高層建筑深基坑工程順逆作法施工技術(shù)研究

徐福

南京市公共工程建設(shè)中心 江蘇 南京 210000

深基坑開挖支護是一項具有時代特征的傳統(tǒng)巖土工程學(xué)科，主要涉及基坑支護強度和穩(wěn)定性、土體和支護體的位移和變形問題，基坑內(nèi)外支護土體與結(jié)構(gòu)基坑內(nèi)外支護土體結(jié)構(gòu)的相互作用、基坑保護工程周圍的自然環(huán)境巖土保護，及其他基坑巖土保護工程中的問題。深基坑建設(shè)工程項目具有建設(shè)技術(shù)難度大、工程量大、不可持續(xù)預(yù)見風(fēng)險因素多等幾大特點，具有很強的工程實用性和技術(shù)可操作性。目前，深水井基坑開挖工程仍主要采用基于傳統(tǒng)土方的壓力計算理論，和工程經(jīng)驗分析比較法，尚未完全形成統(tǒng)一的工程理論體系和系統(tǒng)計算分析方法[1]。因此，根據(jù)不同的自然地質(zhì)環(huán)境條件和不同深基坑建筑工程的應(yīng)用特點，本文對此進行了深入的理論探索和深入研究，并充分運用現(xiàn)代科學(xué)的設(shè)計理論指導(dǎo)建筑設(shè)計和工程施工，以有效保證深基坑建筑工程的設(shè)計穩(wěn)定性、有效性和使用經(jīng)濟性。

1 逆作法概述

所謂逆作法，是指在建筑邊坡工程施工中由上而下分階開挖及支護的施工方法。首先，沿著建筑物地下室周圍的軸線建造密排樁或地下連續(xù)墻，以形成地下室的外圍保護系統(tǒng)。然后，在建筑物內(nèi)建造中間支撐柱或樁，形成垂直支承系統(tǒng)。然后，自上而下開挖，澆筑地下層梁板結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護到一定強度后，作為剛度大的水平支撐體系，然后逐步向下施工。同時，由于地下室的頂部結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成，且有足夠的工作面來建造上部結(jié)構(gòu)，因此，可以同時進行地上結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)的施工，有利于縮短工期，直至工程竣工。與傳統(tǒng)的施工工藝相比，深基坑逆作法施工技術(shù)具有以下特點：

(1) 采用深基坑自頂向下施工技術(shù)進行地下工程，可以大大縮短施工工期，使建筑物盡快出現(xiàn)在地面上，然后在澆注分層樓板后，將地下工程與地面工程同時進行。

(2) 深基坑逆作法施工通過地下連續(xù)墻的承重、支護、留樁作用，使地下室和地下連續(xù)墻的中間層形成穩(wěn)固的整體，簡化了深基坑支護的施工過程和主體工程的空間開挖，節(jié)省了大量的建設(shè)成本。

(3) 采用深基坑逆作法施工技術(shù)可以有效地避免基坑變形，減少對周圍建筑物的影響系數(shù)，避免周圍建筑物沉降。同時，地下室結(jié)構(gòu)的剛度遠高于傳統(tǒng)施工中使用的臨時支撐，從而緩解了地下連續(xù)墻的壓力。此外，地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)減少了傳統(tǒng)支撐柱的跨度，避免了底板的凸起，并有助于緩解地下管道和道路的沉降。

(4) 采用自上而下的施工工藝也可避免受風(fēng)雨影響，土方開挖不會占用太多工期。這是因為一層結(jié)構(gòu)面可作為后續(xù)施工作業(yè)的平臺，無需架設(shè)開挖作業(yè)面或內(nèi)部支護施工，大大降低了支護結(jié)構(gòu)和工作平臺的施工成本。但在施工和使用過程中容易受到多種因素的影響，進一步降低了施工技術(shù)應(yīng)用的效果值。因此，相關(guān)施工人員應(yīng)從實際出發(fā)，即在高層建筑地下室逆作法施工技術(shù)局限性明顯的情況下，找出最優(yōu)控制的方法和策略。

2 高層建筑基坑工程順逆作法施工的優(yōu)勢

為了能夠更好的保證基坑變形、土體位移、圍護結(jié)構(gòu)受力變形等一些相關(guān)的規(guī)范要求，充分運用水平梁板的支撐來取代臨時的支撐深基坑工程項目，在原來所設(shè)計的支護條件之下運用坑式開挖法針對相關(guān)的施工方案開展施工。由于高層建筑工程具有很大的特殊性，自頂向下法也是一項復(fù)雜的技術(shù)，但從施工效果來看，它顯示出許多優(yōu)點。

2.1 為縮短工期，增加場地面積

順逆作法可加快建筑地面的出現(xiàn)時間，縮短相應(yīng)的施工周期。在邊界層底板位置澆筑后，邊界層底板可作為施工場地，可向上或向下施工。對于具有多層地下室的高層建筑，如果采用傳統(tǒng)的施工方式，總施工周期為地下結(jié)構(gòu)施工周期加上地上結(jié)構(gòu)施工周期，加上裝修施工期等，但施工采用自上而下的施工方式。一般情況下，只有地下樓層占絕對工期，其他地下室可與地上結(jié)構(gòu)同時施工，不考慮絕對工期，縮短了本工程總工期。

2.2 臨時支護結(jié)構(gòu)與永久性結(jié)構(gòu)有效結(jié)合

地下連續(xù)墻在施工過程中可以起到擋土、承重的作用，整個地下室相應(yīng)的樓層和地下連續(xù)墻可以連接在一起，形成一個整體。同時，在深基坑支護與主體工程之間的施工空間中不需要土方開挖，減少了土體變形，提高了應(yīng)力?！澳孀鞣ā笔菍⒌叵率医Y(jié)構(gòu)逐層澆筑，作為周圍支撐結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的內(nèi)支撐。由于基底結(jié)構(gòu)的剛度遠遠大于臨時支撐物，因此隔膜壁在側(cè)向壓力下的變形較小。另外，由于中間支撐柱的存在，底板的支撐點增加，澆注后的底板成為多跨連續(xù)板結(jié)構(gòu)，與沒有中間支撐柱的情況相比，跨度減小，從而減少了底板的凸起。因此，“自上而下法”可以減少基坑的變形，減少鄰近建筑物、道路和地下管道的沉降，確保施工過程中的正常使用。

2.3 確保施工現(xiàn)場附近建筑物的安全

順逆作法中的每一層都能連續(xù)支撐地下連續(xù)墻，結(jié)構(gòu)的變形將變得非常小。深基坑主結(jié)構(gòu)施工過程中會漏水，因此，地下連續(xù)墻外的土體不會受到干擾，因此，地下室對土方開挖過程中鄰近建筑物的地基沉降沒有影響。鋼筋混凝土樓板應(yīng)滿足抗浮性施工的要求。采用傳統(tǒng)施工方法時，底板澆筑后浮力造成的支點少，跨度大，彎矩大。有時在施工中需要增加底板厚度或加固底板鋼筋，以滿足抗浮要求。但地下、地上結(jié)構(gòu)施工完成，上部載荷通過后，混凝土加厚滿足抗浮要求，在底板上作為自重載荷，使底板設(shè)計不合理。采用“自上而下”結(jié)構(gòu)，地板支點增大，跨度減小，更容易滿足抗浮要求，甚至減少了地板的加固，使地板的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。對于埋深較大的多層地下室，如果采用傳統(tǒng)的施工方法，需要設(shè)置堅固的內(nèi)支撐或外錨，以減少支撐結(jié)構(gòu)的變形，這不僅消耗了大量的鋼材，而且有相當(dāng)大的施工成本。

3 高層建筑基坑工程順逆作法施工方法與策略

隨著深基坑建筑工程管理實踐經(jīng)驗的不斷積累，深基坑建筑工程的項目設(shè)計管理原則和工程施工管理技術(shù)也日趨成熟。但在實際施工過程中，要根據(jù)不同的建筑工程項目，制定一套相應(yīng)的工程施工設(shè)計方案，不能盲目性地依賴傳統(tǒng)施工實踐經(jīng)驗，不能機械化地照搬傳統(tǒng)書本上的施工理論知識和運用計算機的方法。因此，我們必須對深入的基坑保護工程工作有一個系統(tǒng)的深入認識，并充分運用基礎(chǔ)理論技術(shù)知識和并結(jié)合資深工程師的實踐經(jīng)驗案例來正確處理每一個工作環(huán)節(jié)。為保證基坑變形、土體位移、支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形等，采用基坑支護方法，在原有設(shè)計支護條件下，采用水平梁板支護代替臨時支護，建立深基坑工程。基坑開挖方法施工方案的研究對類似的深基坑工程具有重要意義。

3.1 順作主樓后逆作裙樓的施工方案

超高層建筑一般可分為兩部分：主樓和裙樓。目前，超高層建筑采用主樓、裙樓的施工方法。如果按照常規(guī)的方法進行施工，施工難度大，工期長，對施工現(xiàn)場周圍的管線影響較大。但如果只采用逆作法施工，主樓主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量難以保證，因此，應(yīng)該運用科學(xué)、合理的方法和策略有效控制施工工期。

本文作者結(jié)合一個專業(yè)工程的實例，進行了一個有針對性的實際應(yīng)用案例分析。超高層建筑主體樓高490m，地面100層，裙房樓地面3層，地下結(jié)構(gòu)3層，最深部分為-20m，基坑總面積20000m2?；庸I(yè)礦區(qū)基地周圍環(huán)境復(fù)雜，對加強基坑礦區(qū)環(huán)境安全生產(chǎn)保護意識總體要求高，施工期要求嚴格，考慮到主樓是超高層建筑，最終確定將在主樓之后再進行裙樓施工。主體建筑結(jié)構(gòu)支護結(jié)構(gòu)采用直徑100m的圓柱形地下連續(xù)墻和環(huán)形擋土墻，按施工方法開挖，滿足設(shè)計標(biāo)高要求后進行主體建筑地下室部分施工。在保持連續(xù)墻的同時，采用分層拆除的方式進行施工。裙房逆作法施工時，以核心筒結(jié)構(gòu)作為其梁、板的支撐點，自上而下施工，完成地下結(jié)構(gòu)的施工。

3.2 逆作裙樓后順作主樓的施工方案

為了縮短裙樓的施工周期，一般需要在中心區(qū)域設(shè)置開挖效率高的開挖口。裙房部分區(qū)域可采用全逆作法施工。地下地上結(jié)構(gòu)工程施工后，地上地下結(jié)構(gòu)的高層商業(yè)樓和主體建筑可同時進行施工，縮短過程工期。對于采用自上而下法施工的群體建筑，可采用結(jié)構(gòu)梁板代替支撐結(jié)構(gòu)；該方法不僅提高了支護的剛度，而且有效地控制了基坑的變形，從而降低了施工成本。

結(jié)合工程實例進行了有針對性的應(yīng)用分析。超高層建筑群高度55m，主樓50層，高度245m。裙樓與主樓共設(shè)四層整體地下室。主樓和裙樓的開挖深度分別為21m和20m，基坑面積為160000m2。

由于本工程靠近地鐵，施工場地復(fù)雜，環(huán)境控制要求高?？紤]到前期工程實施工期短的要求，最終會議確定設(shè)計方案方式為先裙樓后二層主樓的總體施工設(shè)計方法。地下室主體外墻與地下主體連續(xù)墻之間連成兩個一體，形成地下主體圍護結(jié)構(gòu)，地面建筑主體圍護結(jié)構(gòu)在2016年裙樓工程施工時停止施工，縮短裙樓工程建設(shè)工期。地下室層完成后，通過主體建筑大面積開挖洞口進行施工，從而完成整個主體部分。

項目地處市中心，總建筑面積為43905m2，地上27層，建筑面積為29333.7m2，建筑高度為99.55m；地下4層，建筑面積為14571.8m2，深度為20.4m；裙樓：地上6層，高度為20.4m。屬于一類高層公共建筑，地上建筑耐火等級為一級，地下室耐火等級為一級，抗震設(shè)防烈度為七度。項目施工工藝為“逆作法+全鋼結(jié)構(gòu)”，基坑周邊普遍采用1000mm厚“兩墻合一”。

3.3 中心順作周邊逆作的施工方案

對于對環(huán)境保護要求較高的特大型基坑工程，可在周圍環(huán)境中設(shè)置高剛度的環(huán)形結(jié)構(gòu)梁和樓板，然后在基坑內(nèi)的被動土壓力區(qū)中保留足夠的土來承受土壓力。

以某大型超市為例，基坑工程占地面積50000m2，開挖深度13m。有五層地上空間和三層地下空間。在對基坑面積方面進行考慮的過程中，經(jīng)過相關(guān)的分析以及思考獲得之下的結(jié)論：如果僅僅使用順作法開展施工，需要比較多的臨時支撐，這樣就會導(dǎo)致成本相對比較高，所以，使用順作法開展施工并不是很合適。僅僅使用逆作法開展施工的時候，所挖開的土方量會相對比較大，這樣就會導(dǎo)致設(shè)置出相對比較大的樁柱，所以，這樣的方式并不可取。運用中心島開挖的方式不僅能夠有效的縮短施工的工期，降低施工成本，但是很難能夠?qū)ζ浼右宰冃慰刂疲瑹o法保證其安全性。綜上分析，這個項目可使用順作中心而逆作周邊的方式開展施工。這種施工方案可以降低邊坡高度，控制圍護結(jié)構(gòu)變形和環(huán)境穩(wěn)定性，是眾多方案中最合適的施工方案。

4 深基坑逆作法施工質(zhì)量控制措施

4.1 合理定位立柱樁

在“一柱多樁”或“一柱一樁”工程中，高工程樁鋼柱作為正式的地下室柱采用混凝土包裹。施工時，垂直度和軸線位置必須準確，誤差應(yīng)合理控制在規(guī)范標(biāo)準范圍內(nèi)。在豎向樁的設(shè)計中，結(jié)合其類型，采用專用定位儀適當(dāng)擴大鉆孔樁的孔，并通過對鋼筋籠進行垂直測量定位以此下放立柱，采用支架臨時固定后澆混凝土。

4.2 嚴格控制施工沉降差

深基坑逆作法施工會產(chǎn)生沉降差。在施工過程中，應(yīng)采取以下兩種措施控制沉降：① 在開挖過程中，可以計算建筑物的墻和柱的應(yīng)力，并結(jié)合基樁的施工地質(zhì)和荷載參數(shù)來估計沉降差。高層建筑自上而下施工的極限沉降差通常由設(shè)計商定，一般為20mm；② 在深基坑逆作法施工中，有必要對基坑開挖條件、地下水文、水平和豎向變形、柱樁和地下墻等施工參數(shù)進行綜合監(jiān)測。結(jié)合具體的測量結(jié)果，計算高層建筑深基坑土的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合沉降差的預(yù)警值，如局部加速開挖或減慢施工速度，對施工方案進行修正，高層建筑施工中的沉降差也可以通過局部加固或灌漿施工進行動態(tài)控制。

4.3 動態(tài)觀測控制坑內(nèi)水位

一些施工項目屬于軟地質(zhì)，在自上而下的深基坑施工之前，應(yīng)設(shè)置多個井點進行抽水。自頂向下施工采用深井點，避免與結(jié)構(gòu)梁相交，同時，有必要動態(tài)控制深井降水，定期觀測水位，使其保持在深基坑開挖面下方1.5m以下。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著中國主義市場經(jīng)濟的快速健康穩(wěn)定發(fā)展和新型工業(yè)城市化工程建設(shè)工作進程的不斷深入有效推進，大規(guī)模大型城市道路地下通道建設(shè)工程超大型深井開挖掘進和基坑基底開挖建設(shè)工程越來越普遍。然而，由于城市地下環(huán)境相對復(fù)雜，采用簡單施工法和逆作法施工難以滿足大型地下工程建設(shè)的需要。在開展一些施工難度相對比較大、要求比較高、環(huán)境比較復(fù)雜的工程過程中，應(yīng)該運用順逆作法相結(jié)合的方式。雖然經(jīng)過多年的研究發(fā)展，與大型基坑基礎(chǔ)工程建設(shè)相關(guān)的科學(xué)理論體系相對成熟，積累了一些新的建設(shè)實踐經(jīng)驗，但很難有效地將相關(guān)理論與建設(shè)實踐相互地結(jié)合合并應(yīng)用于基坑工程建設(shè)實踐。因此，運用順逆作法相結(jié)合的方式有效的改善了工程當(dāng)中存在的一些實際困境，促進工程更好的開展。