深基坑工程逆作法施工發(fā)展及展望

張偉偉　 何培玲　姜景山　嚴(yán)正　黃海 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院

深基坑工程逆作法施工發(fā)展及展望

張偉偉 何培玲姜景山嚴(yán)正黃海 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院

本文論述了地下深基坑工程逆作法，主要包括深基坑工程逆作法施工順序、施工分類，逆作法施工涉及的關(guān)于地下連續(xù)墻、中間支撐樁柱等施工技術(shù)要點，還介紹了相關(guān)施工安全問題。最后還對逆作法的發(fā)展做出了展望，提出通過設(shè)計專業(yè)化逆作法施工機(jī)械以及優(yōu)化施工方案等途徑彌補(bǔ)現(xiàn)有逆作法施工方法的不足。

深基坑工程；逆作法施工；地下連續(xù)墻；支撐樁柱

1 逆作法施工發(fā)展

逆作法施工技術(shù)首次出現(xiàn)在上世紀(jì)30年代的日本，隨后，隨著地下連續(xù)墻技術(shù)的進(jìn)步以及高效挖土機(jī)械的出現(xiàn)，逆作法又在美國、德國、法國等國家得到運用。到了70年代，隨著打樁機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，中間支撐立柱的施工精度提高，足以支撐主體結(jié)構(gòu)，逆作法在越來越多的發(fā)展中國家得到應(yīng)用[1]。90年代以來，逆作法施工技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展，促進(jìn)了我國建筑施工技術(shù)的進(jìn)步和提高[2]。

新的時期，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的大力推動，國家經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，城市飛速發(fā)展，很多大中型城市地上建筑空間日趨減少，因此，高層和超高層建筑以及地下空間的利用也顯得尤為重要。包括高層和超高層建筑地下部分的工程，地鐵工程等在內(nèi)的深基坑工程逐步成為建筑施工的重要組成部分，這些深基坑工程的深度不斷增加，規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。

經(jīng)過不斷地發(fā)展，如今的深基坑工程逆作法施工相較于傳統(tǒng)施工方法，主要具有以下優(yōu)勢：（1）社會資源消耗少：特別是可利用施工場地狹小時，逆作法的效果更加明顯[3]。（2）縮短施工工期：當(dāng)上下結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行時能夠極大縮短工期。（3）降低施工成本：外墻可以同時起擋土截水的作用；只開挖有效范圍內(nèi)的土方，能夠減少土方開挖量和運輸量；地下室各層梁板、外墻可以采用土模[1]。（4）對周圍環(huán)境影響?。菏芰α己煤侠?，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量小，相鄰的建筑物沉降小[2]，當(dāng)場地為軟土地基時效果更明顯[4]。（5）提高施工安全性：不會因為基坑換撐而引起內(nèi)力重分布，避免基坑長時間的暴露導(dǎo)致的邊坡風(fēng)化[1]。憑借逆作法的這些優(yōu)點，可以加快業(yè)主的銷售和資金周轉(zhuǎn)速度[5]，從而獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 逆作法的施工工藝

2.1逆作法的施工順序

逆作法，不同于正作法的自下而上，是從地面向下逐層的施工方法，地下建筑的主體結(jié)構(gòu)也作為基坑開挖時的支撐結(jié)構(gòu)。常規(guī)逆作法施工如圖1所示，順序為：準(zhǔn)備工作結(jié)束之后，

進(jìn)行維護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，中間支撐樁柱及立柱施工，明挖土方至分界層并在分界層作結(jié)構(gòu)梁板施工。下部結(jié)構(gòu)逐層暗挖土方至設(shè)計標(biāo)高處并做結(jié)構(gòu)梁板施工，直至地下室底板；在條件允許的情況下，上部結(jié)構(gòu)在完成首層結(jié)構(gòu)施工后，可與地下同步、逐層向上施工，最后封頂[6]。

圖1　常規(guī)逆作法施工圖

表1　　土體支護(hù)體系分類

2.2逆作法的分類

實際施工過程中，針對不同的施工環(huán)境以及建筑結(jié)構(gòu)，逆作法分為多種類型。根據(jù)地上與地下建筑結(jié)構(gòu)是否同步施工，可以分為全逆作法和半逆作法[7]。全逆作施工方式是出于控制施工進(jìn)度，縮短工期和降低成本的目的，同步進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)逆作法施工和地上結(jié)構(gòu)正作法施工，需要足夠的結(jié)構(gòu)承載力，如果樁基的承載能力不能夠保證上部結(jié)構(gòu)同步施工，則只能首先進(jìn)行地下建筑逆作法施工，即為半逆作法施工。很多交通工程由于施工條件限制，需要降低施工對于交通運輸?shù)挠绊?，因此會采用蓋挖逆作法，封閉地面交通，挖出覆土，邊坡支護(hù)，施工結(jié)構(gòu)頂板，最后覆蓋土恢復(fù)交通。此外，還有分層逆作法，土方抽條開挖逆作法等新式逆作法施工工藝，采用不同的土方開挖方式以及順序，克服了施工困難，有利于開挖的順利進(jìn)行?？梢哉f，逆作法施工順序的改進(jìn)有兩個主要方向：一是開挖土方從敞開式向覆蓋式發(fā)展；二是土方開挖路線及開挖形式合理化發(fā)展，越來越適應(yīng)工程實際情況。

3.深基坑逆作法施工技術(shù)要點

3.1土體支護(hù)體系

土體支護(hù)體系，也是水平支撐體系，從工作原理可分為最基本的四類，如表1所示。隨著技術(shù)的進(jìn)步，土體支護(hù)也衍生出多種新形式，比如利用大氣壓力以支護(hù)基坑土體的方法[8]。

3.2地下連續(xù)墻施工方法

地下連續(xù)墻剛度大、強(qiáng)度高，可作為永久或臨時地下結(jié)構(gòu)[15]，得到了廣泛的應(yīng)用。施工步驟一般為：首先預(yù)制企口式接頭樁，養(yǎng)護(hù)樁體至合格強(qiáng)度起吊運輸，然后測量、放線，控制導(dǎo)墻的位置，導(dǎo)墻是測量的基準(zhǔn)，施工時必須考慮到連續(xù)墻的變形以及施工誤差，保證尺寸要求[16]。接著開挖基坑，如果地下水位過高應(yīng)先進(jìn)行降水，開挖過程中要注重清理基底以控制水平度，以及采取措施控制墻體垂直度，避免因豎向荷載產(chǎn)生大量沉降。最后在澆筑混凝土的過程中，宜采取措施避免滲漏，以保證施工質(zhì)量。目前挖土成槽機(jī)械主要缺陷是不能保證墻體的足夠穩(wěn)定，改進(jìn)方向主要在于更加高效以及更加小型化，這樣也可以適用于異形的地下連續(xù)墻，能夠保證在墻體還未坍塌的時候就完成挖槽任務(wù)。

3.3中間支承柱和立柱樁

中間支承柱和立柱樁是逆作法施工的重要一環(huán)，開挖時是支撐柱，施工完成后可以作為永久的地下結(jié)構(gòu)受力柱，因此必須精確控制其軸線位置，垂直度也是重要指標(biāo)，一般需控制在立柱長度的1/600以內(nèi)[17]。實際施工中，成孔之后需經(jīng)過全方位測量配合垂直定位，才可下放立柱樁的鋼筋籠至設(shè)計位置，同時再次調(diào)節(jié)垂直度，借助支架進(jìn)行臨時固定后，方可進(jìn)行混凝土的澆筑，或是利用鋼管或型鋼將立柱引至地面上，再選用精密儀器測量并調(diào)節(jié)[17]。對于大口徑鋼管樁，可在孔內(nèi)埋設(shè)定位錨板，達(dá)到測量和控制其垂直度的目的。中間支承樁柱施工技術(shù)也進(jìn)一步發(fā)展：關(guān)于測量，可利用一種新型逆作法立柱樁鉆芯檢測施工方法，這種檢測技術(shù)能夠有效地檢測立柱樁，保證了立柱樁的檢測順利進(jìn)行[18]；關(guān)于調(diào)節(jié)，可以采取數(shù)據(jù)計算分析結(jié)合CAD精確放樣的方法[19]，利用實調(diào)垂控制系統(tǒng)[20]，調(diào)整直至滿足設(shè)計要求后再固定并澆筑混凝土。

3.4沉降、變形觀測

逆作法施工中，作為臨時的支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)一部分的地下墻、板、柱，應(yīng)按照永久結(jié)構(gòu)的要求嚴(yán)格控制其沉降和變形[17]，因承擔(dān)新澆混凝土的重量，坑底地基土在必要時必須進(jìn)行變形控制。觀測點的布置應(yīng)依據(jù)設(shè)計圖紙，同時結(jié)合施工現(xiàn)場的環(huán)境確定。觀測技術(shù)的發(fā)展方向主要是保護(hù)措施以及觀測儀器的改進(jìn)，由于觀測點十分重要且一般設(shè)置于墻柱邊角處，因此宜做好保護(hù)措施，確保后續(xù)觀測工作不受影響。不同的觀測環(huán)境，不同的觀測對象也需要選用相應(yīng)的觀測儀器，比如觀測時發(fā)現(xiàn)所用儀器不能夠清楚觀察裂縫，則宜換用帶讀數(shù)的顯微鏡來觀察其變化情況。

3.5施工洞口及垂直運輸

由于是在地下封閉的環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，垂直運輸挖出的土方以及施工材料設(shè)備的過程也成了逆作法施工的重要一環(huán)，所以需設(shè)計用于地面直達(dá)地下結(jié)構(gòu)底層的垂直運輸，且尺寸大小符合施工要求的預(yù)留孔道。一般的發(fā)展方向是：設(shè)計合理的挖土方案和出土路線，滿足“先柱后墻，間隔開挖，流水作業(yè)，嚴(yán)禁超挖”的逆作法施工原則，盡量減少預(yù)留施工口，從而減少加固預(yù)留施工口所需要施工量以及施工費用[21]。

4.深基坑逆作法安全管理

施工安全問題是施工過程中的重中之重，保障施工安全，保證施工人員生命安全，值得施工設(shè)計單位和組織單位去認(rèn)真對待。進(jìn)入施工現(xiàn)場的施工監(jiān)理人員必須做好相應(yīng)的安全措施[22]，持上崗證，戴安全帽。施工預(yù)留口位置處應(yīng)做好安全防范措施，預(yù)埋長鋼筋網(wǎng)，加固定蓋板或設(shè)置護(hù)身欄[23]，有條件的應(yīng)設(shè)置警示標(biāo)志。

在施工開始之前，應(yīng)調(diào)查好該區(qū)域內(nèi)以及相鄰建筑物地下管線的埋設(shè)情況，條件允許時結(jié)合地質(zhì)資料的超前鉆探，明確每個樁位的巖層分布、地下水、地下氣體情況[24]，施工時要特別注意這些位置，避免在施工中出現(xiàn)滲水漏水，有毒氣體泄漏的情況。

因此，在地下封閉狀態(tài)下進(jìn)行施工，合理布置通風(fēng)系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)值得特別注意。施工產(chǎn)生的灰塵以及廢氣無法自然排出室外，需要采用機(jī)械通風(fēng)，保證工作面的空氣流通。涉及電源電路的部分應(yīng)提高警惕，雇專業(yè)電工操作，施工現(xiàn)場嚴(yán)禁吸煙或使用明火，宜做好防火措施。

5 總結(jié)與展望

逆作法施工技術(shù)雖然得到大力發(fā)展，在建筑工程中發(fā)揮了重要作用，但目前仍存在一些缺陷：（1）由于地下層高的限制，挖土不靈活，需要輔以部分人力挖土。（2）節(jié)點的預(yù)埋位置不容易控制，會增加焊接的施工量。（3）柱墻混凝土搭接質(zhì)量難以控制，容易導(dǎo)致漏水和承載力降低的后果。（4）施工環(huán)境通風(fēng)比較差，施工難度較大，質(zhì)量難以控制。（5）施工過程敏感度較大，相應(yīng)的質(zhì)量控制要求較嚴(yán)格[25]。

地下建筑在變形特征、結(jié)構(gòu)特征和受環(huán)境影響等方面體現(xiàn)出來非均質(zhì)性，非線性和離散性使得我們迫切地將新技術(shù)利用到逆作法的施工、測量以及監(jiān)控方面，在逆作法的每一個施工步驟力求優(yōu)化和創(chuàng)新[26]。具體改進(jìn)方向可從以下幾點考慮。

（1）注重節(jié)點的施工。作為地下結(jié)構(gòu)承載力和地下結(jié)構(gòu)整體性的重要保證，節(jié)點的施工在逆作法施工中顯得十分重要。施工時埋件的位置是否準(zhǔn)確，焊接是否牢靠，以及后澆混凝土是否采取適合的措施以確保其密實且無收縮裂縫[27]，都決定了節(jié)點的施工質(zhì)量能否滿足要求。主要的發(fā)展方向應(yīng)是致力于改進(jìn)提高輔助定位的技術(shù)，使節(jié)點的預(yù)埋預(yù)留位置更加精確，從而降低焊接的工作量。

（2）注重結(jié)構(gòu)的防水。比如采用止水性強(qiáng)且均勻的“TRD”(Trench cutting re-mixing deep wall)工法[28]，利用結(jié)構(gòu)自防水滿足工程的防水要求，此外還有基于真空帷幕止水的特殊工法[8]，這些新興的防水方式都代表了結(jié)構(gòu)防水的發(fā)展方向。

（3）結(jié)合計算機(jī)信息技術(shù)設(shè)計出針對于逆作法特點的施工機(jī)械或者結(jié)合實際工況優(yōu)化施工方案，以彌補(bǔ)現(xiàn)有逆作法施工中存在的缺陷。針對逆作法改進(jìn)的施工機(jī)械，滿足小型、靈活、高效的特點，能大大降低挖土的難度，可以減少由于地下層高的限制所增加的施工量。

[1] 謝小松.大型深基坑逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)分析[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

[2] 魏鵬程.蓋挖逆作法基坑開挖對周圍環(huán)境影響的研究[D]. 湖南:湘潭大學(xué)，2013.

[3] 龍莉波.大型深基坑逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].地基基礎(chǔ)，2016，(06):625-629.

[4] 孫洋波.軟土地基深基坑工程逆作法數(shù)值分析及實測分析[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

[5] 萬怡秀，嚴(yán)開濤，吳昭華,等.超高層建筑地下工程逆作法方案優(yōu)選[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(11):1-5.

[6] 陳燁康. 上部結(jié)構(gòu)完成后的地下結(jié)構(gòu)逆作法施工工法研究[D]. 廣東:廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 王允恭主編.逆作法施工設(shè)計與實例[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] 李景林，吳春勇，王建平，等.基于真空帷幕止水與大氣壓力支護(hù)的深基坑開挖新工法[J].巖土工程學(xué)報，2016，38(2):325-329

[9] 吳野.基礎(chǔ)工程支護(hù)工程設(shè)計施工與監(jiān)測技術(shù)的研究[D].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2007.

[10] FARID E,MASOOD V,MOHAMMAD S, etal. Displacement measurement of soil nail walls using close range photogrammetry[J].Procedia Engineering.2013,54(1):516-524.

[11] SANGCB, YOUNIC. The effect of the nail skew angle of soil nailing wall[J]. KSCE Journal of Civil Engineering,1999,3(1):73-39.

[12] VIKASPS, BABUGLS. 2D numerical simulations of soil nails walls[J]. Geotechnical and Geological Engineering,2010,28(4):299-309.

[13] 單仁亮，鄭赟，魏龍飛.粉質(zhì)粘土深基坑土釘墻支護(hù)作用機(jī)理模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2016，38（7):1175-1180.

[14] 汪班橋，門玉明，陳文玲.土釘墻模型試驗研究[J]. 西安工程學(xué)院學(xué)報,2004,24(3):15-17.

[15] 郭建戈.建筑中異形地下連續(xù)墻施工技術(shù)探討[J]. 工程科技，2005(10):111.

[16] 董力.蓋挖逆作法在某工程中的實踐分析[D]. 天津:天津大學(xué)，2007.

[17] 王金圳.逆作法施工及其在單建式人防地下室的應(yīng)用[D]. 福建:華僑大學(xué)，2012.

[18] 陳昆鵬，王耘，楊正濤.一種全逆作法立柱樁鉆芯檢測施工方法[J]. 施工技術(shù)，2014(S2):57-58

[19] 劉剛.逆作法結(jié)構(gòu)型鋼柱倒插式施工工藝研究與應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2016，45(1):28-32

[20] 廖秋林,江紹忠，許寧，等.超深逆作鋼管柱垂直度控制施工技術(shù)[J].工程質(zhì)量，2010,28(1):22-25.

[21] 別懷慶.土體支承蓋挖逆作法施工技術(shù)研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學(xué)，2012.

[22] 王恒.淺析建筑工程基坑支護(hù)施工技術(shù)要點[J]. 工程科技，2015，(22):229.

[23] 魏巍.地下工程逆作法的施工技術(shù)[J].建筑節(jié)能，2016，(01):109-111.

[24] 植培斌.逆作法施工安全管理的研究[D]. 天津:天津大學(xué)，2005.

[25] 石正華.結(jié)構(gòu)柱為中間支承柱的逆作法技術(shù)研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)，2009.

[26] 梁波，洪開榮，梁慶國.城市地下空間施工在我國的現(xiàn)狀、分類和發(fā)展[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，(S1):20-26.

[27] 洪義兵.超長地下室裂縫控制技術(shù)[D]. 浙江:浙江大學(xué),2014.

[28] 王凡.雨潤廣場深基坑止水帷幕TRD工法應(yīng)用及效果評價[D]. 山東:山東大學(xué)，2013.

南京工程學(xué)院2016挑戰(zhàn)杯支撐項目（TZ20160017）。

張偉偉（1995-），男，本科生，土木工程專業(yè)，主要從事土木建筑工程方面的研究。