大型深基坑逆作法施工关键技术研究*

龙莉波

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

传统施工方法是敞开式施工（顺作法），即用支护结构围护后垂直开挖，挖至设计标高后浇筑底板，再由下而上逐层施工各层地下室结构。逆作法采用水平梁板结构作为水平支承体系，自上而下施工地下室结构[1-4]。

本文以上海某大型超深基坑为工程背景，围绕大型深基坑逆作法施工技术进行系统的研究，形成了一整套标准化、高效、经济的逆作法施工工艺。

1 工程概况

1.1 地理位置及周边环境

上海丁香路778号商业办公楼项目位于上海市浦东新区丁香路以南、民生路以东、长柳路以西。地处闹市区，周边环境比较复杂。

基坑南侧有3 幢高层建筑，其中太平人寿大厦距离地下室外墙16 m，楼高18 层，地下1 层，采用250 mm方桩基础，桩底埋深约30 m和35 m。

地下室外墙距离红线3.8～4.8 m；基地四周道路在基坑1 倍开挖深度范围内分布有电力、煤气、信息和上下水等管线。其中南侧道路下有Φ500 mm的上水管线，距离围护结构外边线最近距离仅为5 m；煤气管距离基坑也仅为11.7 m。

1.2 建筑结构概况

工程占地面积为19 863 m2，东西长约210 m，南北宽约100 m。整个项目包括东西对称的2 栋塔楼（高度99.5 m）和南北2 栋裙房（5 层，屋面高度17.35 m），地下共4 层，其中地下1、2层为商场，地下3、4层为汽车库，地下4 层局部为人防设施。

地下室底板顶标高为-22.00 m，基础采用钻孔灌注桩及筏板基础，主楼、裙房基础底板厚分别为2.1 m和1.6 m。主楼、裙房工程桩兼作立柱桩的钻孔灌注桩Φ900 mm（桩端后注浆），桩长40 m。

1.3 围护设计概况

基坑普遍开挖深度为24.4 m，深坑位置开挖深度28.2 m，基坑面积超过16 000 m2，属大型超深基坑工程。

地下室主楼核心筒顺作，其他结构逆作法施工。围护结构采用厚1 200 mm地下连续墙，长度为42～55 m，兼作地下室外墙，即两墙合一。地下连续墙两侧采用Φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌墙作为槽壁加固。坑内搅拌桩墩式加固。对于电梯井、集水井等局部落深区，Φ800 mm@600 mm旋喷桩满堂加固，围护结构见图1。

图1 围护结构平面示意

竖向支承系统采用一柱一桩形式，永久支承柱采用Φ550 mm×20 mm钢管混凝土（C60）柱，临时支承柱采用截面尺寸为530 mm×530 mm（L200 mm×20 mm）格构柱。钢管混凝土柱待逆作完成后外包钢筋混凝土形成主体结构柱。由于地下4 层挖深6.65 m，采用“抛撑+中心岛”的设计方法。

1.4 本工程难点与特点

周边环境复杂，基坑工程变形控制要求高；可利用施工场地紧张；逆作立柱垂直度控制要求高；逆作法节点复杂多样；回筑质量要求高。工期紧张，要求挖土速度快，结构早拆模；坑底离第⑦层粉土、砂土层（承压含水层）近，坑底土体抗承压水稳定性问题突出；逆作法施工作业环境安全措施复杂。

2 关键施工技术

2.1 竖向支承桩柱施工技术[5]

本工程竖向支承柱（俗称“一柱一桩”）采用钢管柱和格构柱2 种形式，其中钢管柱299 根、格构柱150 根，其垂直度偏差应分别不大于1/500和 1/300，如图2所示。

图2 立柱桩平面布置

由于基坑较深，因此对立柱桩的定位、垂直度控制要求非常高。其次钢立柱数量较大，工期紧，要求调垂技术必须快捷高效。经过实践与实际情况综合分析，选用激光倾斜仪实时测量+调垂盘法，先插法施工。

竖向支承桩采用GPS-10钻机，正循环成孔，泥浆采用黑旋风ZX-200泥浆净化装置除砂，控制沉渣厚度不大于50 mm。考虑GPS钻机的钻孔垂直度以及钢立柱调垂的需要，900 mm灌注桩在桩部6 m范围扩孔至1 200 mm，满足规范中“竖向支承桩的钢筋笼与支承柱之间的水平净距……不应小于150 mm”的规定。

钢管柱内需灌C40、C60两种标号的混凝土，在混凝土灌注到桩顶标高以上3 m，钢管外开始回填碎石，控制回填碎石速度和内外压差，当钢管口充分泛混凝土后，灌混凝土结束。待混凝土凝固后，方可松动调垂盘上的校正固定螺栓，拆除移走调垂盘。

桩身设置2 根注浆管，钢管内径不小于25 mm，壁厚不小于3.2 mm，下端与单向阀式注浆器相连。注浆管随钢筋笼下放，并做注水试验以防漏水。开塞时间控制在混凝土浇注后7～8 h，开塞压力为0.8～1.2 MPa。注浆采用P.O 42.5新鲜水泥，浆液水灰比为0.5～0.6，注浆压力一般控制在0.6～0.8 MPa，最高不宜超过4 MPa，注浆速度为32～47 L/min。当注浆压力＞4 MPa并持荷3 min，且注浆量达到设计注浆量的80%时，终止注浆。

基坑开挖后，对不小于20%的钢管支承柱采用超声波投射法进行质量检测，对有疑问的立柱采用钻孔取芯的方法进一步检测。支承柱全数采用敲击的方法检测。

2.2 逆作挖土施工技术

本工程地下室挖土总量为40.5 万m3，共分5次挖土。首层及B1层挖土分为8 个区域，B2和B3挖土分为9 个区域，底板挖土分4 个中心区域及若干周边区域，出土口共16 处。每皮土的土方分块按照各层楼板结构图合理布置，分块间的界线在梁板跨度的1/3处。土方开挖采用盆式分块开挖方式，按照“时空效应”理论，做到“分层，分块，对称，平衡，限时”开挖，随挖随浇混凝土垫层。

2.2.1 取土口布置

本工程取土口布置见图6，取土口设置原则为[6]：

（a）根据挖土分区，各挖土分区至少设置1 个取土口；尽量利用结构楼梯间、电梯井等部位，且位置上下相对应。

（b）取土口分布均匀，距离控制在30 m以内，尽量不设在坑边。

（c）取土口同时兼作吊物孔，取土口的对角线长度宜超过10 m，以便下放钢筋；

（d）取土口的布置要满足施工工期的要求，满足出土速度的要求。

2.2.2 车辆行走路线布置

依据取土口位置，布置行车路线。主行车道路宽7.5 m，停车平台宽4.5 m。每个取土口运土车的行走路线均固定，不得随意行驶，以求高效运土。行车路线B0板区域楼板要加强，厚度增加为250 mm。

行车路线根据大门的设置，车辆行驶顺畅，能形成环路。在车辆转弯及拐角部位，相应的柱预留插筋应做保护处理，如车辆转弯半径不足，可以采取插筋断在板面的措施，采用Ⅰ级直螺纹机械连接接头。

2.2.3 挖土机械配置

第一皮到第三皮土主要采取4 辆反铲挖机（0.6 m3）水平翻土，2 辆长臂（15 m）挖土机垂直取土装车。第四和第五皮土采取4 辆反铲挖机翻土，2 台电动船用起重机垂直取土装车。反铲挖机经过将油缸由大臂上部改装到大臂下部，以解决挖土净空问题，同时避免油缸在挖土过程中和上部的钢筋或结构相碰损坏。

工程采用电动抓斗作为垂直取土设备，实现从柴油转换成电的使用，起重能力大，采用花瓣斗，斗容量在1.2～1.4 m3，操纵方便，耐冲击，制动性能好，安全可靠。装卸货效率高、适应性好。由于电价相比柴油更加经济，挖土成本大幅降低，挖土噪声也较柴油抓斗更小。电动抓斗的使用使深基坑逆作法工程更经济、高效、环保。

2.2.4 挖土工况

基坑采用土方分区同步开挖、结构分块同步施工原则。基坑土方第一皮开挖采用明挖法，其他土方开挖均采用暗挖法。每层分区土方开挖应按规定从东向西进行。

首皮土采用盆式开挖，盆边挖至-3.60 m标高留设10 m宽平台，采用1∶2的比例放坡挖至-6.55 m标高处。第二皮土开挖至B1板底2 m，即-8.75 m标高，B0、B1板分8 个区域，按1到8区的顺序流水施工，见图3。

图3 B0、B1板施工分块

第三、四皮土开挖至B2、B3板底2 m，至-15.25 m、-19.25 m标高处。为了保护基坑西南侧太平人寿建筑，B2、B3板分9 个区域（将原7、8 区均分为3 个小块），按从1到9的顺序流水施工。

第五皮土开挖至坑底-24.40 m，电梯井深坑待周边垫层完成后开挖。

考虑基坑东西方向较长，在挖土流水施工过程中采取立体交叉的挖土形式，即在上一层最后一块结构尚未完成前，下一层的第一块土方已开始施工。实现了各层土方连续无间隔施工，即通常所说的“跃层施工”。

底板先开挖中部，随挖随浇筑混凝土垫层，分块施工底板，然后掏槽架设斜抛撑，待已完成的基础底板混凝土强度达到80%强度后，按照1∶1.5的坡度开挖斜抛撑下面的土。依次类推，完成2～4区的底板施工。

2.2.5 土方施工效率

为提高夜间出土效率，白天由4 辆反铲挖机水平翻土，取土口部位作为集土坑，集土坑在挖土面标高落深1.5 m，夜间集中出土。第二到第四皮土，暗挖每晚的出土量平均2 000 m3，高峰时可以做到3 000 m3，第五皮土挖底板，也可以做到每天1 500 m3。

从实践效果来看，土方工程的进度主要由运土的效率控制，挖土效率完全可以满足需要。

2.3 水平结构模板施工技术

本工程垫层采用厚150 mm的C20混凝土，水平结构模板形式为1.8 m标准钢管排架支撑模板，排架高度刚好满足工人可以站立施工，通常每块结构板的流水施工工期在7 d以内，垫层完成后马上施工模板排架，考虑垫层强度还比较低，需在立杆下通长设置木方垫板。

地下2 层楼板局部采用无排吊模技术，即在垫层上直接铺设模板施工，同时将模板通过吊筋倒吊在上一层已经完成的梁板结构上。无排吊模可以对模板及格栅体系重复利用，从而达到降低成本、减少木材使用及加快施工进度的好处，可以避免施工现场敏感部位的超挖。有些部位结构梁板完成后要马上开挖梁板下土方，结构梁板没有足够的养护时间，采用该技术可以使挖土不受拆模时间影响。

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定：构件≥8 m混凝土强度应达到100%才可进行拆模。为了让在逆作法施工中大梁能够提前拆模，通过在主梁到柱边1/3处设置吊筋，见图4，混凝土强度只需≥75%即可进行拆模，达到既能满足质量要求又能缩短工期的目的。

图4 主梁提前拆模示意

对于跨度大于4 m的梁板结构，模板按设计要求起拱，当设计未做要求时起拱高度宜为跨度的1‰～3‰，并且要根据土质情况以及垫层的强度情况综合确定。

回筑结构柱四周要留设浇捣孔，孔径150 mm，对角布置，每根柱至少布置2 个浇捣孔。对需回筑的剪力墙，浇捣孔沿剪力墙方向单向布置，间距1 500 mm。浇捣孔采用PVC管或带加筋的塑料波纹管留设。

2.4 关键连接节点技术

逆作法施工中的节点处理是逆作法工程结构施工的关键。如何处理逆作水平结构与竖向支承柱、与顺作竖向永久结构的交接节点对确保工程质量、 保证结构受力的传递具有十分重要的意义。

2.4.1 竖向支承柱顶部梁柱连接节点

竖向支承柱与B0板的连接可以采取在竖向支承柱顶部设置倒置埋件的做法，通过倒置的锚筋与B0板的梁连接，从而避免水平梁与钢立柱之间的复杂处理。

竖向支承柱采用钢管时，控制钢管顶标高在B0板梁底，钢管内混凝土灌注到顶后，清除浮浆，将有双向锚筋的埋件放入钢管内，埋件要开预留透气孔，振捣直到水泥浆从透气孔内溢出。

竖向支承柱采用格构柱时，开挖土方暴露出钢立柱，调整钢立柱的顶标高至梁底，将埋件倒置与格构柱焊接连接。

采用倒置埋件法解决竖向支承柱和B0板的节点连接问题，可以确保B0板梁主筋在节点处连续，不需要对该处的梁的截面尺寸和钢筋作修改，满足节点的受力要求，施工方便，受力清晰。

2.4.2 竖向支承柱中部梁柱连接节点

B1、B2、B3层梁与竖向支承柱之间的连接根据不同的梁柱形式和截面尺寸、配筋等情况，采取加腋法、双梁法、环梁节点，型钢牛腿节点，环板连接法等多种方式。

（a）加腋法。通常采用栓钉作为抗剪件。将节点处无法通过的梁钢筋通过规范允许的斜率绕过立柱。钢立柱采用格构柱时，加腋法是最常用的简单易行的做法，见图5。

（b）双梁法。将单根宽梁改为2 根等高窄梁从立柱两侧穿过，从而避免了梁主筋与立柱相碰。通常采取栓钉或者钢牛腿作为抗剪件。当结构梁截面尺寸较大时采用。

（c）环梁连接节点。类似于“柱帽”的做法，环梁（有时是方柱帽）作为梁柱间连接的过渡措施，通常采用栓钉作为抗剪件，梁主筋伸入环梁中。由于环梁的顶底面钢筋和腰筋全部为环筋，且箍筋较密，因此环梁的钢筋施工难度较高。环梁连接节点适用于几乎所有钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁、无梁楼盖的连接。

（d）型钢牛腿连接节点。通过在钢立柱上设置钢牛腿，将梁无法通过立柱的主筋焊接在型钢牛腿上，型钢牛腿既作为钢筋的传力连接构件，同时也作为抗剪件使用。该做法连接可靠，但焊接的工作量较大，对焊接质量要求高。该做法主要在钢管或型钢作为竖向支承柱时使用。

（e）环板连接法。与型钢牛腿连接原理相同，当梁截面较宽，无法通过钢管柱的梁主筋数量较多时，在沿钢管一圈焊接连接环板，梁主筋焊在环板上。通常为提高抗剪性能，上下环板间采用劲板连接，节点范围内钢管加强处理。

2.4.3 竖向支承柱底部连接节点

竖向支承柱底部按规范要求锚入灌注桩中至少3 m，钢立柱在加工时，按设计要求在锚入桩和底板范围内，按照构造要求设置栓钉。底板施工前需设置焊接止水钢板，见图6。

图5 加腋法节点示意

图6 支承柱底部连接节点

2.5 结构回筑关键技术

逆作法施工主楼核心筒通常顺做施工，而框架柱、内衬墙以及壁柱等则逆作施工。逆作施工不仅能加快结构施工进度，减少劳动力窝工现象，而且有利于将已经完成的地下水平结构连接成箱体，对地下结构的稳定和控制基坑变形有利。

竖向结构预留钢筋应尽可能采用一段式施工的方法，从上向下施工。与顺做法相反，钢筋接头主要留在上部，且层间只有1 个连接接头。在作水平结构时，柱在节点部位应至少向下做300 mm以上，以便于后期采取“超灌法”回筑。

竖向结构水平接缝处理，结合工程情况主要采取超灌法和灌浆法进行处理。

逆作的竖向结构混凝土采用高流态低收缩混凝土，配合比在现场做好试验后使用。用超灌法施工，竖向结构模板要能保证浇捣面高出接缝300 mm以上。

针对无梁板下竖向接缝及其他达不到使用超灌法要求的接缝采用灌浆法，即在接缝下方50～100 mm停止浇捣，处理下部混凝土浮浆及清扫上部混凝土底面后，湿润基面，继续由浇筑孔浇捣无收缩灌浆料。

2.6 地下通风措施

按最不利工况计算，B1区挖土过程中废气排放量最大，该阶段按6 台0.6 m3挖掘机同时开挖考虑，同时配备10台电焊机，作业人员按50 人计，机械设备考虑作业间歇及70%的使用率。

施工到B3层、B4层时，会有一部分在B1层、B2层产生的有害气体通过取土口下沉，增加B3层、B4层有害气体浓度。下沉的有害气体主要有CO2、NO2、SO2等以及少量有害微尘（PM）。

考虑风机抽风口的布置不能与废气排放点一一对接，中间会有大量废气在被抽排前稀释扩散；通风系统管路多、接口多，使通风能力不可避免地会有一定折损。综合考虑各项因素，经计算，排风量为17 280 m3/h。

在顶板上布置8 台T4-72型离心通风机，竖向通风管道为800 mm×800 mm白铁皮方管，在每个挖土阶段设2 个Φ300 mm风口，接出内配螺旋筋的塑料软管，该软管可人工移动和接长，采用抽吸的方式直接抽出废气排放集中区的污浊空气。

3 信息化监测

3.1 报警值及频率

按照设计施工技术规范设置相应警报值和布设监测点，其中围护墙倾斜报警值为累计变形50 mm，或5 mm/d，地下连续墙设24 个测斜孔，在坑外布设6 个土体测斜孔；在各层楼板受力较大部位分别布设13 个监测点监测梁板钢筋应力；钢立柱垂直位移报警值为累计30 mm，或3 mm/d，应力报警值为设计值的80%，选择5 个钢管混凝土柱、2 个格构柱进行监测。

监测频率为基坑开挖期间1次/d；底板浇筑后1次/2 d；地下室施工回筑期间1次/（3～7 ）d。

3.2 监测结果

3.2.1 围护墙体和土体水平位移监测

围护墙体水平位移随基坑开挖深度的增加而逐步增大，向基坑内位移。连续墙体最大水平位移发生在约3/4基坑深度附近，而不是像顺作法发生在坑底以下。至监测结束，围护墙体测斜孔点最大位移基本都控制在50 mm内，满足设计要求。CX17点位于基坑长边中点部位，累计位移最大值为68.8 mm，这是长边效应和时空效应的缘故，符合基坑开挖的变形规律。

土体测斜孔比地下连续墙深，能反映地下连续墙以下土体的蠕动情况。以监测数据可以看出，42 m以下累计位移量很小，说明基坑施工过程中地下连续墙以下土体基本没有出现蠕动现象。

3.2.2 围护墙顶垂直水平位移监测

围护墙顶水平位移变化量很小，最大变化量在5 mm内。随着土方开挖坑内土体的回弹，围护墙顶垂直位移在整个基坑开挖过程中呈上升趋势，但变化不大。监测结束时，围护墙顶垂直位移最大值为14.2 mm，不超过报警值（30 mm）。

3.2.3 钢立柱沉降与应力监测

在基坑开挖过程中，钢立柱沉降呈上升趋势。监测结束时，钢立柱大部分隆起累计值在30 mm内，未超报警值。钢立柱测试点布设于B3板顶板下方1 m处，每个断面安装4 个应变计。从监测数据得知，钢立柱压应力随土方继续开挖逐渐增大，最大值为40 MPa， 远小于警报值。

3.2.4 梁板钢筋应力监测

梁板钢筋应力随开挖深度增加而变化，当B1、B2、B3层梁板施工结束后，B0层梁板钢筋应力均出现凸点。B2层梁板施工结束前，B0板应力达到最大值。在整个监测过程中，梁板钢筋压应力最大值为55 MPa，未超过警报值，均在设计范围之内。

3.2.5 地下管线沉降监测

周边地下管线水平位移变化较小，累计沉降基本都小于40 mm，依据管线沉降历时曲线可知，在B1板土方开挖完毕到大底板结束期间，管线沉降变形明显，然后趋于稳定。基坑长边中点位置离基坑最近的上水管线沉降90 mm，超过报警值。

3.2.6 周边建筑物沉降监测

基坑开挖施工过程中，基坑周边建筑物沉降随时间的变化呈下降趋势。2012年8月开始承压降水，沉降斜率增大；至2012年11月承压降水结束，沉降趋于平缓。本工程对周边建筑变形影响较小，最大累计值为16.6 mm，未超过警报值（20 mm）。

4 结语

本文结合工程实践，详细阐述了大型深基坑逆作法施工关键技术，其中竖向支承桩柱施工技术、逆作挖土施工技术、逆作法模板技术、关键连接节点技术、作业环境控制技术等已形成了一套标准化施工流程，大大缩短了施工工期，降低了施工难度，取得了显著的经济效益，为逆作法施工技术的进一步推广提供了强有力的支持。同时逆作法在基坑变形规律方面也与顺作法明显不同，相关数据为今后的进一步研究提供了参考。