北京大學景觀設(shè)計學大樓基坑開挖方案介紹

1 項目概況

北京大學景觀設(shè)計學大樓位于北京市海淀區(qū)中關(guān)村北大街東側(cè)，北京大學校區(qū)內(nèi)，分為I、II兩段，中間以一顆被保護古樹分割，兩段通過連廊連接。I段長32.7m，寬25.4m，主要功能為教室和展廳；房屋結(jié)構(gòu)高度17.2m，地上5層，地下1層，地下為人防，層高分別為地下一層3.8m，首層3.8m，2～5層3.4m。II段長129.4m，寬35.2m，主要功能為辦公室和實驗室，房屋結(jié)構(gòu)高度為15.6m，地上4層，地下1層，層高分別為地下一層4.0m，2～4層3.9m。I，II兩段均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，平板式筏型基礎(chǔ)，I段基底標高-4.250m，板厚600mm；II段基底標高-4.500m，板厚500mm。平面位置見圖1。

圖1

如圖所示，北京大學景觀設(shè)計學大樓上跨地鐵4號線北大東門站～圓明園站區(qū)間，施工時由于基礎(chǔ)基坑的開挖，地基卸載會造成地鐵軌道地基回彈，可能影響地鐵安全運營。因此，地鐵有關(guān)部門要求，對四號線地鐵軌道地基的變形控制要求為：上浮不大于2mm，下沉不大于3mm。由于本工程為框架結(jié)構(gòu)且高度有限，重量較輕，在基礎(chǔ)施工過程中，挖土的卸載重量略大于上部結(jié)構(gòu)施工完畢后結(jié)構(gòu)自重及使用荷載的重量，不會造成對地鐵軌道的下沉影響；控制上浮量成為主要因素。

建筑物與地鐵相對位置的剖面圖如圖2

2 建筑物建造可行性計算

允許本工程建設(shè)的前提條件為在建設(shè)完成后，地鐵頂面的壓力減少值（挖掉土體的重量與建筑物重量之差）所引起的地鐵回彈值不應超過2mm。

（1）建設(shè)完成，地鐵頂面土體壓力減少值計算

I段：4.950x18=89.1KN/m2（較整平地面）

II段：5.100x18=91.8KN/m2（較整平地面）

（2）建設(shè)完成后，建筑物（自重+恒載）單位面積重量為I段：87.52KN/m2

圖2

II段：79.37KN/m2

（3）建設(shè)完成后地鐵表面卸荷

I段：89.10-87.52=1.58KN/m2

II段：91.80-79.37=12.43KN/m2

據(jù)相關(guān)評估單位計算，由于壓力減小值較小，地鐵軌道地基上浮量為0.85mm，在允許范圍內(nèi)，符合要求?？梢姡诮ㄖ锝ㄔO(shè)完成后，不會對地鐵安全營運產(chǎn)生影響。

控制地鐵軌道地基的上浮限值不僅要求在建設(shè)完成時保證滿足，更重要的是在整個施工過程的各個階段滿足要求。如施工采用大開挖，由于土體開挖對地鐵頂面卸荷較大，特別是在基礎(chǔ)底板施工前，卸荷達到最大，這時地鐵軌道地基將發(fā)生回彈，上浮達到最大。此時，I段卸荷為89.1KN/m2，II段為91.8KN/m2，經(jīng)評估，地鐵回彈6.29mm，超過了地鐵上浮2mm的限值，不滿足地鐵運營安全的要求。采用合適的施工方案滿足地鐵運營的安全成為本工程建設(shè)的主要因素，因此，從以下幾方面做了探討與研究。

3 基坑開挖方案

（1）逆作法

逆作法的工序為先沿建筑物地下室軸線或周圍施工地下連續(xù)墻或其他支護結(jié)構(gòu)，同時建筑物內(nèi)部的有關(guān)位置澆筑或打下中間支承樁和柱，作為施工期間于底板封底之前承受上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載的支撐。然后施工地面一層的梁板樓面結(jié)構(gòu)，作為豎向結(jié)構(gòu)剛度很大的側(cè)向支撐。隨后逐層向下開挖土方和澆筑各層地下結(jié)構(gòu)，直至底板封底。同時，由于地面一層的樓面結(jié)構(gòu)已完成，為上部結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造了條件，所以可以同時向上逐層進行地上結(jié)構(gòu)的施工。如此地面上、下同時進行施工，直至工程結(jié)束。

對本工程而言，保證地鐵軌道地基上浮在允許范圍內(nèi)的關(guān)鍵是要保證地鐵頂面壓力始終處于相對平衡狀態(tài)。逆作法的施工工序（先施工上部結(jié)構(gòu)，隨著上部荷載的增加，挖掉相應重量的土體，使之始終處于平衡狀態(tài)，直到最終施工完成）能非常有利的保持地鐵軌道頂面壓力平衡。

經(jīng)計算，本工程地上結(jié)構(gòu)全部完工時（僅考慮結(jié)構(gòu)自重），I段可開挖基坑深度為2.19m，II段可開挖1.91m。即當上部結(jié)構(gòu)施工完畢時，仍然不能全部置換地下室挖土深度。經(jīng)計算，此時I段卸載量49.68KN/m2，II段為 57.42KN/m2，地鐵基坑回彈量為3.947mm，無法滿足地鐵回彈要求。需繼續(xù)施工加載，才可挖去剩余土體從而施工地下結(jié)構(gòu)。

逆作法的特點對于多層地下室高層建筑可縮短工期，經(jīng)濟效益明顯。對于本工程建筑而言，地上多層，地下僅有一層，采用逆作法不能達到控制地鐵軌道地基回彈的目的，不適合采用。

（2）配重法

配重法的思路為利用配重來補償挖土損失的荷載，從而達到地鐵軌道頂面壓力相對平衡的目的，解決由于壓力變化引起地鐵上浮變形超過允許值得問題。

針對配重法，評估單位經(jīng)過計算，提出了施工要求：

1） 分條開挖平均寬度為20m時；

2） 反壓荷載應達到開挖5m土體重量的70%及以上；

3） 分條放坡開挖坡度應根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況采用盡量小的坡度，建議坡度1:0.5-1:0.7。

這一方案從理論和概念上都能較好的控制地基軌道回彈量，關(guān)鍵在于如何實施方案。

首先考慮固體配重，針對于此工程，采用分塊施工，固體配重的施工方法。

施工時，依據(jù)評估要求，將建筑物分為寬度不大于20m的施工段，每段基坑開挖后，按結(jié)構(gòu)施工圖進行基礎(chǔ)底板、柱子、外墻、內(nèi)墻的施工。當本區(qū)段施工完畢后，按要求進行固體反壓配重堆載。反壓堆載的重量應滿足評估單位提供的施工要求。然后按設(shè)計要求進行下一區(qū)段的施工且應跳格施工，依次類推。整個區(qū)域的基礎(chǔ)施工完成后（此時反壓固體堆載也施加完成），再進行首層樓面的施工，進而進行上部結(jié)構(gòu)施工。隨著上部結(jié)構(gòu)的施工，重量增加，在地鐵頂部土壓力保持平衡的狀態(tài)下，可以逐漸按比列撤除基底上的固體堆載。當上部建筑物全部施工結(jié)束后，方可撤除基礎(chǔ)底板上的全部固體堆載。然后進行機電安裝及裝修工程。

配重重量計算：挖土卸載總重為：

I段 ：4.95×18=89.10KN/m2；

II段 ：5.10×18=91.80KN/m2；

在施工完成后，需反壓總重量至少為實際卸載的70%：

I段 ：89.1×70%=62.37KN/m2；

II段 ：91.8×70%=64.26KN/m2。

基礎(chǔ)底板施工完畢后在底板上施加的反壓荷載為：

I段：62.37-0.6×25-0.1×24=44.97KN/m2，即最后取值：45KN/m2

II段：64.26-0.5×25-0.1×24=49.36KN/m2，即最后取值：50KN/m2

由計算可知，每平米需配重量最大為5噸，在施工現(xiàn)場較容易實現(xiàn)?？啥演d混凝土塊（折合混凝土塊2m）。固體配重法雖避免了逆作法的缺點，但仍然有其自身不足，如后期壓重的撤離無法吊裝，也無法人工搬運；同時隨著上部結(jié)構(gòu)施工，固體配重無法較準確卸載等等。

其次考慮液體配重，為了更精確保持地鐵頂面荷載平衡，盡量準確逐步協(xié)調(diào)撤掉配重，提出液體配重的施工方案。

液體配重方案的思路與固體配重基本一致，仍為分段開挖，但開挖完成后，施工外墻及基礎(chǔ)底板時需預留埋件以焊接擋水鋼板。由擋水鋼板，基礎(chǔ)底板，以及地下室外墻形成液體池，用來注入液體進行配重。隨著上部結(jié)構(gòu)的施工，相應比例的排出液體，使之始終處于平衡狀態(tài)。待上部結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，液體配重全部撤除后，可拆除擋水鋼板，繼續(xù)進行后續(xù)施工。

圖3

圖4

采用液體配重方案的優(yōu)點在于加載和撤離方便；可精確控制卸載量。液體的卸載可配置管道釋放液體，并且通過釋放液體的體積來精確控制卸載量，從而更好的控制地鐵頂面壓力。

但此方案會使得混凝土長時間在水中浸泡，需在混凝土中添加外加劑來防止液體對混凝土的腐蝕。同時要時時監(jiān)測，防止液體滲漏對地鐵安全運行的影響及地基基礎(chǔ)的不均勻沉降。如果發(fā)生嚴重滲漏，會對地鐵的營運安全造成影響。

（3）錨拉桿+反壓式網(wǎng)架地梁

逆作法和配重法采用的是“防”的方法，即設(shè)法通過荷載平衡來防止地鐵頂面足以引起鐵地地基豎向位移變化超過限值的壓力變化。而錨拉桿+反壓式網(wǎng)架地梁是采用“抗”的方法，即當卸荷產(chǎn)生上浮力時，通過梁→錨桿→土體將上浮力傳至深層土，從而限制地鐵地基上浮。

本工程拉錨樁在基礎(chǔ)墊層以下設(shè)置，樁徑600mm，樁長27.0m，樁端位于地鐵隧道結(jié)構(gòu)底不小于10.0m；采用鋼筋混凝土灌注樁，需在基坑開挖前作業(yè)完成，剖面圖如圖3。樁頂設(shè)置反壓式網(wǎng)架地梁，梁標高位于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)墊層底以下；錨拉樁位于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點部位，如圖4。開挖方式為由北向南（由左至右）遞進式開挖。每條開挖寬度約20m左右，以保證開挖過程中地基回彈在允許限值內(nèi)，每段開挖至基底后進行網(wǎng)架地梁作業(yè)施工，地梁混凝土強度達到20MPa后可進行相鄰段開挖。

這種開挖方式很好的避免了之前逆作法及配重法的缺點，雖然工期并不占優(yōu)，施工要求精度高，但所有施工作業(yè)均在墊層以下完成，不影響主體結(jié)構(gòu)。而且開挖完畢后可不用保持荷載平衡，結(jié)構(gòu)主體正常施工，也沒有卸載的多余工作量及漏水等擔憂。目前此方法已通過專家論證，正在積極施工準備中。

4 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，上跨地鐵的建筑物會越來越多。如何在施工過程中保證地鐵安全運行，同時又不嚴重影響施工進度及建筑物的安全，將會成為每一位設(shè)計師及施工人員需要思考的問題。文中所提施工方案各有特點，在實際應用中應因地制宜，選擇合適的方案或聯(lián)合實用。