某超高層全逆作施工地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

朱祖敬，趙松林，程 煒，呂 鵬

（廣州市設(shè)計院 廣州510620）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，高層建筑多而密集，相應(yīng)的施工場地變得越發(fā)狹小，需盡早封閉地下室頂板以提供更多的施工堆場；較多項目地下室頂板需盡早封閉以恢復(fù)地面的使用及街道景觀。為解決該類問題，逆作法應(yīng)運而生。逆作法通常分作兩類：全逆作法和半逆作法。二者的區(qū)別在于地上部分是否和地下部分同時施工。全逆作法的優(yōu)點明顯：

⑴ 地下室頂板能盡早封閉使用；

⑵ 能降低天氣對地下室施工的影響；

⑶ 地上、地下同時施工，能較大的縮短總工期，使項目盡早投產(chǎn)；

⑷ 能減少基坑變形，減小施工對相鄰建筑物的影響；

⑸ 能減少臨時支撐，使材料充分利用［1］。

逆作法要求設(shè)計與施工需緊密配合。本文結(jié)合某超高層全逆作施工地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹從選型到施工圖設(shè)計中的要點、難點，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某項目位于廣州市中心兩主干道交叉處，場地周邊為高檔住宅及商業(yè)寫字樓，市政景觀及環(huán)境要求高；建筑紅線范圍與建筑邊線接近，且紅線范圍內(nèi)存在市政河道，可用的施工場地?。粯I(yè)主要求該項目盡早完工并作為一新地標(biāo)投入使用。綜合評估后擬采用地下室全逆作施工，不僅縮短工期，同時降低對周邊寫字樓及住宅的影響。

項目地上包括南北2棟塔樓，主體結(jié)構(gòu)高度分別為150 m（34層）和120.6 m（26層）。地上功能包括辦公、商業(yè)、餐飲、銀行等；地下3層，功能為汽車庫、非機(jī)動車庫、設(shè)備房及人防空間。

2棟塔樓的結(jié)構(gòu)體系均采用鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)（為減小柱截面，底部樓層柱采用鋼管混凝土柱），地下室為框架結(jié)構(gòu)。地下室樓蓋型式如下：首層為梁板結(jié)構(gòu)（室外覆土區(qū)域采用加腋大板），地下1層及地下2層均為無梁樓蓋型式，底板為按自承重設(shè)計的筏板。因場地東側(cè)用地范圍內(nèi)分布有市政排洪渠，導(dǎo)致兩塔樓東側(cè)一跨無法落地，結(jié)構(gòu)上采用了斜柱轉(zhuǎn)換外加鋼吊柱的結(jié)構(gòu)體系。

本項目為超限高層建筑［2］，主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下室采用逆作法時設(shè)計難度更大，因此需要合理方案選型、精細(xì)化設(shè)計方能保證項目安全、快捷施工。本工程的總平面圖、效果圖及剖面圖如圖1、圖2所示。

2 工程地質(zhì)條件

本項目地處珠江三角洲北部，為山前沖積平原地貌。地勢平坦，場地東側(cè)有一地下分洪渠，寬約20 m，水深約2 m。場地巖土層自上而下劃分為：人工堆積層、沖積層、殘積層與泥質(zhì)粉砂巖，底板底為強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。擬建場地在勘察深度范圍內(nèi)亦未見其它影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，場地穩(wěn)定，宜于建筑。

圖1 總平面圖及效果圖Fig.1 General Layout and Renderings

圖2 建筑剖面圖Fig.2 Building Section

勘察期間地下水主要賦存在上部填土層及中砂層中的孔隙水，總體地下水含量一般。補(bǔ)給途徑主要為大氣降水及附近河涌的側(cè)向補(bǔ)給。場地地下水水位隨雨季的變化而變化，幅度在1.0～2.0 m之間。

3 逆作結(jié)構(gòu)選型與分析

地下室逆作法結(jié)構(gòu)方案選型包含以下內(nèi)容：基坑支護(hù)方案、地下室支撐柱選型、剪力墻支撐柱選型、基礎(chǔ)選型、出土方案等，以下分別介紹。

3.1 基坑支護(hù)方案

經(jīng)過方案比選，基坑支護(hù)采用了“兩墻（基坑支護(hù)地下連續(xù)墻與永久地下室外墻）合一”的結(jié)構(gòu)型式［3］，考慮到側(cè)壁防水及后期施工的樓面結(jié)構(gòu)與之連接的可靠性、便利性因素，連續(xù)墻內(nèi)側(cè)設(shè)置了導(dǎo)流溝及砌體內(nèi)襯墻。逆作法采用“兩墻合一”有以下優(yōu)點：

⑴ 基坑支護(hù)地下連續(xù)墻與地下室結(jié)構(gòu)外墻合并，能減少結(jié)構(gòu)墻占用空間、擴(kuò)大地下室使用面積；

⑵ 地下室梁板作為支護(hù)墻的水平支承構(gòu)件，能節(jié)省臨時支撐造價，且能更好的控制基坑變形。

典型樓面與地連墻連接大樣如圖3所示，地下連續(xù)墻典型厚度為1.0 m，墻柱帽典型高度600 mm。基坑支護(hù)設(shè)計時需與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密配合。

圖3 典型樓面與地連墻連接大樣Fig.3 Connection Detail of Typical Floor and Diaphragm Wall

3.2 地下室支撐柱選型

本項目塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，無上部結(jié)構(gòu)的地下室采用框架結(jié)構(gòu)。綜合造價、施工速度、施工難易程度等因素，地下室柱采用了永久鋼管混凝土柱，有以下優(yōu)點：⑴鋼管混凝土柱豎向承載力高，能減少材料用量；⑵地下室柱一次成型，后期無需再進(jìn)行柱二次施工，減少了施工工序，利于提高施工速度。

鋼管柱典型柱徑為：塔樓柱900 mm、1 000 mm；地下室柱600 mm、700 mm；內(nèi)灌C60混凝土。

3.3 剪力墻支撐柱選型

兩塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒剪力墻在地下室逆作期間需要采用支撐柱托換，支撐柱的的選型對上部結(jié)構(gòu)受力影響較大，且對上部樓層施工層數(shù)影響較大。本項目支撐柱采用了小直徑鋼管混凝土柱［4］（單柱單樁布置，局部剪力墻為雙柱單樁布置），主要從以下幾方面考慮：

⑴ 逆作期間因塔樓需同步往上施工，核心筒剪力墻施工期間軸力較大，布置臨時角鋼支撐柱無法滿足承載力要求，因此，適宜選用承載力更高的鋼管混凝土柱。

⑵ 地下室核心筒剪力墻典型厚度為600 mm、800 mm，選用小直徑的鋼管混凝土柱能隱藏在墻內(nèi)而不影響建筑使用。

⑶ 因塔樓上部為斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，斜柱產(chǎn)生的較大拉力傳遞至核心筒剪力墻，墻內(nèi)需設(shè)置型鋼骨架來承擔(dān)該拉力及提高墻體延性，因此可利用地下室的部分支撐柱直伸至斜柱轉(zhuǎn)換層。

由于墻厚因素導(dǎo)致鋼管柱柱徑選擇有很大限制，柱數(shù)量增多后對樁的布置又帶來困難。設(shè)計時結(jié)合剪力墻的布置，采用了“一柱一樁”及“兩柱一樁”的混合布置方式，順利的解決了鋼管柱及樁布置的矛盾。

剪力墻支撐柱典型柱徑為：650 mm、450 mm（局部為雙柱布置，雙柱間凈距50 mm）；內(nèi)灌C60混凝土。核心筒墻內(nèi)支撐柱布置如圖4所示。

3.4 基礎(chǔ)選型

本工程底板底基本為強(qiáng)、中風(fēng)化巖，地基承載力能滿足底板豎向荷載要求，因此，底板為自承重設(shè)計，底板厚750 mm。

圖4 核心筒剪力墻支撐柱布置Fig.4 Layout of Shear Wall Support Column of Core Tube

因逆作要求，支撐柱需與基礎(chǔ)同時施工，結(jié)合地質(zhì)情況柱基采用旋挖灌注樁基礎(chǔ)，單柱單樁布置（核心筒內(nèi)局部雙柱單樁布置）；地下室抗拔采用抗拔樁設(shè)計。柱需預(yù)先錨入樁內(nèi)，為留足施工操作空間，經(jīng)與施工方協(xié)調(diào)，樁徑為1 600～2 500 mm。

鋼管混凝土柱與樁連接及柱腳［5，6］大樣如圖 5、圖6所示。鋼管柱埋入灌注樁深度取3.0D（D為鋼管柱管徑）。鋼管柱內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級高于灌注樁，施工時需確保不同等級混凝土的準(zhǔn)確澆筑，這是施工的一大難點。此外，鋼管柱施工完成后，需對管外空隙進(jìn)行回填密實，以提高土層對鋼管柱的側(cè)限作用，減小柱逆作期間的計算長度。

圖5 鋼管混凝土柱與灌注樁連接大樣Fig.5 Detailed of Connection between Concrete Filled Steel Tube Column and Cast-in-place Pile

圖6 鋼管混凝土柱柱腳大樣Fig.6 Detailed of Concrete Filled Steel Tube Column Base

3.5 出土方案

地下室出土方式應(yīng)結(jié)合場地出土條件、出土口對主體結(jié)構(gòu)的影響、出土效率等綜合選擇，一般有坡道出土、洞口垂直出土等方式。本工程采用了洞口垂直出土的方式，地下室頂板施工要求如圖7所示。

圖7 頂板施工平面布置Fig.7 Layout Plan of Roof Construction

地下室頂板先行施工，在2棟塔樓間的地下室處布置出土口，能減少地下室土方開挖、出土等對主體結(jié)構(gòu)施工的影響；利用已施工的地下室頂板，在行車區(qū)周邊布置材料堆場，能充分利用狹小的施工場地，滿足施工要求。

4 逆作結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

4.1 項目逆作工序

本工程首先正向施工地下室頂板（即首層），然后地下開挖、地上施工同步進(jìn)行。地下室逆作工序如圖8所示。地下室底板及地下剪力墻逆作施工完成前，2塔樓施工情況如下：

⑴ 北塔：結(jié)構(gòu)封頂；室內(nèi)隔墻施工至24層、幕墻施工至26層；2～26層樓面無建筑面層及使用荷載；27層以上樓面施工荷載不得超過2.0 kPa。

⑵ 南塔：結(jié)構(gòu)及幕墻封頂；室內(nèi)隔墻施工至20層；2～20層樓面無建筑面層及使用荷載；21層以上樓面施工荷載不得超過2.0 kPa。

地下室各層樓板作為地連墻的水平支撐，當(dāng)本層樓面（包括膨脹加強(qiáng)帶）封閉并達(dá)到80%強(qiáng)度后方可向下開挖，嚴(yán)禁搶挖、超挖。

圖8 地下室逆作工序Fig.8 Basement Reverse Operation

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

項目主體結(jié)構(gòu)需滿足正常使用及逆作施工兩階段的受力要求，因此，需采用兩階段包絡(luò)設(shè)計方法進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計：

第一階段：按常規(guī)工況對正常使用下的地下室梁、板、柱、墻等構(gòu)件進(jìn)行承載力及變形分析、設(shè)計。

第二階段：按逆作施工工況復(fù)核第一階段的主體構(gòu)件設(shè)計（分多個工況模型逐一復(fù)核），對不滿足要求的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。包括以下內(nèi)容：

⑴ 首層及其余地下各層樓面需滿足施工堆載、車輛荷載、其他施工荷載的承載力要求。

⑵ 首層及地下各層樓面作為地下連續(xù)墻的水平支撐，承擔(dān)地下連續(xù)墻傳來的土壓力，特別是逆作期間由于部分樓層后做的因素導(dǎo)致承擔(dān)的土壓力較正常使用時大，因此需復(fù)核各層樓面在不同施工工況時的受壓承載力。特別需對樓面預(yù)留的出土口、設(shè)備吊裝口等臨時洞口周邊樓面及對各墻、柱的受力影響進(jìn)行詳細(xì)計算及加強(qiáng)處理。

⑶ 逆作期間由于地下室各層樓面后作，導(dǎo)致墻、柱計算長度增大，需進(jìn)行復(fù)核驗算；逆作時地下室柱均需采用鋼管混凝土柱，需處理好鋼管柱梁節(jié)點。

⑷ 逆作期間地下部分核心筒剪力墻均需要采用支撐柱承托，需考慮支撐柱對上部永久結(jié)構(gòu)的影響。

4.3 地下室樓面結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下室各層樓面（包括首層）結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)核內(nèi)容包括各樓面施工荷載、各施工洞口施工期間的樓面承載力復(fù)核、作為支護(hù)結(jié)構(gòu)水平撐的平面應(yīng)力復(fù)核及樓面結(jié)構(gòu)及鋼管混凝土柱節(jié)點設(shè)計。

本工程地下室平面約73 m×130 m，為超長地下室。由于逆作期間樓面需作為基坑支護(hù)的水平支撐，樓面需盡早成型。因此，地下室樓面采用了膨脹加強(qiáng)帶來改善超長結(jié)構(gòu)施工期間的溫度應(yīng)力，并通過適當(dāng)加強(qiáng)樓板內(nèi)通長鋼筋配置來改善使用階段的應(yīng)力。通過采取上述措施，樓面結(jié)構(gòu)能盡早形成完整的樓面以支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而加快向下施工的速度。

4.4 地下室梁柱節(jié)點設(shè)計

本項目地下室梁柱節(jié)點存在4種連接情況：鋼管混凝土柱-混凝土梁；鋼管混凝土柱-型鋼梁；鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁及鋼管混凝土柱-無梁樓蓋柱帽連接節(jié)點。針對各節(jié)點特點，按規(guī)范［3］采用了鋼筋混凝土環(huán)梁、鋼環(huán)梁、鋼筋混凝土環(huán)梁+鋼牛腿的型式。典型鋼管混凝土柱與柱帽連接節(jié)點大樣［7，8］如圖9所示。

4.5 施工要求

采用鋼管混凝土柱作為逆作期間的支撐柱及永久的地下室柱，柱的垂直度、水平定位控制是逆作法施工的關(guān)鍵。按規(guī)范［9，10］要求，對鋼管柱的垂直度偏差須在1/1 000之內(nèi)，軸線偏差＜5 mm，標(biāo)高偏差＜10 mm，頂面平整度＜5 mm。本工程鋼管柱施工定位采用鋼定位支撐架，并采用頂、底各設(shè)置4個千斤頂調(diào)垂的方式，并在樁、柱澆筑混凝土過程中多次復(fù)核、確認(rèn)定位及垂直度。調(diào)垂施工現(xiàn)場如圖10、圖11所示。本工程地下室柱已施工完成，現(xiàn)場反饋柱定位及垂直度控制情況較好。

5 結(jié)語

圖10 定位支撐架現(xiàn)場Fig.10 Site of Positioning Support

本文介紹了地下室全逆作法在實際工程中的應(yīng)用，對逆作相關(guān)的結(jié)構(gòu)選型、逆作結(jié)構(gòu)分析、梁柱節(jié)點設(shè)計等多方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。全逆作法的支護(hù)結(jié)構(gòu)、豎向支撐系統(tǒng)、梁柱連接節(jié)點等設(shè)計雖較復(fù)雜，但在工期方面有明顯優(yōu)勢，同時能減少基坑變形等，適合城市密集區(qū)域的建筑施工。逆作法對設(shè)計人員和施工技術(shù)水平要求較高，需要結(jié)合施工工序及方案進(jìn)行精細(xì)設(shè)計，方能做到逆作結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)性。本文對逆作法設(shè)計的系統(tǒng)介紹，可供類似項目的設(shè)計提供參考。

圖11 現(xiàn)場復(fù)核垂直度Fig.11 Site Review Verticality