上海中心大厦超大基坑主楼区顺作裙房区逆作施工技术*

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

本文结合上海中心大厦基坑工程的实践，提出“超大基坑主顺作裙逆作施工技术”，即增设1 道分期墙，将整个基坑划分为主楼区和裙房区两个相对独立的基坑，其中塔楼区为无内支撑圆形基坑。先行明挖顺作塔楼区基坑，此时裙房区进行桩基施工，并作为临时施工堆场。塔楼区地下结构完成后裙房区开始逆作施工[1-4]。

1 工程概况

上海中心大厦位于浦东新区陆家嘴金融贸易区Z3-1、Z3-2地块，毗邻金茂大厦及上海环球金融中心，建成后将成为上海的城市新地标。工程占地面积约3.1 万m2，总建筑面积约57 万m2。地上121 层，地下5 层，建筑总高度632 m。

场地150 m深度范围内的土层主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，其中第⑤、⑦层分为多个亚层，第⑧层缺失，第⑦、⑨层土连通。主楼区基础挖深31.10 m，局部深坑处挖深达33.10 m，裙房区基坑挖深26.70 m，最大挖深29.2 m。主楼区围护结构采用Φ121 m的圆形地下连续墙、另加6 道环形圈梁组成的围护体系，地下连续墙厚1.2 m、深50 m。裙房区围护结构采用两墙合一的地下连续墙，地下连续墙厚1.2 m、深48 m。

根据工程总进度工期要求，采用主顺作裙逆作施工方案，具体部署为：

（a）主楼区基坑采用盆岛结合的方式先行挖土，环形支撑随挖随撑、分段施工。

（b）主楼区混凝土基础底板完成后，随即顺作施工主楼区地下结构。

（c）主楼区首层结构施工完成后，开始施工裙房区地下结构逆作施工。

（d）裙房地下结构随土方开挖及时跟进施工，基础底板完成后再自下而上逐层顺作柱墙及补缺结构。

2 超大超深圆形无支撑基坑顺作施工

2.1 基于变形控制的土方开挖方案比选

本工程25 m深度范围内土层为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土，存在明显的流变特性，土方施工必须予以考虑。一般土方开挖方式有岛式和盆式2 种，2 种方式各有优缺点：岛式挖土，盆边土开挖方量较小便于快速形成支撑，缩短基坑无支撑暴露时间，有利于变形控制，但受环撑施工及养护制约，挖土会出现技术间歇；盆式挖土，本层环撑未完成或未达强度要求时，在保留盆边土的情况下，可继续开挖下层盆中土，能形成连续土方施工，盆边土体预留高度、宽度取决于围护结构的被动土压力要求，但盆式挖土对控制基坑土体隆起不利。

根据以上分析，并结合工程有6 道环撑的特点，确定了岛、盆结合的挖土方案，共分7 层进行。第7层土位于基础底板范围内，大底板中部厚6 m、周边厚度1.8 m，采用盆式开挖。第4～6层土方开挖深度超过20 m，为保证基坑变形可控，采用岛式开挖。第1～3层土方开挖深度分别为4.1 m、5.67 m、6.05 m，为确定土方开挖方式，需计算分析各层土方的主动土压力，简化计算方式如下：

经计算第1～3层土方层底的主动土压力分别为9.9 kPa、65.1 kPa、167.3 kPa。可见，粉质黏土②具有较高的内聚力、淤泥质粉质黏土③具有较高的内摩擦角，土体主动土压力较小，而淤泥质黏土④的内聚力和内摩擦角均较低，主动土压力较大，不利于控制基坑的变形。因此，从出土速度、变形控制两方面考虑，第1、2层采用盆式开挖，第3层采用岛式开挖。分层土体高度大于3.5 m时采用二级放坡开挖，放坡坡度为1∶1.5、放坡平台为5 m。

2.2 土方开挖及出土栈桥设置

第1层土方采用4 台日立330挖掘机直接下坑开挖。第2～7层土方开挖时，在基坑周边均匀布置4 个施工栈桥，见图1。栈桥立柱采用格构柱式立柱桩，面板为钢筋混凝土梁板结构，其下设置4 道钢筋混凝土梁式水平支撑、槽钢剪刀撑，以保证栈桥结构的整体稳定性，水平支撑及剪刀撑随挖随撑。将基坑平面划分为4 个扇形施工区域，每个施工栈桥各负责1 个区域土方开挖，随开挖深度的增加，每个栈桥上分别布置2 台挖掘机、长臂挖掘机、加长臂挖掘机、抓斗，将土方运至土方车，在坑内由10 台日立200挖掘机（斗容量0.8 m3）将土方驳运至栈桥区域。充分发挥无内支撑基坑出土效率高的优势，加快土方开挖速度，高峰出土量为5 000 m3/d。

图1 出土栈桥设置及开挖分区示意

2.3 超长环形支撑分段施工

基坑内径为121 m，每道环撑长度达380 m，属于超长混凝土结构。不仅因受到地下连续墙挤压产生压缩变形，同时也将产生自身收缩变形。计算得到最大轴向力位于第4道环撑，最大轴力为18 000 kN。环梁支撑截面1.6 m×3.0 mm（C40）、配筋为108Φ32 mm，其等效截面积为5.25 m2。第4道环撑在轴向压力18 000 kN作用下产生的压应变为：

可见其受力轴向压缩应变小于早期收缩应变，说明收缩变形对支护体系的影响较大，需加以控制。因此确定了环撑采用分段、流水施工的原则，以消除混凝土早期收缩变形的影响。每段长度控制在50 m左右，因第6道环撑顶面位于基础底板的板面，将来不予拆除，利用混凝土垫层作为环撑底模。第1～5道环撑按爆破方案设置爆破预留孔，便于后续的爆破拆除。第5道环撑紧贴基础底板，底板混凝土浇筑困难，因此将第5道环撑的下表面设计成斜坡式，便于基础底板混凝土施工时的振捣。第5、6道环撑与基础底板位置关系如图2所示。

图2 第5、6 道环撑布置示意

2.4 开挖过程信息化动态监测

塔楼区圆形基坑共布设16 个地下连续墙侧向变形监测点。基坑开挖完成后P05号孔位侧向变形最大值为76.5 mm，基坑开挖完成时各孔位地下连续墙侧向最大变形数据的平均值为68.5 mm，与理论计算结果基本吻合，满足设计要求。第2、3层土方开挖时，地下连续墙侧向变形变化速率较快，后续开挖地下连续墙的侧向变形速率减缓，地下连续墙最大侧向变形出现在深度约16 m处，说明基坑中下部黏土、粉质黏土、砂质粉土的被动约束作用较强，也说明岛、盆结合的挖土方式对本工程具有很强的针对性，有效抑制了基坑变形。

3 裙房超大超深基坑逆作法施工技术

3.1 基于变形控制的基坑分区逆作施工

相比于主楼区基坑，裙房区基坑面积更大，开挖过程的变形控制也更为困难，具体表现为：基坑挖深26.7 m，长深比7.97，宽深比6.04，均大于临界宽深比5，基坑每侧中部区域的墙-土力学分析模型属于平面应变假定，无法利用基于边界嵌固约束影响的空间效应；土层中的淤泥质土、黏性土具有明显的流变特性，随基坑暴露时间延长而发生主动区的蠕变、被动区的应力松弛，由此造成基坑的变形历时增大。针对此问题，确定了分区抽条、跳仓开挖，结构同步跟进的逆作施工方案，并利用沉降后浇带支撑将主楼、裙楼区地下结构进行联系，以B1F逆作施工为例的分块示意见图3。先施工中部十字对撑后施工4 个角部，以减小基坑长边效应的影响，土方共分6 层开挖。环形地下连续墙根据分块的施工顺序分段爆破拆除，减小裙房区土体侧向变形。

图3 B1F地下结构施工分块示意

裙房区地下室首层采用明挖顺作法施工，其余各层土方均为暗挖出土，为减少土方驳运、提高出土效率，取土口遵循以下原则进行布置：每个施工分块都布置一定数量的取土口，减少土方驳运工作量；取土口位置结合地下室结构的具体情况进行布置，避免影响后续施工工序；结合施工的场地条件布置取土口，便于土方车辆进出施工现场，并减少交叉干涉。最终确定地下室逆作施工阶段共布置19 个贯通各层结构的取土口，开洞总面积为1 600 m3，高峰出土量可达3 000 m3/d。

3.2 施工现场交通组织

裙房逆作施工期间，主楼区进行上部钢结构及主体结构的施工，为减少相互干扰，须协调好各阶段况的交通组织和混凝土浇捣，交通车辆由1#、2#、3#和4#大门进出，在场内形成环形通道。重型钢结构运输车辆主要由1#、2#和4#大门进出，在场地东西方向卸车并堆放在堆场平台上。

裙房首层西侧开挖施工时，主楼区正在施工地下1层结构，由此造成了交叉施工的干扰。为尽量减少裙房地下室开挖对主楼区施工车辆的影响，交通组织分阶段进行转换：主楼正首层施工时，裙房西侧开始施工，车辆由2#、3#和4#门进出，重型钢结构运输车辆主要由2#、4#门进出；裙房西侧施工完成后，进行北侧、东南侧结构施工，主楼已施工完成地下结构，车辆由1#、2#和4#门进出，重型钢结构运输车辆由2#、4#门进出；毗邻主楼区东西两侧的裙房地下室结构时，车辆由1#、2#和3#门进出，重型钢结构运输车辆由1#门进出；毗邻主楼区西南侧裙房地下室结构时，其余区域已施工完成，车辆由1#、3#和4#门进出，重型钢结构运输车辆由1#、4#门进出，本阶段施工完成后将形成正常的交通组织体系。

3.3 逆作施工过程信息化动态监测

对实测结果与预测分析结果进行比较，可检验理论计算结果的合理性，并作为反分析控制变形目标值的依据。将裙房地下连续墙侧向变形计算值与实测值进行了对比分析，其中 P07孔测斜的最大变形值为65 mm（测斜值）、62 mm（计算值），两者基本吻合，基坑变形得到了较好的控制，满足设计要求。对一柱一桩的差异隆起进行了理论计算与实测的对比，对比分析结果表明相邻立柱间的最大差异隆起量均小于20 mm，满足设计要求的控制值。

3.4 裙房与主楼间沉降后浇带设置

主楼区在巨大的自重荷载作用下将产生基础沉降；裙房区采用逆作法施工，土方开挖后产生卸荷效应，将产生坑底回弹，同时围护结构侧向挤压将引起坑底的隆起，回弹和隆起的叠加效应造成立柱桩上浮，主楼区与裙房区将存在较大的竖向变形差，结构因此会产生附加内力，严重时结构出现裂缝。为避免出现这种风险，在主楼区和裙房区结构之间设置了沉降后浇带，其中南侧为A区，其余区域为B区。后浇带与两侧之间的主体结构为铰接式连接，保证主体结构自由地竖向移位，不承担弯矩，但能传递裙房地下连续墙外土体的主动土压力。裙房、主楼施工完成，沉降监测结果趋于稳定后，再自下而上逐层封闭后浇带。

主楼和裙房楼层结构之间后浇带宽度为2.5～3.0 m，两侧均设置楔口式环梁，通过钢筋混凝土换撑板联系，主楼区一侧的楔口式环梁避开原有环撑，并在悬挑跨度较大的梁下设钢筋混凝土柱。裙房楼层结构及其环梁施工完成后，浇筑混凝土换撑板并用薄膜进行隔离。A区地下连续墙与主楼地下连续墙的间距较小，为减少换撑施工的浇带凿除工作量，加快换撑速度，支撑体系则利用裙房及主楼区域的混凝土梁板。主楼裙房混凝土梁板分开浇筑，钢筋全部断开，在梁板中间留设1 条薄膜隔断的竖向沉降缝。在主楼底板和裙房底板结构之间也留设沉降后浇带，后浇带宽度2 000 mm。B区底板后浇带水平支撑采用间距为2 m的400 mm×400 mm×13 mm×21 mmH型钢，A区的底板后浇带水平支撑采用宽2 m、厚0.3 m的钢筋混凝土板撑，间距2 m。后浇带封闭施工时，型钢支撑、钢筋混凝土板撑均埋入后浇混凝土中，形成叠合式结构，避免换撑产生二次变形。

4 结语

主顺作裙逆作施工技术是适应超高层深大基坑工程施工要求的一项新技术，以分区施工为特征，加快超高塔楼的施工速度。

主楼区首次采用内径达121 m的无内支撑圆形基坑围护形式，节省了大量材料，加快了塔楼的施工速度。

超大裙房区基坑先行逆作施工十字对称结构，消除了基坑的长边效应的影响，有效控制了基坑的变形。

采用的双联、多联大开口取土口布置方法，提高了暗挖出土效率，加快了逆作施工速度。

提出的沉降后浇带设置方法及施工工艺，消除了因主楼、裙房差异沉降对结构的不利影响。