全逆作法建造技術(shù)在城市核心區(qū)復雜環(huán)境條件下的應用

楊雪軍 YANG Xue-jun

（上海久事北外灘建設發(fā)展有限公司，上海 200080）

0 引言

某工程項目地處上海市城市核心區(qū)域，毗鄰黃浦江和外灘風貌保護區(qū)（全國重點文物保護單位），受多方面客觀條件限制，環(huán)境條件異常復雜。通過反復比選和綜合評估，采用了全逆作法建造方案。通過全逆作法方案的實施，在工程自身安全、周邊環(huán)境安全和工期控制等方面取得了良好的綜合效益。

1 項目背景

為服務國家重大會議活動，向世界展示城市形象，并配合城市更新與濱江貫通工程，充分挖掘歷史建筑的深厚文化積淀和“一江兩岸”的絕佳景觀優(yōu)勢，相關部門決定在該區(qū)域打造國際級重大會議中心。因項目土地權(quán)屬復雜，場地移交延遲、交付節(jié)點限定等因素影響，實際施工周期僅有23 個月，常規(guī)方案已無法滿足工期要求。綜合周邊環(huán)境保護要求、工期要求、場地條件和技術(shù)可行性等方面實際情況，經(jīng)過對順作法、半逆作法、全逆作法進行了綜合比選，采用了全逆作法建造方案。

2 項目概況

項目基地紅線圍合面積19562 平方米，基坑面積約1.4 萬平方米，總建筑面積9.9 萬平方米，地上5.7 萬平方米，地下4.2 萬平方米。地上4 層（部分區(qū)域設置夾層），地下3 層（部分區(qū)域地下2 層），建筑屋脊高度44.8 米。基坑開挖面深度為地下2 層區(qū)域12 至12.6 米，地下3 層大面積普挖深度為14.9 至16 米。

3 環(huán)境條件

工程東側(cè)和南側(cè)1h 開挖深度范圍為在建新建防汛墻，防汛墻底板距基坑最近處約1.5 米。西側(cè)1h 開挖深度范圍內(nèi)為兩棟優(yōu)秀歷史保護建筑紅樓和灰樓。其中，紅樓為磚木結(jié)構(gòu)，距基坑直線距離約7.6 米；灰樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，距基坑直線距離約8 米。北側(cè)1h 開挖深度范圍內(nèi)有眾多城市管網(wǎng)，東北角有一棟8 層辦公樓和一棟6 層宿舍樓，最小距離僅1.6 米（見圖1）。根據(jù)上海地方標準《基坑工程技術(shù)標準》、市住建委文件《上海市基坑工程管理辦法》（滬住建規(guī)范[2019]4 號）的規(guī)定，基坑安全等級屬于一級基坑，環(huán)境等級也按照一級考慮。

圖1 周邊環(huán)境關系示意圖

4 工程地質(zhì)、水文條件

場地屬于濱海沖積平原特征，地勢較為平坦，高程介于2.70～4.03 米之間。

勘察揭示地表至95.0 米深度區(qū)間內(nèi)主要由軟黏土、粉土和砂土組成，成層連續(xù)分布。地基土受古河道切割影響，缺失⑥號土層，切割槽內(nèi)沉積⑤3 層黏性土（局部分布⑤4 層次生硬土），可分為7 層，其中①、⑤、⑧及⑨層又可分若干亞層。

場地內(nèi)的潛水與江水潮位有明顯的水力聯(lián)系，第⑦層和第⑨層為承壓水層，水頭埋深3.0～12.0 米。其中⑦層層頂最淺標高為-42.06 米。按3.0 米水頭標高計算，開挖至16 米時，第⑦、⑨層承壓含水層不會對基坑開挖面的穩(wěn)定產(chǎn)生破壞。

5 總體技術(shù)路線

基坑施工基本方案分為順作和逆作兩種。所謂順作法，是指先施工圍護結(jié)構(gòu)，隨后從上向下分層開挖，按順序設置水平向支撐，開挖到基底后，再從下至上施作本體結(jié)構(gòu)。不同于順作法，逆作法每開挖一層土方后，即安裝模板并澆筑正式結(jié)構(gòu)，用來替代常規(guī)順作法施工的支撐系統(tǒng)，來平衡圍護承受的橫向水、土壓力。當開挖完成時，地下結(jié)構(gòu)同步完成。逆作下部結(jié)構(gòu)的同時，進行上部主體施工的，稱作全逆作法。僅逆作地下結(jié)構(gòu)，上部主體工程待地面以下結(jié)構(gòu)基本完成后再開始施工的方法，稱為半逆作法。

本工程基坑平面范圍較大、周邊環(huán)境影響因素和條件極為復雜、可用場地局促，且需在較短的時間內(nèi)整體投入使用，主體采用全逆作法方案。技術(shù)路線如下：將圍護、支撐結(jié)構(gòu)與正式結(jié)構(gòu)進行融合設計，圍護結(jié)構(gòu)兼做地下室外墻，利用工程樁內(nèi)插鋼管形成“一柱一樁”作為永臨結(jié)合豎向立柱，利用地下水平梁板結(jié)構(gòu)作為支撐，首先完成地下室頂板，可兼作施工場地和材料的臨時堆場，實現(xiàn)地下、地上建筑同步施工。

全逆作法方案的優(yōu)勢主要表現(xiàn)有：利用地下空間的橫向結(jié)構(gòu)作支撐，可顯著控制圍護水平方向變形，對周圍復雜的環(huán)境可起到有效的保護。利用地下室首層樓板，作為材料、設備的堆放場地，并能為上部施工提供操作空間。利用“一柱一樁”與結(jié)構(gòu)下插柱連接，實現(xiàn)地下、地上同步施工。

由于基坑西端頭距離歷保建筑僅7.6 米，東端頭局部為地下2 層，與主體挖深不同，在此兩處進行局部分區(qū)，采用順作法結(jié)合軸力伺服系統(tǒng)，錯時開挖，對周邊環(huán)境保護更為有利。

將基坑西側(cè)劃分出寬約16 米的窄條1 號基坑，1 號坑采用順作法，1 號基坑完成后再實施2 號基坑，2 號基坑逆作完成底板后，實施順作3 號基坑。為保護歷保建筑，在坑外設置一排隔離樁（MJS 套打Φ800@1100 灌注樁）。1 號基坑支護體系：1 米厚地下連續(xù)墻（結(jié)合槽壁加固）+4道水平支撐（1 砼+3 軸力補償鋼支撐）；2 號基坑支護體系：1 米/1.2 米厚地下連續(xù)墻（結(jié)合槽壁加固）+3 層梁板作水平支撐；3 號基坑支護體系：直徑1 米咬合樁（結(jié)合止水帷幕）+3 道水平支撐（砼支撐）。

6 主要技術(shù)方案

6.1 基坑圍護

主體圍護墻采用地下連續(xù)墻，圍護及永久內(nèi)襯墻兩墻合一，厚度為1 米（南側(cè)局部厚度為1.2 米）,連續(xù)墻兩側(cè)設置槽壁加固。施工順序為先施工鄰近紅樓灰樓的隔離樁，然后施工1 號基坑圍護，順作進行基坑開挖，待1 號基坑出地面后再逆作開挖2 號基坑，2 號基坑完成底板后，順作實施3 號基坑。

地下連續(xù)墻插入基底以下21 米，混凝土采用水下配置，強度為C35，采用工字型剛性接頭，在槽段分縫外側(cè)設置MJS 旋噴樁以提高抗?jié)B能力。墻身內(nèi)預設注漿管，達到規(guī)定強度并確保劈通后進行墻趾注漿。地下連續(xù)墻頂部設貫通的壓頂冠梁，壓頂圈梁與主體結(jié)構(gòu)整體澆筑或設置預留鋼筋，墻身預埋插筋（直螺紋連接器）和剪力凹槽與各層邊梁、內(nèi)襯墻進行有效連接。

6.2 水平支撐系統(tǒng)

1 號基坑采用順作法，采用一道砼支撐+三道軸力補償鋼支撐。鋼支撐采用直徑609、壁厚16 鋼管，第二、三、四道支撐軸力分別為1200kN、1200kN、1500kN，分兩階段施加，采用軸力自動補償系統(tǒng)控制基坑變形。

2 號基坑采用全逆作法，逆作區(qū)域利用結(jié)構(gòu)梁板代替水平支撐體系承受水平力，各層結(jié)構(gòu)梁板預留多個出土口作為出土和小型機械吊裝通道，對施工荷載和土方運輸路線進行結(jié)構(gòu)驗算，對結(jié)構(gòu)進行加強處理，對永久開口、樓梯間位置采用臨時封板或設置支撐等方式處理（見圖2）。

圖2 B0 層梁板與出土口平面布置圖

根據(jù)一柱一樁承載力計算結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)對下承載力要求較高的立柱采用鋼管內(nèi)填混凝土立柱，為保證主框架梁鋼筋的連接和貫通，連接方法采用環(huán)梁節(jié)點或者寬梁節(jié)點。

局部荷載不大的位置以及托梁位置采用角鋼格構(gòu)柱，采用寬扁梁便于梁鋼筋的通過，也可采用局部加腋的方式確?？蚣芰旱恼w受力性能。

結(jié)構(gòu)梁板作為施工階段的水平支撐體系，高差過大對逆作時水平力的傳遞十分不利，結(jié)合實際結(jié)構(gòu)差別情況，對框架梁端部和板端部采取加腋的方式予以處理。加腋混凝土在逆作施工完成后可根據(jù)建筑、管線和設備安裝等實際要求確定是否拆除。

6.3 豎向支承系統(tǒng)

框架柱下方使用工程樁設置“一柱一樁”豎向支承體系，樁基形式為1 米和1.2 米直徑的鉆孔樁。豎向立柱樁主要利用底板下永久工程樁。一柱一樁格構(gòu)柱在基礎筏板澆筑完畢后，外側(cè)另行澆灌混凝土形成正式框架柱，臨時格構(gòu)柱待結(jié)構(gòu)施工完成后拆除。

鋼立柱采用φ550×18 和φ600×20 鋼管內(nèi)填C50 高強混凝土的鋼管混凝土柱以及由等肢角鋼和綴板焊接組成的4L200×20、4L200×24 和4L160×16 焊接格構(gòu)柱，鋼材牌號為Q345B，鋼立柱深入立柱樁的樁頂以下不小于3 米。一柱一樁在穿過底板的厚度范圍內(nèi)設置止水鋼板。

6.4 地基加固

為防止地下連續(xù)墻成槽時槽壁坍方，槽壁內(nèi)側(cè)采用單排直徑850@600 三軸攪拌樁，北側(cè)坑外采用TRD 工法水泥土攪拌墻，南側(cè)坑外采用SMC 銑削水泥土攪拌墻。

在長邊被動區(qū)設置墩臺式土體加固，采用格柵式布局。1 號基坑采用直徑2000@1500MJS 滿堂加固，加固體插入基底面以下5 米，基底面以上水泥摻和量為15%，基底以下水泥摻和量不小于40%。2 號坑被動區(qū)土體加固采用直徑850@600 的三軸水泥土攪拌樁，加固體寬度為7.85 米，加固體深入基底以下5 米，基底以上為弱加固，水泥摻和量為15%，基底以下水泥摻和量不小于20%，三軸攪拌樁與圍護墻間的空隙采用直徑800@600 的高壓旋噴樁充填。局部深坑采用直徑850@600 三軸水泥土攪拌樁進行加固。

6.5 基坑開挖與降水

逆作法開挖前，在首層結(jié)構(gòu)樓板上合理布置車輛行走路線，結(jié)合結(jié)構(gòu)梁、柱分布特點和開挖實際方案，合理設置出土口?？觾?nèi)布設充足的照明設施，保證暗挖回轉(zhuǎn)、運輸?shù)捻樌M行。首層結(jié)構(gòu)梁板行車通道上存在高差，采用輕質(zhì)材料鋪墊，并澆筑整體路面層。土方應及時外運，嚴禁在首層結(jié)構(gòu)堆積土方。對出土口預留結(jié)構(gòu)插筋以及各層結(jié)構(gòu)構(gòu)件預留鋼筋采取保護措施?？觾?nèi)開挖需遵照“分區(qū)、分層、分塊、對稱”的方式，開挖區(qū)域采取盆式開挖方式，基坑內(nèi)臨近的多個區(qū)域不得大范圍同時開挖，各區(qū)開挖至控制標高后及時澆筑混凝土墊層、結(jié)構(gòu)梁板及基礎筏板，以減少基坑無支撐暴露時間，必須在上一層結(jié)構(gòu)澆筑后養(yǎng)護至不低于規(guī)定強度80%時，方可開始開挖下一層土方?；油练奖仨毞侄?、間隔、對稱開挖，每分段不大于30 米，各段開挖至坑底后需立刻澆搗砼墊層，具備一定強度后才可開挖鄰近段土方。各分區(qū)開挖并澆筑完成樓板結(jié)構(gòu)后再開挖下一分區(qū)土方并澆筑梁板結(jié)構(gòu)。

土方開挖應在地下水位及坑內(nèi)加固體強度符合要求后進行?？拥仔桀A留0.3 米采用人工開挖并整平，避免基底受到擾動。砼墊層必須隨挖隨澆，具備一定強度后再進行樁頭破除和鋼筋安裝工作。在開挖過程中，采取破邊留土的措施確保邊坡穩(wěn)定，土坡坡度一般不超過1∶1.5，挖土高度差異不超過3 米。基坑邊地面附加荷載應控制在20kPa 以內(nèi)。

基坑降水采用真空管井對潛水進行疏干，預降水時間不少于4 周。高出的井管隨開挖面降低予以割除，降水深度控制在坑底以下1.0 米。施工底板前，根據(jù)實際需要可預留少量管井穿過底板，做好止水措施后，待底板澆筑完成后進行封閉。

6.6 信息化監(jiān)測

本工程基坑范圍大、開挖深，周邊環(huán)境因素復雜，施工全過程采用信息化監(jiān)測手段，全面掌控圍護結(jié)構(gòu)自身和周邊環(huán)境的變化情況，根據(jù)監(jiān)測情況不斷調(diào)整施工節(jié)奏，優(yōu)化施工順序。監(jiān)測主要分為兩大類：①基坑圍護監(jiān)測：圍護冠梁頂位移與沉降、墻體測斜、梁板應力、支撐軸力、一柱一樁沉降、鋼立柱隆沉、坑底隆起等。②基坑環(huán)境監(jiān)測：建、構(gòu)筑物的沉降、傾斜和裂縫開展、管線變形、坑外深層土體變形、地表沉降、坑外潛水水位等?；颖O(jiān)測由專業(yè)單位承擔，監(jiān)測數(shù)據(jù)達到或超過報警值時，各參建方將進行綜合研判，及時調(diào)整施工方案和節(jié)奏。

7 實施情況

工程自2019年7月正式啟動建設，2020年5月完成第一階段圍護和樁基工程，2020年6月完成B0 板，同步開始下部基坑開挖和上部鋼結(jié)構(gòu)吊裝，2020年9月完成結(jié)構(gòu)封頂，2020年11月基坑底板全部澆筑完成，17 個月完成上部和下部土建施工。室外幕墻、綜合機電及精裝修于2021年5月完成，總歷時23 個月，基本具備交付使用條件。整個施工期間，基坑變形及周邊建筑物變形均在可控范圍之內(nèi)，基坑未發(fā)生明顯滲漏和異常險情，施工過程平穩(wěn)有序（見圖3）。

圖3 全逆作法上下同步施工實景

8 結(jié)語

逆作法建造是一種超常規(guī)的施工方法，與常見的“明挖順筑”有顯著的區(qū)別。尤其是全逆作法建造，在永臨結(jié)合、臨時荷載選取、工況的結(jié)合、構(gòu)件的節(jié)點處理等方面需提前進行大量的超前研究和設計深化，施工方面也存在施工條件差、作業(yè)難度高、安全風險高等方面的問題，對設計、施工都提出了較高的要求。通過本工程的施工實踐，在工程面臨周邊環(huán)境保護要求高、場地受限以及工期緊張時，表現(xiàn)出了超越常規(guī)方案的顯著優(yōu)勢。隨著城市化進程的加快，尤其是一線城市土地集約化程度越來越高，本項目的成功實施，對在城市核心區(qū)建造類似項目具有借鑒意義。