逆作法施工在厚砂土層深大基坑設計中的應用

張明明

（中南建筑設計院第四設計院，湖北 武漢 430071）

0 引言

近年來，老城區(qū)改造及城市環(huán)保揚塵治理要求嚴格，順作工期被拉長，甚至長達數(shù)月，而逆作法施工可有效避免敞口施工、降低噪聲污染等給工程帶來的不利因素；同時對市區(qū)建筑密度大、工程地質(zhì)水文條件復雜多變、周邊環(huán)境保護要求高的工程具有較高適應性[1]。

以采用逆作法施工設計的某深大基坑工程為例，經(jīng)方案比選后，以方便施工為目的進行優(yōu)化設計，以控制基坑變形和節(jié)省工期，進而說明逆作法在厚砂土層深基坑設計中的應用。

1 工程概況

某項目位于鄭州，為2層地下車庫。車庫頂板面以上為3m厚覆土，局部范圍設置非機動車停車庫及環(huán)衛(wèi)管理用房。地下車庫長255.5m，寬80m，不設縫，為一個整體。主體相鄰右上方平行段紅線約4m處為在建地鐵線路，左側(cè)及下部均相接城市主干道路，設計主體范圍緊挨道路紅線（見圖1）。

圖1 場地基坑平面

2 地質(zhì)條件

本工程場區(qū)地形基本平坦，地貌單元屬于黃河沖洪積平原。場地自上而下各主要土層為：①素填土；②粉土；③粉質(zhì)黏土；④粉土；⑤粉質(zhì)黏土；⑥細砂；⑦粉土；⑧粉質(zhì)黏土；⑨細砂；⑩粉質(zhì)黏土；?粉土；?粉質(zhì)黏土；?粉土；?粉質(zhì)黏土；?姜石；?粉質(zhì)黏土；?姜石；?細砂；?姜石；?粉質(zhì)黏土。每層厚度4～10m不等，場地土層分布均勻。其中?粉質(zhì)黏土土層頂部標高約 -60.000m，fak=260kPa，qsik=86kPa，qpk=1 700kPa，Es1-2＝10.5MPa，a1-2=0.17。

地下水位約在自然地面下10.0m左右。據(jù)調(diào)查5年內(nèi)最高水位埋深5.0m，歷史最高水位埋深0.5m，抗浮水位按地勘建議取相對標高-1.000m。

3 設計方案比選

順作法施工作為常用施工方式比較成熟，施工質(zhì)量可得到有效保障，但因主體外圍預留基坑支護空間，需壓縮紅線范圍內(nèi)可使用建筑空間。相比較，采用逆作法施工技術進行多層地下空間設計時，利用先施工完成的地下連續(xù)墻作為深基坑施工時的擋土、止水和防滲的圍護體，保證施工期間土壁的穩(wěn)定和基坑干燥，結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐，一柱一樁作為施工期間支撐上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載的豎向支撐系統(tǒng)。待逆作施工完成后，鋼立柱外包鋼筋混凝土，進而形成主體結(jié)構(gòu)柱。

1）高層建筑采用逆作法施工，地下結(jié)構(gòu)可與地上結(jié)構(gòu)同時施工，因此可明顯縮短施工工期。對于純地下空間結(jié)構(gòu)因取土運輸困難，需合理安排工序，以節(jié)省工期。

2）逆作法作為最有效的基坑環(huán)境變形控制工藝，可確保基坑安全，保護距基坑過近的建筑物和重要道路。根據(jù)地勘報告，該場地側(cè)壁土體的直立極限高度為4.92m，若采用常規(guī)支撐型支護體系，土體垂直變形可達50mm以上，而根據(jù)以往工程實例，逆作法施工采用地下連續(xù)墻兼作外墻可將變形控制在30mm以內(nèi)，主體和側(cè)墻之間的沉降差可控制在20mm以內(nèi)，由此可減少深基坑施工對鄰近建筑與地下設施的影響。

3）用樓蓋代替水平支撐解決基坑圍護水平支撐的問題，減少臨時支撐的設置和拆除，體現(xiàn)綠色施工要求。必要時，頂板兼作材料加工場地，減少施工用地。

4）用地下室外墻代替支護墻，地下室樓蓋與支撐合二為一。但施工難度大，取土運輸困難，梁柱節(jié)點復雜，施工費用會增加。土方開挖實現(xiàn)全機械施工，可保證土方開挖效率，從而保障施工進度。

5）施工時減小對周邊辦公和居民生活的影響，社會效益顯著。

綜上分析，因工程自身場地局限、與地鐵施工搶進度、減少施工噪聲與揚塵污染等環(huán)保因素，權衡利弊，最終本地下工程決定采用逆作法施工設計。

4 逆作施工設計節(jié)點控制

逆作法工藝原理是先施工地下結(jié)構(gòu)的地面部分，然后從上至下逐層開挖土方、施工直至到地下室底板為止。在軟土尤其厚砂土層中，導墻施工成槽、大體積混凝土澆筑、地下連續(xù)墻接頭施工及內(nèi)側(cè)附著防水墻鋼筋預埋、地下連續(xù)墻與樓板連接處設置邊環(huán)梁、與框梁及底板連接用接駁器、上下外圍防水鋼板預埋等，均為設計重點。

4.1 采用“一柱一樁”作為豎向支撐系統(tǒng)

立柱采用φ550mm×16mm和φ700mm×18mm鋼管、4根Q345B∟200×24格構(gòu)柱，截面550mm×550mm，基樁φ1 100，φ1 300，φ1 500mm作為施工期間立柱樁，底板封閉后作為承臺下抗壓兼抗拔樁，樁端持力層為?粉質(zhì)黏土，且樁端全斷面應進入完整的持力層≥3.0m，有效樁長不小于49.0m，而基樁φ900mm作為主體結(jié)構(gòu)柱下3～5號樁承臺和底板封閉后普通抗壓兼抗拔樁。

4.2 節(jié)點區(qū)域處理較為復雜，施工精度要求高

1）根據(jù)項目特點，為方便施工，頂層鋼立柱頂部達到梁柱節(jié)點箍筋下部，框梁縱向鋼筋連續(xù)，其中大跨區(qū)域的大梁與節(jié)點區(qū)采用柱帽過渡；中間層逆作節(jié)點為控制層高，通過經(jīng)濟性比較，采用寬扁梁方案，有利于梁內(nèi)邊側(cè)縱向鋼筋貫穿節(jié)點區(qū)；同時因鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點施工方便，傳力直接，建筑成型美觀，故在中間層節(jié)點區(qū)采用鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點[2]，并給出施工建議：①先內(nèi)后外；②先下后上；③搭底模、內(nèi)環(huán)抗剪筋焊接封閉、開口箍+底部縱向鋼筋定位、交接處結(jié)構(gòu)主梁縱向鋼筋錨入、環(huán)梁上部縱向鋼筋定位、開口箍搭接或焊接封閉（見圖2）。

圖2 梁柱節(jié)點鋼筋綁扎

2）因地下車庫需停放大型環(huán)衛(wèi)車輛，建筑設計安排坡道沿上下外圍長邊方向布置，逆作階段最大限度利用坡道和局部頂板充當側(cè)向支撐，車道內(nèi)側(cè)采用格構(gòu)柱豎向傳力，不僅便于梁、墻鋼筋錨固，還保證外包混凝土不影響車道凈寬。

3）在頂板衛(wèi)生間區(qū)域，由于管線較為集中，為便于設備走管，采用深梁方案。

4）逆作施工存在大量的預埋接駁器和插筋，需保證定位精確[3]。地下消防水池與斜向地下連續(xù)墻交接處，板面和梁面預埋鋼筋或直螺紋接頭（接駁器大樣）均與梁平行，便于后期施工。

5）為保證立柱垂直度及精度要求，需引入高工效、高質(zhì)量的成孔設備；同時考慮本場地-40.000m以上均為砂層，為控制泥漿含砂率，改善泥漿性能及控制立柱樁樁底沉渣，選擇鈉基膨潤土進行人工造漿。

6）鋼立柱吊放過程中，建議采用立柱調(diào)節(jié)架，以保證鋼立柱不因混凝土澆筑而發(fā)生偏移。

4.3 逆作設計過程中需施工單位配合做施工流線方案

出土口布置盡量滿足快速運輸土方要求，同時不影響該階段地下連續(xù)墻水平力傳輸，避免出口處四角產(chǎn)生較大集中應力。如果洞口開在大跨區(qū)域，必要時局部設置臨時格構(gòu)柱和增強洞口周邊小梁。

4.4 鋼管柱與旋挖灌注樁連接時要保證插入深度

混凝土澆搗時保證鋼管內(nèi)外不同強度混凝土施工界面，確保施工質(zhì)量。如在鋼管柱內(nèi)澆筑C50高強高性能混凝土時（水下部分微膨脹混凝土），采用導管法施工、高頻振搗密實；在鋼管外側(cè)，隨著鋼管內(nèi)混凝土澆筑，按設計要求采用低強度等級混凝土或碎石填入孔壁和鋼管外壁之間空隙并達一定高度，以維持鋼管內(nèi)外壓力平衡，防止管外混凝土上升和鋼管上浮，有利于減小鋼管構(gòu)件長細比，控制截面大小，并增強其穩(wěn)定性。待底板施工階段，鑿出多余低強度等級混凝土。

4.5 滲漏處理

在軟土場地，地下連續(xù)墻與基礎樁基間會存在不均勻沉降，造成基坑周邊頂板和底板迎土面或地下連續(xù)墻槽段間出現(xiàn)滲漏情況。本次設計考慮深厚砂土下施工掘進過深及地下水位較高，故在設計過程中附加1層防水混凝土墻，目的是控制地下連續(xù)墻施工過程中錯縫及維持成品良好外觀。經(jīng)過實際工程對比，內(nèi)側(cè)預留的排水溝比較干爽，效果良好。

4.6 土方開挖作業(yè)環(huán)境

利用鼓風機、送風管等設備，通過結(jié)構(gòu)豎井，提高通排風效果，滿足逆作階段人、機作業(yè)環(huán)境要求。

4.7 信息化施工監(jiān)測

主要包括地下連續(xù)墻墻體變形和鋼筋應力、墻頂水平位移、地下連續(xù)墻后水土壓力、周邊管線相鄰建筑沉降位移裂縫及其他地面監(jiān)測控制點沉降、逆作階段梁板受力和變形監(jiān)測等，以滿足相關規(guī)范和結(jié)構(gòu)圖紙要求。

5 結(jié)語

以實際工程為例，結(jié)合場地厚砂土層地質(zhì)條件、抗浮水位高、與地鐵施工搶進度等現(xiàn)狀，經(jīng)方案比選，決定采用逆作法施工設計方案，最大限度利用城市規(guī)劃紅線內(nèi)空間，擴大建筑凈使用面積，同時縮短工期和維護基坑周邊環(huán)境，從而為業(yè)主創(chuàng)造最大經(jīng)濟效益，也為類似工程設計與施工提供參考。