紧邻地铁某超高层地下结构局部顺逆结合施工技术浅谈

杨统元

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

引言

在建筑工程领域的地下结构施工中，我国对逆作法施工技术的研究与应用相对较晚。上世纪80年代在上海开展了一个试验性工程，为在密集建筑群及复杂环境中应用地下连续墙作为支护结构同时兼做地下室外墙，加快施工进度并降低对已建建筑物的损害，提供了全新的施工方法。到90年代中期，逆作法在上海高层建筑地下结构施工中的应用已逐渐增多，其优点也被其他省市接受，并逐步被推广和应用[1]。

1 顺作法、逆作法概念

1.1 顺作法

顺作法指在地下工程施工过程中，先施工支护结构，再开挖土方和做支撑，逐步至基底，然后自下而上逐层施工地下结构和地上结构 ，如图1所示。

图1 顺作法示意图

1.2 逆作法

逆作法是先施工地下连续墙或施工临时围护墙及中间支撑桩及立柱，然后将土方开挖到第一层地下室顶板标高处，完成的楼面结构作为水平支撑系统。接着在梁间设有吊装孔，继续下挖，并依此向下逐层施工，同时逐层做上部竖向结构[2]。

逆作法可分为以下几类：

1.2.1 上部主体结构施工时同步施工地下室结构，如图2所示。

图2 上下同步施工示意图

1.2.2 仅地下结构使用逆作的方式施工（也叫作半逆作法），如图3所示。

图3 仅地下结构逆作法

1.2.3 局部采用逆作的方式施工（也称顺逆结合），如图4-5所示。

图4 先主后辅，主顺辅逆图

图5 先辅后主，主顺辅逆

2 某项目深基坑工程概况

2.1 项目总体概况

武汉市某超高层项目位于汉口中山大道与三阳路交汇处，地上46层，地下3层，基坑深度20m，结构高度216m。

图6 结构整体效果图及剖面图

2.2 场地周边环境

本项目开始时，塔楼及北侧裙楼区大部分拆迁完成，为保证塔楼关键线路，将基坑分划为4个分区进行分阶段施工。

图7 基坑与周边环境示意图

2.3 基坑工程概况

本基坑开挖面积约7740m2，由于特殊的基坑设计，形成了“外坑套内坑，内坑含小坑”的布局，“外坑”指的是裙楼区域，“内坑”指的是塔楼区，“小坑”为塔楼核心筒内的井道。

图8 基坑模型示意图

2.4 基坑支护结构体系选型

鉴于本基坑周边环境比较复杂，开挖深度较大，内支撑受力较大等特点，以及现场拆迁进度影响、施工场地狭小等制约因素，基坑支护结构体系选型如下。

2.4.1 塔楼区域及裙楼IV区采用方案：地下连续墙(嵌岩)+三层临时钢筋混凝土支撑；顺作法进行施工[3]。

2.4.2 裙楼II区、III区采用方案：地下连续墙(嵌岩)+地下三层结构梁柱支撑(逆作法)。

3 整体地下工程施工分析

3.1 整体施工流程

地下结构的施工依据实际情况划分为4个阶段：

3.1.1 塔楼区基坑围护结构施工。

3.1.2 裙楼III区、IV区基坑围护结构施工，同时进行塔楼I区地下结构施工。

3.1.3 裙楼II区、III区地下结构采用逆作方式施工，塔楼进行上部结构施工。

3.1.4 裙楼IV区水平支撑及地下结构施工，塔楼上部结构已经施工完。

3.2 局部采用“顺逆结合”技术分析

3.2.1 顺逆结合施工范围。由于场地条件限制及确保塔楼的施工进度，要求塔楼结构封顶的同时II区及III区地下室主体结构及建筑功能提前实现，采用“顺逆结合”进行II区及III区地下主体结构（共3层）的施工，如图9所示。

图9 顺逆结合施工的范围平面图

3.2.2 “顺逆结合”的依据。

3.2.2.1 施工场地制约。II区、III区南侧与正在施工的汉口工作井仅一墙之隔（共用地下连续墙），北侧为结构已施工至一定高度的塔楼，东侧、西侧为现场施工通道，场地受限，采用顺作法难以实施。

3.2.2.2 基坑支护结构传力合理、保证安全。II区、III区的施工，同时要考虑到北侧塔楼区与II区、III区之间、南侧汉口工作井与II区、III区之间支撑体系传力的平衡，以及拆撑换撑时候地下结构稳定性。所以支撑必须紧跟着开挖施工，逆作法可以利用梁板结构作为支撑体系确保基坑安全。

3.2.2.3 “顺逆结合”的工艺比较。采用顺作法，施工场地受限，需进行三层支撑结构施工及三层土方开挖，再进行结构施工，较全逆作法多了三层支撑的施工时间，工期长。

采用全逆作法，三层土方开挖均为暗挖，开挖量较大，效率低，较顺作法节约的工期有限。

经对比分析，负一层结构采用顺作法，负二层、负三层及底板采用逆作法，即“顺逆结合”法，能有效地缩短施工周期。

3.2.2.4 确保项目工期。采用“顺逆结合”施工，II区、III区在负一层结构施工完成后，仍可作为塔楼的施工周转场地，确保塔楼工期。同时进行施工II区、III区地下室主体结构施工，也为裙楼区建筑功能的实现提供保证。

3.2.3 “顺逆结合”的关键点。

3.2.3.1 II区、III区的基坑支护体系的承载力、变形需满足要求，且与塔楼区、南侧工作井之间相互作用的支护体系也需确保安全。

3.2.3.2 负一层土方开挖与楼板施工前，梁板还未作为支护体系，基坑周边悬臂的地下连续墙的稳定和变形需满足要求。

3.2.3.3 提高关键节点的施工质量，如梁板与地下连续墙的接头，结构柱上下接头，梁板与格构柱的连接，以防止出现渗漏和质量隐患。

3.2.3.4 施工场地狭小，特别是负二层、负三层的土方采用暗挖，作业空间狭小，机械操作困难，防止安全隐患[4]。

4 局部地下结构顺逆结合施工技术

4.1 地下结构“顺逆结合”施工流程

图10 逆作法施工流程

4.2 地下连续墙稳定性分析

当II区、III区负一层采用顺作法时，在土方开挖至负一层楼板底这阶段，地下连续墙顶部未设置支撑，此时应计算地连墙在悬臂情况下其稳定性，结合基坑开挖深度，以III区西侧的地连墙（EAA1段）进行分析。

4.2.1 分析模型。按桩墙撑锚结构进行计算，采用的软件为天汉基坑设计软件，如图11所示。

图11 地下连续墙模型

4.2.2 工况分析表，见表1。

表1 底部边坡信息

4.2.3 分析结果。

4.2.3.1 软件计算结果。

图12 土压力

图13 侧向位移

图14 弯矩

图15 剪力

位移分析：墙体的最大水平位移为33.6mm。

弯矩分析：墙体的正向弯矩达到1021kN.m；墙体的负向弯矩达到-1011kN.m。

剪力分析：墙体的正向剪力达到446kN；墙体的负向剪力为-609kN。

4.2.3.2 结论：综上，地下连续墙稳定性能够达到要求。

4.3 钢格构立柱稳定性分析

4.3.1 分析模型。根据逆作区域立柱的受荷大小，结合工况分析，选择III区的编号 LZJ16立柱为例，按压弯构件模型进行分析。

图16 立柱断面图

4.3.2 计算工况表，见表2。

表2 立柱荷载计算

可见，在处于工况三时，格构柱受荷达到最大。

4.3.3 分析结果。

4.3.3.1 格构柱强度计算，见表3。

表3 立柱强度计算

4.3.3.2 立柱整体稳定性计算，见表4。

表4 立柱整体稳定性计算

4.3.3.3 立柱分肢稳定性计算，见表5。

表5 立柱分肢稳定性计算

4.3.3.4 构造要求：根据《钢结构设计规范》7.2.5条：

A、分肢长细比

B、缀板的线刚度之和同柱分肢的线刚度之比

缀板线刚度之和：

刚度比值：376372/47686=7.9≧6，满足要求。

4.3.3.5 缀板强度验算：

经计算，

4.3.3.6 结论：通过对计算结果的分析，钢立柱的稳定性和强度都能够达到要求。

4.4 支承立柱桩稳定性分析

4.4.1 分析模型。根据立柱桩的受荷情况及工况分析，选择III区的编号LZJ16立柱对应的桩进行分析。

图17 立柱模型

4.4.2 计算工况。根据支撑的布置以及施工安排，分为以下3种工况：

①工况一：开挖土方到首层楼板底部位置；②工况二：开挖土方到负二层楼板底部位置；③工况三：开挖土方到基础底板底部位置；经分析，在工况三的情况下，格构柱受荷最大，立柱桩受荷相应也最大。

4.4.3 分析结果。

4.4.3.1 单桩竖向承载力。根据单桩参数及土层参数计算桩侧阻力：

表6 桩的侧向摩阻力

经计算，竖向承载力的特征值

4.4.3.2 受压桩身承载力。计算得桩身受压承载力 ][N=9692.25kN＞竖向承载力的特征值Ra=7649.561kN，满足要求。

4.4.3.3 结论。经分析，可见立柱桩稳定性及承载力都能够达到要求。

4.5 中间支承桩及立柱施工技术

采用反循环钻孔形式进行施工，“隔桩跳打”形式进行施工。膨润土造浆，比重处于1.15到1.20之间。

桩端持力层选择进入5-2层≥0.8m。

4.6 土方工程施工技术

II区、III区开挖采用机械+人工的开挖方式，基坑内采用小型挖掘机械进行开挖土转运作业。然后采用大型抓斗或者伸缩臂等设备在基坑外将土方运出[5]。

本区域土方开挖分三层施工，如图18所示。

5 逆作法区域基坑监测技术

5.1 监测项目

表7 监测项目一览表

图19 二区、三区监测点平面位置图

5.2 监测数据分析与监测结论

5.2.1 监测数据分析。

表8 监测数据分析

5.2.2 监测结论。基坑监测各项目的变化速率及累计值均在设计范围内，未出现报警值或异常情况，表明该基坑支护体系安全可靠，确保基坑安全[6]。

6 “顺逆结合”的实施效果

6.1 安全可靠

II区、III区“顺逆结合”实施过程中，基坑监测各项目的变化速率及累计值均在设计范围内，未出现报警值和异常情况，表明该基坑支护体系安全可靠，基坑安全。

6.2 质量优良

质量总体优良，未出渗漏现象，结构检测数据均满足设计及规范要求。

6.3 确保工期

“顺逆结合”施工实施的顺利进行，既保证了塔楼工期，又保证了裙楼地下室的工期，和顺作法相比，节约工期70天。

6.4 经济效益

“顺逆结合”实施后，通过经济性对比，较其他方案节约成本约200万元。

7 结论及建议

本项目地下结构局部采用“顺逆结合”施工，有效解决了在城市中心区，紧邻地铁的复杂环境下，确保了项目安全可靠、质量优良，工程节点如期实现。超高层建筑，一般塔楼处于项目中心位置，而裙楼部分一般分布塔楼四周，加上城市用地紧张的原因，裙楼一般都紧贴着建筑红线布置，所以当进行裙楼的施工作业时，场地变得十分狭小，在此情况下，可采取分区施工或逆作法施工技术。所以本项目裙楼 II区、III区地下结构的施工，也是逆作法技术成功运用的代表，为类似项目的施工积累了经验或参考。