上合理布置車輛行走路線，結合結構梁、柱分布特點和開挖實際方案，合理設置出土口。坑內布設充足的照明設施，保證暗挖回轉、運輸的順利進行。首層結構梁板行車通道上存在高差，采用輕質材料鋪墊，并澆筑整體路面層。土方應及時外運，嚴禁在首層結構堆積土方。對出土口預留結構插筋以及各層結構構件預留鋼筋采取保護措施。坑內開挖需遵照“分區、分層、分塊、對稱”的方式，開挖區域采取盆式開挖方式，基坑內臨近的多個區域不得大范圍同時開挖，各區開挖至控制標高后及時澆筑混凝土墊層、結構梁板及基礎筏板，以減少基坑無支撐暴露時間，必須在上一層結構澆筑后養護至不低于規定強度80%時，方可開始開挖下一層土方。基坑土方必須分段、間隔、對稱開挖，每分段不大于30 米，各段開挖至坑底后需立刻澆搗砼墊層，具備一定強度后才可開挖鄰近段土方。各分區開挖并澆筑完成樓板結構后再開挖下一分區土方并澆筑梁板結構。

土方開挖應在地下水位及坑內加固體強度符合要求后進行。坑底需預留0.3 米采用人工開挖并整平，避免基底受到擾動。砼墊層必須隨挖隨澆，具備一定強度后再進行樁頭破除和鋼筋安裝工作。在開挖過程中，采取破邊留土的措施確保邊坡穩定，土坡坡度一般不超過1∶1.5，挖土高度差異不超過3 米。基坑邊地面附加荷載應控制在20kPa 以內。

基坑降水采用真空管井對潛水進行疏干，預降水時間不少于4 周。高出的井管隨開挖面降低予以割除，降水深度控制在坑底以下1.0 米。施工底板前，根據實際需要可預留少量管井穿過底板，做好止水措施后，待底板澆筑完成后進行封閉。

6.6 信息化監測

本工程基坑范圍大、開挖深，周邊環境因素復雜，施工全過程采用信息化監測手段，全面掌控圍護結構自身和周邊環境的變化情況，根據監測情況不斷調整施工節奏，優化施工順序。監測主要分為兩大類：①基坑圍護監測：圍護冠梁頂位移與沉降、墻體測斜、梁板應力、支撐軸力、一柱一樁沉降、鋼立柱隆沉、坑底隆起等。②基坑環境監測：建、構筑物的沉降、傾斜和裂縫開展、管線變形、坑外深層土體變形、地表沉降、坑外潛水水位等。基坑監測由專業單位承擔，監測數據達到或超過報警值時，各參建方將進行綜合研判，及時調整施工方案和節奏。

7 實施情況

工程自2019年7月正式啟動建設，2020年5月完成第一階段圍護和樁基工程，2020年6月完成B0 板，同步開始下部基坑開挖和上部鋼結構吊裝，2020年9月完成結構封頂，2020年11月基坑底板全部澆筑完成，17 個月完成上部和下部土建施工。室外幕墻、綜合機電及精裝修于2021年5月完成，總歷時23 個月，基本具備交付使用條件。整個施工期間，基坑變形及周邊建筑物變形均在可控范圍之內，基坑未發生明顯滲漏和異常險情，施工過程平穩有序（見圖3）。

圖3 全逆作法上下同步施工實景

8 結語

逆作法建造是一種超常規的施工方法，與常見的“明挖順筑”有顯著的區別。尤其是全逆作法建造，在永臨結合、臨時荷載選取、工況的結合、構件的節點處理等方面需提前進行大量的超前研究和設計深化，施工方面也存在施工條件差、作業難度高、安全風險高等方面的問題，對設計、施工都提出了較高的要求。通過本工程的施工實踐，在工程面臨周邊環境保護要求高、場地受限以及工期緊張時，表現出了超越常規方案的顯著優勢。隨著城市化進程的加快，尤其是一線城市土地集約化程度越來越高，本項目的成功實施，對在城市核心區建造類似項目具有借鑒意義。