局部半逆作法施工技術(shù)在超大深基坑中的應(yīng)用研究

摘要：大型深基坑的支護方法很多，每一種基坑支護都有各自的適用條件和一定的局限性。在高層建筑多層地下室和有特殊要求的地下結(jié)構(gòu)基坑支護中，逆作法可以立體交叉施工，又能有效的保護周邊的既有建筑物，本文結(jié)合地下工程中逆作法施工的發(fā)展現(xiàn)狀，以昆明螺螄灣中心項目超大深基坑工程為研究背景，介紹了逆作法與順做法相結(jié)合的半逆作法施工技術(shù)及其基坑監(jiān)測，并針對半逆作法施工中的幾項關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進行了詳細的分析和研究，得到了一些可用于指導(dǎo)施工實踐的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：半逆作法；超深基坑；超高層建筑；施工技術(shù)；基坑監(jiān)測

1前言

逆作法作為基坑支護技術(shù)在建筑工程的應(yīng)用越來越廣泛，它既能降低工程造價、縮短工期，又能保證施工安全。實踐證明，逆作法在帶有多層地下室的高層和超高層建筑及其它多層地下結(jié)構(gòu)工程施工中是十分有效的。逆作法作為一項基坑的支護技術(shù)，適用于建筑密集地區(qū)、施工場地有限、工期要求緊張、地基軟土層厚、對坑外地表及鄰近建筑物沉降變形要求比較高等工程情況。逆作法具有經(jīng)濟性好、工期短及環(huán)保等優(yōu)勢。因此，在國內(nèi)外均得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

2局部半逆作法超大深基坑支護工程實例

建筑物深基坑支護方法和地下工程施工可以總結(jié)為順作法（敞開式開挖）和逆作法施工兩種。此外，在逆作法施工基礎(chǔ)上發(fā)展來的半逆作法以及局部逆作法都可以納入逆作法的范疇。本章以昆明市螺螄灣中心項目的超大深基坑工程局部半逆作法為背景，對半逆作法施工中關(guān)鍵施工技術(shù)和施工難點進行闡述分析和研究。

2.1案例工程概況

案例項目在云南省昆明市一環(huán)和二環(huán)之間，位于昆明市環(huán)城南路與南壩路交匯處，本工程地上部分為3棟184.30m～217.80m的主樓、4棟8～12層裙樓，地下共4層地下室，整個基坑南北長約320m，東西長約200m，單層地下室面積約為5.7萬㎡，開挖面積約為67814㎡（含南面大放坡面積），土方開挖平均深度約19.6m，塔樓位置處土方開挖深度為24.8m，整個基坑土方開挖總量約為130萬m3。案例工程由昆明市螺螄灣投資發(fā)展股份有限公司投資，云南省設(shè)計院設(shè)計，中建三局集團有限公司承建。

2.1.1基坑周邊環(huán)境條件

方位

建筑物描述

與地下室外墻線最小距離

備注

基坑?xùn)|側(cè)

18～21層天城大廈，沉管灌注樁基礎(chǔ)，且緊鄰基坑有一個消防水池（水池深為4.8米，寬5.5米，長11.8米，容積約為500m3）。煤氣加壓站：一層建筑物。

距離消防水池最近約為7.58m，距離天城大廈最近約為17.3m，距離煤氣加壓站最近距離為13m。

設(shè)計重點考慮

基坑南側(cè)

空地（拆遷用地，為二期建設(shè)用地）

基坑西側(cè)

西南角有一棟7層建筑，淺基礎(chǔ)

最小距離約12.9m

基坑北側(cè)

無

2.2.2地質(zhì)概況

根據(jù)勘察單位提供的地勘報告，基坑開挖深度范圍內(nèi)的地質(zhì)土層分布為表部由第四系全新統(tǒng)人工堆積（Q4ml）雜填土組成，以下依次為第四系全新統(tǒng)沖、洪積（Q4al+pl）層及第四系沖湖積官渡組（Q3g）層地層組成。

2.2.3水文地質(zhì)條件

場地各鉆孔均見地下水，地下水穩(wěn)定水位埋深0.70～7.10m，穩(wěn)定水位標高介于1884.52～1890.36m之間，高差5.84m，具有統(tǒng)一地下水位，略具東高西低、北高南低的特點。場地地下水類型主要為孔隙水及潛水，主要賦存于粉土層、粉砂層及圓礫層中，微具承壓性，在上部雜填土及粘性土層中有少量上層滯水。地下水主要由大氣降水、生活污水入滲及東側(cè)盤龍江水補給（場地距離盤龍江約50m），并與盤龍江形成互補現(xiàn)象，雨季盤龍江水位升高，地下水部分受盤龍江補給，枯季地下水向盤龍江徑流排泄補給。地下水位隨雨、枯季有一定升降變化，變化幅度高達0.50～2.00m。

2.2基坑支護方案選擇

2.2.1基坑支護方案選擇依據(jù)

深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選擇，既關(guān)系到深基坑圍護結(jié)構(gòu)本身的安全，又涉及到鄰近建筑物與周圍環(huán)境的安危，同時還直接關(guān)系到工程造價與施工進度。所以，深基坑圍護設(shè)計方案選擇的合理具有重要意義。對于支護結(jié)構(gòu)應(yīng)該與其他建筑設(shè)計一樣，要求在規(guī)定的時間和條件下完成各項預(yù)定的功能：

（1）能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種問題的功能；

（2）在正常情況下，具有良好的工作性能；

（3）在偶然的不利因素發(fā)生時或發(fā)生后，支護結(jié)構(gòu)仍能保持局部和整體穩(wěn)定。

2.2.2基坑支護方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，基坑北側(cè)為城市道路，南側(cè)及北側(cè)為空地和淺基礎(chǔ)建筑，而基坑?xùn)|側(cè)為一棟超高層建筑，整個基坑支護的重點是基坑?xùn)|側(cè)天城大廈段。本著“安全、經(jīng)濟、可行”的設(shè)計原則，案例項目除基坑?xùn)|側(cè)天城大廈段外基坑總體支護方案為：“一樁一錨”的支護結(jié)構(gòu)。

基坑?xùn)|側(cè)的天城大廈地下室深度為6.6m，基礎(chǔ)為振動沉管灌注樁復(fù)合地基，樁徑為500mm，樁間距在1.5～2.0m之間，該沉管灌注樁復(fù)合地基邊線距離基坑邊線水平距離約為13m，如若選擇樁錨體系進行支護，預(yù)應(yīng)力錨索會不可避免的與天城大廈基礎(chǔ)工程樁產(chǎn)生沖突。在與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計單位協(xié)商后，確定該位置采用半逆作法的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支護體系進行基坑支護施工。即先行完成旁邊位置地下室結(jié)構(gòu)施工，然后將地下室結(jié)構(gòu)作為該區(qū)域基坑支護內(nèi)支撐系統(tǒng)的傳力體系，待內(nèi)支撐體系施工完畢后，從底板開始逐層進行該區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)施工。

另在基坑坑頂及冠梁上設(shè)置排水溝，坑底設(shè)排水溝、排水盲溝以及集水井、降水井共同形成整個基坑的排水系統(tǒng)。

圖2.1" 案例項目基坑整體支護方案平面示意圖

圖2.2" 案例項目基坑?xùn)|側(cè)支護結(jié)構(gòu)剖面示意圖（左側(cè)）

2.3豎向支撐體系施工關(guān)鍵技術(shù)

在逆作法施工中，立柱及立柱樁構(gòu)成了地下結(jié)構(gòu)的豎向支撐體系。其作用是在逆作法施工期間，在地下室底板未澆注之前與地下連續(xù)墻一起承受地下和地上各層的結(jié)構(gòu)自重和施工荷載；在地下室底板澆注后，與底板連接成整體，作為地下室結(jié)構(gòu)的一本分將上部結(jié)構(gòu)及承受的荷載傳遞給地基。

鋼立柱和立柱樁的位置和數(shù)量，要根據(jù)地下室的結(jié)構(gòu)布置和制定的施工方案經(jīng)計算確定，其承受的最大荷載，是地下室已修筑至最下層，而地面上已修筑至規(guī)定的最高層數(shù)時的荷載。一般地，立柱的平面布置，首先選擇在地下室結(jié)構(gòu)柱的位置上，如現(xiàn)有柱子數(shù)量不能滿足承載要求，應(yīng)再選取地下室縱橫墻交接處、剪力墻暗柱處的適當位置。

逆作法中，立柱和立柱樁可采取不同的形式。立柱有時僅作為臨時立柱，在逆作施工過程中起臨時支撐作用，當逆作施工完成后，利用主體結(jié)構(gòu)柱托換臨時立柱；有時立柱與主體結(jié)構(gòu)柱相結(jié)合，此時，立柱可采用角鋼格構(gòu)柱、H 型鋼柱、鋼管柱或鋼管混凝土柱等。采用角鋼格構(gòu)柱、H 型鋼柱時，通常在基礎(chǔ)底板施工完成后再外包混凝土形成結(jié)構(gòu)柱。立柱樁通常與主體結(jié)構(gòu)工程樁相結(jié)合，有時也設(shè)置一些臨時立柱樁。

2.3.1豎向支撐柱定位及垂直度控制

案例工程逆作法施工時，支承垂直力的是由工程樁接高的型鋼格構(gòu)柱，將來在鋼格構(gòu)柱外再包裹混凝土作正式地下室柱，所以其軸線位置與垂直度必須正確，要求偏差在20mm以內(nèi)，否則會影響正式結(jié)構(gòu)柱子位置的正確性，這在施工工程樁時，就要特別注意提高精度。

圖2.3" 豎向支撐柱大樣示意圖

（1）施工工序

豎向支撐體系主要包括鋼立柱和立柱樁兩部分，上部鋼立柱為鋼構(gòu)件，下部立柱樁為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，施工工藝如下：

鉆架定位→鉆孔→第一次清孔→測孔深→孔口夯實→用兩件方木墊兩側(cè)、兩件工字鋼作為偏單在左右兩側(cè)→安放鋼筋籠→固定安放格構(gòu)柱→下導(dǎo)管→第二次清孔→測孔深（合格后）→安放鋼護桶→安放鋼鋼筋（成籠）→臨時懸掛（成籠）措施→格構(gòu)柱竄入（成籠）→按設(shè)計要求尺寸將格構(gòu)柱與（成籠）用支撐固定為一體→用鋼卷尺測量中心線→調(diào)整中心→焊接牢固→拆出臨時懸掛（成籠）措施→格構(gòu)柱與（成籠）一次性放入孔中→全站儀兩臺、水平儀一臺、測量格構(gòu)柱柱頂標高及左右軸線→臨時懸掛格構(gòu)柱及（成籠）措施→固定牢固→汽車泵灌注混凝土混凝土→回填砂→跟蹤灌注混凝土及回填砂調(diào)整格構(gòu)柱格左右軸線及標高誤差→清理現(xiàn)場機具衛(wèi)生。

（2）豎向支撐柱定位

格構(gòu)式鋼柱由在現(xiàn)場加工制作完成后吊裝采用25t汽車吊車，整體懸垂吊入，兩臺經(jīng)偉儀雙向控制垂直度及定位準確性。采用糾正架法對其進行定位和調(diào)垂，并調(diào)整鋼柱的定位及垂直度，有效地解決了鋼柱定位及垂直度偏差控制問題。支承樁和鋼柱的定位及垂直度偏差的有效控制，是施工工藝的一項重要突破。具體如下：

糾正架采用型鋼焊接而成，鋼筋籠安放到孔口固定牢靠后，格局型鋼格構(gòu)柱設(shè)計方向?qū)蕵段恢行狞c進行安放定位，用調(diào)直架的對中刻度和地面上的墨斗線調(diào)整，使鋼構(gòu)柱校正架中心與樁位中心保持一致，校正架本身的垂直度由兩臺經(jīng)緯儀進行垂直度和中心點控制，發(fā)現(xiàn)偏差時，采用調(diào)節(jié)螺絲的方式進行校正。

將用定位的四個點引測至型托梁上，垂直方向用兩臺經(jīng)緯儀進行位置控制，標好位置，同時報請監(jiān)理人員根據(jù)引測記錄再次進行復(fù)核，在鋼筋籠入孔后，格構(gòu)柱位置安裝定位導(dǎo)向架，架體為20#槽鋼對拼接，導(dǎo)向架中部定位孔每邊與格構(gòu)柱大5mm，格構(gòu)柱頂至導(dǎo)向架設(shè)置與格構(gòu)柱同規(guī)格導(dǎo)柱，導(dǎo)柱與下部格構(gòu)柱四邊通過Φ16鋼筋限位連接，格構(gòu)柱在下落過程中用靠尺進行檢測，最終保證格構(gòu)柱中心及方位符合設(shè)計要求，然后在格構(gòu)柱內(nèi)向下澆筑混凝土。

圖2.3" 豎向支撐柱吊裝定位示意圖

采用25t汽車吊車將格構(gòu)柱整體吊放入孔，按兩點吊，將吊點綁系在格構(gòu)柱端部兩對應(yīng)綴板中心位置（偏差在±5mm內(nèi)），并緩慢起吊；將吊起的格構(gòu)柱緩慢放孔內(nèi)，盡量避免碰撞鋼筋籠，待吊至鋼筋籠頂端時停止放下，使其處于靜止自由懸吊狀態(tài)，并用經(jīng)緯儀校對格構(gòu)柱懸吊垂直度（偏差在±1/1000H）。。

格構(gòu)柱與鋼筋籠焊接：垂直度滿足要求后，緩慢深入鋼筋籠內(nèi)3米處，采用“井字形”鋼筋與鋼筋籠加強箍筋焊接連接，焊接時應(yīng)反復(fù)校正垂直度和中心吻合度；無加強箍筋部位采用就近增加拉筋的方法與鋼筋籠主筋連接，并將鋼筋籠主筋頂部10cm與格構(gòu)柱角鋼焊接，焊縫滿足前述要求。同時格構(gòu)柱四個面分別采用2根Φ16鋼筋斜向與鋼筋籠主筋焊牢，鋼筋具有一定的長度形成柔性連接，以便能使格構(gòu)柱作相對微量調(diào)整。同時在格構(gòu)柱每邊的鋼筋籠主筋上各焊接2根Φ16水平鋼筋，距格構(gòu)柱每邊有10—20mm的活動量，使格構(gòu)柱位于鋼筋籠中間，保證格構(gòu)柱各面與鋼筋籠間距均勻，以便吊裝后能對格構(gòu)柱位置進行微量調(diào)整，使其位置準確柱身鉛垂。

固定時格構(gòu)柱必須居于鋼筋籠正中心。焊接過程中，吊車始終吊住格構(gòu)柱，避免其受力。型鋼中樁吊放時應(yīng)精確定位，要求型鋼中樁中心線與樁位中心線誤差≤±5mm，垂直度偏差≤L/300且≤15mm。

將連接好的鋼筋籠與格構(gòu)柱整體緩慢吊裝入孔，入孔過程采用經(jīng)緯儀控制下放垂直度（偏差在±1/1000H且不大于20mm），并利用孔邊定位點分段進行控制格構(gòu)柱方位，每放入2m即對格構(gòu)柱方位校正一次，當格構(gòu)柱下放至設(shè)計標高位置，通過格構(gòu)柱上焊接的四個 28鋼筋吊耳將格構(gòu)柱懸吊固定于孔口枕木上。

鋼格構(gòu)柱吊裝就位后，將斜向調(diào)節(jié)絲桿和鋼柱連接，調(diào)整鋼格構(gòu)柱安裝標高在誤差范圍之內(nèi)，然后調(diào)整支架上的水平調(diào)節(jié)絲桿，調(diào)整鋼柱軸線位置，使鋼格構(gòu)柱四個面的軸向中心線對準地面測放好的柱軸線，使其符合設(shè)計及規(guī)范要求，將水平調(diào)節(jié)絲桿擰緊。

2.3.2豎向支撐柱外包混凝土“后澆層”工藝

中間臨時支柱，隨著逆作地下樓層施工，需外包鋼筋混凝土形成框架柱。依據(jù)逆作工藝要求，采取每樓層框架柱分三次澆筑成型的作法。為解決下部后澆杠子混凝土與上部已澆混凝土之間的“頂緊接牢”問題，在案例項目逆作施工中研究制定了“后澆層”施工工藝。

（1）支模：在施工當層樓板時，為了下層柱澆筑方便，要在結(jié)點施工中從梁底向下多澆筑 500mm（此為第一步柱澆筑），用于下層柱接槎。下層柱施工到上次留槎 500mm 距離（此為第二步柱澆筑）。所以存在柱的頂緊接牢問題。支設(shè)模板要首先保證混凝土面比接槎處高出一定高度，保證混凝土壓力；其次支設(shè)喇叭口，保證混凝土壓力和方便砼澆筑振搗。最后，接頭處混凝土要鑿毛，沖洗于凈，鋼筋除漿（此為第三步柱澆筑）。

（2）第三步柱混凝土澆筑：

① 混凝土內(nèi)摻 14％的 UEA 膨脹劑，并摻用磨細礦粉替代部分水泥，減少砼收縮。

② 兩面振搗，初凝前要二次振搗。

③ 通過喇叭口處砼判斷內(nèi)部的澆筑情況。

④ 7 天后模板拆除，喇叭口形成的突出部分砼剔鑿。

⑥ 振搗密實，無漏振爛根。其中第二步柱子混凝土也摻微膨脹劑，待其澆完混凝土滿 7 天，使其充分完成自身的收縮后，再進行第三步后澆層混凝土的澆灌。

2.5 基坑監(jiān)測與周邊建筑物保護

工程中之所以采用逆作法施工，其中很重要的一個原因就是出于對周圍建筑物及市政管線等保護的考慮。由于施工場地距周圍建筑物或市政管線太近，無法開展正常的順作施工，甚至由于土方開挖、降水等因素引起地面沉降而影響周圍建筑物或市政管線的正常使用。在昆明螺螄灣中心工程中基坑與臨近的天成大廈距離較小，這就使天成大廈的保護成為一重要技術(shù)課題。逆作法施工技術(shù)對周邊建筑物的保護作用也是逆作法相對于傳統(tǒng)順作法的最突出優(yōu)點之。

案例項目選用局部半逆作法施工，避免了錨索成孔損傷或破壞天城花園振動沉管灌注樁基礎(chǔ)情況的發(fā)生，又很好的解決了基坑?xùn)|側(cè)場地狹小的問題。

基坑工程施工監(jiān)測是檢驗設(shè)計方案合理性最直接的手段，同時也是確?；又苓吔ㄖ镎Ｊ褂玫挠行Т胧?。根據(jù)監(jiān)測資料的信息反饋，必要時可及時調(diào)整或修改施工方案。監(jiān)測必須做到及時、準確，以供施工單位或相關(guān)決策者分析、判斷與果斷處置，監(jiān)測工作的緩報、誤報必然釀成嚴重的工程事故。

案例項目在基坑內(nèi)支撐施工階段監(jiān)測內(nèi)容有：周邊建筑物、內(nèi)支撐軸力監(jiān)測。

（1）監(jiān)測點布置

建筑物變形監(jiān)測點，建筑物每邊不少于3點，拐角處及沉降縫處均應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點；

內(nèi)支撐軸力觀測點設(shè)置支撐端點1/3范圍內(nèi)，支撐梁鋼筋上對稱布置，每隔一根內(nèi)支撐布置一組，上下3道內(nèi)支撐均布置，共7個斷面。

（2）基坑監(jiān)測及預(yù)警值

施工前按規(guī)定進行初測，基坑開挖過程中（正常情況下），相鄰兩次的觀測時間間隔不宜超過1天，基坑施工結(jié)束后一個月內(nèi)每周監(jiān)測一次，之后至基坑回填前每半個月監(jiān)測一次；遇雨季施工應(yīng)加強監(jiān)測頻率。監(jiān)測頻率按下表執(zhí)行：

施工過程

監(jiān)測頻率

基坑開挖期間（d）

正常情況下

1次/d

有較大安全隱患或加固搶險時

1次/2～4h

底板澆筑后時間（d）

≤14

1次/d

gt;14

1次3/d

根據(jù)基坑工程安全等級，基坑預(yù)警值和控制值如下：

序號

監(jiān)測項目

累計值（mm）

變化速率（mm/d）

1

支護樁頂水平位移

35

2～3

2

支護樁頂豎向位移

30

2～3

3

深層水平位移

50

2～3

4

基坑周邊地表豎向位移

25

2～3

5

管線監(jiān)測

20

2～3

6

市政道路沉降

20

2～3

7

錨桿內(nèi)力

（70％）f2

8

天城大廈沉降

20

2～3

9

天城大廈傾斜

≤0.3％

10

地下水位變化

1000

11

坑頂建筑物傾斜預(yù)警值為3‰，控制值為2.5‰

12

混凝土內(nèi)支撐軸力控制值為2500KN，預(yù)警值為2000KN

2.6逆作法施工管理建議

在技術(shù)上進行把關(guān)的同時，工程中大力加強施工管理。在施工之前，在技術(shù)上進行詳細的交底，明確技術(shù)要求，并根據(jù)不同的工序、節(jié)點編制具體的施工作業(yè)指導(dǎo)書，做到施工方案人人明白，并在管理上落實到個人分工及相應(yīng)的責任，切實有效地將方案落到實處，保證方案能得到認真執(zhí)行。當施工中遇到疑難問題或與方案不符之處，及時反饋給技術(shù)部門，技術(shù)部門對反饋情況及檢測數(shù)據(jù)認真分析，并據(jù)此對方案進行局部調(diào)整。通過這樣的管理方式，從體制上保證施工始終處于可控狀態(tài)。

3技術(shù)展望

逆作法施工速度快、施工工期短、施工成本低且對周圍環(huán)境影響較小，是傳統(tǒng)的施工技術(shù)不可比擬的。但由于工程的建設(shè)條件不同，場地條件及地質(zhì)條件也各有差異，逆作法施工技術(shù)在某方面還不夠完善，有一些問題還需進一步的研究。

（1）加強對逆作結(jié)構(gòu)受力機理和變形特點的研究，加強設(shè)計施工一體化研究。目前對逆作施工的變形規(guī)律和受力機理還缺乏合理的計算模型和分析方法，對逆作法來說仍不能準確地預(yù)測基坑的穩(wěn)定性、圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形、周圍地層的位移以及對周圍環(huán)境的影響。在這種情況下對設(shè)計、施工一體化的要求將更加迫切，將設(shè)計和施工進行緊密的整合，以最優(yōu)的方案完成工程的建設(shè)，最終達到建設(shè)成本、產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)化的目的。

（2）應(yīng)開發(fā)高效的地下土方開挖施工和運輸設(shè)備。我國目前逆作法施工時，一般采用小型挖掘機進行挖土和坑內(nèi)的水平運輸，經(jīng)過挖掘機多次轉(zhuǎn)移后，將土方集中到出土口，然后通過各種垂直運輸設(shè)備將士方裝車運走。這種施工方法挖土速度慢、效率低，必須大力研發(fā)專門供地下狹小空間中使用，既操作簡單又靈活高效的專用挖土設(shè)備，提高挖土效率。同時，還應(yīng)研究開發(fā)配套的出土設(shè)備。

（3）加強逆作法施工組織管理。逆作法施工在高層建筑的基坑施工中比較成熟，但在單建式人防地下室的應(yīng)用過程中，為加快施工進度，往往多個工作面同時施工，投入的施工單位多，施工工序交叉作業(yè)，組織協(xié)調(diào)工作量大，如何進行信息化的施工組織和管理是逆作法施工的重要課題。通過信息化管理化系統(tǒng)，不但可以對施工實時監(jiān)測、動態(tài)管理，而且還可以預(yù)見和避免不必要的損失與浪費，改變傳統(tǒng)施工粗放管理，實現(xiàn)集約化管理模式，確保按計劃順利進行施工，最大限度地降低成本、節(jié)約資源。