北京大学景观设计学大楼基坑开挖方案介绍

1 项目概况

北京大学景观设计学大楼位于北京市海淀区中关村北大街东侧，北京大学校区内，分为I、II两段，中间以一颗被保护古树分割，两段通过连廊连接。I段长32.7m，宽25.4m，主要功能为教室和展厅；房屋结构高度17.2m，地上5层，地下1层，地下为人防，层高分别为地下一层3.8m，首层3.8m，2～5层3.4m。II段长129.4m，宽35.2m，主要功能为办公室和实验室，房屋结构高度为15.6m，地上4层，地下1层，层高分别为地下一层4.0m，2～4层3.9m。I，II两段均采用钢筋混凝土框架结构体系，平板式筏型基础，I段基底标高-4.250m，板厚600mm；II段基底标高-4.500m，板厚500mm。平面位置见图1。

图1

如图所示，北京大学景观设计学大楼上跨地铁4号线北大东门站～圆明园站区间，施工时由于基础基坑的开挖，地基卸载会造成地铁轨道地基回弹，可能影响地铁安全运营。因此，地铁有关部门要求，对四号线地铁轨道地基的变形控制要求为：上浮不大于2mm，下沉不大于3mm。由于本工程为框架结构且高度有限，重量较轻，在基础施工过程中，挖土的卸载重量略大于上部结构施工完毕后结构自重及使用荷载的重量，不会造成对地铁轨道的下沉影响；控制上浮量成为主要因素。

建筑物与地铁相对位置的剖面图如图2

2 建筑物建造可行性计算

允许本工程建设的前提条件为在建设完成后，地铁顶面的压力减少值（挖掉土体的重量与建筑物重量之差）所引起的地铁回弹值不应超过2mm。

（1）建设完成，地铁顶面土体压力减少值计算

I段：4.950x18=89.1KN/m2（较整平地面）

II段：5.100x18=91.8KN/m2（较整平地面）

（2）建设完成后，建筑物（自重+恒载）单位面积重量为I段：87.52KN/m2

图2

II段：79.37KN/m2

（3）建设完成后地铁表面卸荷

I段：89.10-87.52=1.58KN/m2

II段：91.80-79.37=12.43KN/m2

据相关评估单位计算，由于压力减小值较小，地铁轨道地基上浮量为0.85mm，在允许范围内，符合要求。可见，在建筑物建设完成后，不会对地铁安全营运产生影响。

控制地铁轨道地基的上浮限值不仅要求在建设完成时保证满足，更重要的是在整个施工过程的各个阶段满足要求。如施工采用大开挖，由于土体开挖对地铁顶面卸荷较大，特别是在基础底板施工前，卸荷达到最大，这时地铁轨道地基将发生回弹，上浮达到最大。此时，I段卸荷为89.1KN/m2，II段为91.8KN/m2，经评估，地铁回弹6.29mm，超过了地铁上浮2mm的限值，不满足地铁运营安全的要求。采用合适的施工方案满足地铁运营的安全成为本工程建设的主要因素，因此，从以下几方面做了探讨与研究。

3 基坑开挖方案

（1）逆作法

逆作法的工序为先沿建筑物地下室轴线或周围施工地下连续墙或其他支护结构，同时建筑物内部的有关位置浇筑或打下中间支承桩和柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑。然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为竖向结构刚度很大的侧向支撑。随后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下结构，直至底板封底。同时，由于地面一层的楼面结构已完成，为上部结构施工创造了条件，所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。如此地面上、下同时进行施工，直至工程结束。

对本工程而言，保证地铁轨道地基上浮在允许范围内的关键是要保证地铁顶面压力始终处于相对平衡状态。逆作法的施工工序（先施工上部结构，随着上部荷载的增加，挖掉相应重量的土体，使之始终处于平衡状态，直到最终施工完成）能非常有利的保持地铁轨道顶面压力平衡。

经计算，本工程地上结构全部完工时（仅考虑结构自重），I段可开挖基坑深度为2.19m，II段可开挖1.91m。即当上部结构施工完毕时，仍然不能全部置换地下室挖土深度。经计算，此时I段卸载量49.68KN/m2，II段为 57.42KN/m2，地铁基坑回弹量为3.947mm，无法满足地铁回弹要求。需继续施工加载，才可挖去剩余土体从而施工地下结构。

逆作法的特点对于多层地下室高层建筑可缩短工期，经济效益明显。对于本工程建筑而言，地上多层，地下仅有一层，采用逆作法不能达到控制地铁轨道地基回弹的目的，不适合采用。

（2）配重法

配重法的思路为利用配重来补偿挖土损失的荷载，从而达到地铁轨道顶面压力相对平衡的目的，解决由于压力变化引起地铁上浮变形超过允许值得问题。

针对配重法，评估单位经过计算，提出了施工要求：

1） 分条开挖平均宽度为20m时；

2） 反压荷载应达到开挖5m土体重量的70%及以上；

3） 分条放坡开挖坡度应根据现场土质情况采用尽量小的坡度，建议坡度1:0.5-1:0.7。

这一方案从理论和概念上都能较好的控制地基轨道回弹量，关键在于如何实施方案。

首先考虑固体配重，针对于此工程，采用分块施工，固体配重的施工方法。

施工时，依据评估要求，将建筑物分为宽度不大于20m的施工段，每段基坑开挖后，按结构施工图进行基础底板、柱子、外墙、内墙的施工。当本区段施工完毕后，按要求进行固体反压配重堆载。反压堆载的重量应满足评估单位提供的施工要求。然后按设计要求进行下一区段的施工且应跳格施工，依次类推。整个区域的基础施工完成后（此时反压固体堆载也施加完成），再进行首层楼面的施工，进而进行上部结构施工。随着上部结构的施工，重量增加，在地铁顶部土压力保持平衡的状态下，可以逐渐按比列撤除基底上的固体堆载。当上部建筑物全部施工结束后，方可撤除基础底板上的全部固体堆载。然后进行机电安装及装修工程。

配重重量计算：挖土卸载总重为：

I段 ：4.95×18=89.10KN/m2；

II段 ：5.10×18=91.80KN/m2；

在施工完成后，需反压总重量至少为实际卸载的70%：

I段 ：89.1×70%=62.37KN/m2；

II段 ：91.8×70%=64.26KN/m2。

基础底板施工完毕后在底板上施加的反压荷载为：

I段：62.37-0.6×25-0.1×24=44.97KN/m2，即最后取值：45KN/m2

II段：64.26-0.5×25-0.1×24=49.36KN/m2，即最后取值：50KN/m2

由计算可知，每平米需配重量最大为5吨，在施工现场较容易实现。可堆载混凝土块（折合混凝土块2m）。固体配重法虽避免了逆作法的缺点，但仍然有其自身不足，如后期压重的撤离无法吊装，也无法人工搬运；同时随着上部结构施工，固体配重无法较准确卸载等等。

其次考虑液体配重，为了更精确保持地铁顶面荷载平衡，尽量准确逐步协调撤掉配重，提出液体配重的施工方案。

液体配重方案的思路与固体配重基本一致，仍为分段开挖，但开挖完成后，施工外墙及基础底板时需预留埋件以焊接挡水钢板。由挡水钢板，基础底板，以及地下室外墙形成液体池，用来注入液体进行配重。随着上部结构的施工，相应比例的排出液体，使之始终处于平衡状态。待上部结构施工结束，液体配重全部撤除后，可拆除挡水钢板，继续进行后续施工。

图3

图4

采用液体配重方案的优点在于加载和撤离方便；可精确控制卸载量。液体的卸载可配置管道释放液体，并且通过释放液体的体积来精确控制卸载量，从而更好的控制地铁顶面压力。

但此方案会使得混凝土长时间在水中浸泡，需在混凝土中添加外加剂来防止液体对混凝土的腐蚀。同时要时时监测，防止液体渗漏对地铁安全运行的影响及地基基础的不均匀沉降。如果发生严重渗漏，会对地铁的营运安全造成影响。

（3）锚拉杆+反压式网架地梁

逆作法和配重法采用的是“防”的方法，即设法通过荷载平衡来防止地铁顶面足以引起铁地地基竖向位移变化超过限值的压力变化。而锚拉杆+反压式网架地梁是采用“抗”的方法，即当卸荷产生上浮力时，通过梁→锚杆→土体将上浮力传至深层土，从而限制地铁地基上浮。

本工程拉锚桩在基础垫层以下设置，桩径600mm，桩长27.0m，桩端位于地铁隧道结构底不小于10.0m；采用钢筋混凝土灌注桩，需在基坑开挖前作业完成，剖面图如图3。桩顶设置反压式网架地梁，梁标高位于基础结构垫层底以下；锚拉桩位于网架结构节点部位，如图4。开挖方式为由北向南（由左至右）递进式开挖。每条开挖宽度约20m左右，以保证开挖过程中地基回弹在允许限值内，每段开挖至基底后进行网架地梁作业施工，地梁混凝土强度达到20MPa后可进行相邻段开挖。

这种开挖方式很好的避免了之前逆作法及配重法的缺点，虽然工期并不占优，施工要求精度高，但所有施工作业均在垫层以下完成，不影响主体结构。而且开挖完毕后可不用保持荷载平衡，结构主体正常施工，也没有卸载的多余工作量及漏水等担忧。目前此方法已通过专家论证，正在积极施工准备中。

4 结语

随着城市的发展，上跨地铁的建筑物会越来越多。如何在施工过程中保证地铁安全运行，同时又不严重影响施工进度及建筑物的安全，将会成为每一位设计师及施工人员需要思考的问题。文中所提施工方案各有特点，在实际应用中应因地制宜，选择合适的方案或联合实用。