地鐵旁地下結構半逆作法施工探索【摘 要】鄰近地鐵及周邊地下管線和現有建筑眾多的工程施工, 對基坑穩定和周邊環境保護要求較高, 基坑施工采用逆作法、半逆作法日益增長。針對工程實際, 介紹鄰近地鐵深基坑采用半逆作法施工的工藝方法、適用條件, 分析了施工順序中的難點及采取相應的技術措施, 為類似工程施工提供借鑒。【關鍵詞】深基坑 地下結構 半逆作法 支撐系統 " 盆式 " 開挖1 工程概況 某大廈地處鬧市, 屬舊區改造項目。由 1#、2# 主樓及裙樓組成, 占地面積 7 040.6 m2, 建筑面積 58 136.0 m2, 地下建筑面積 9 408.2 m2, 基坑面積約 4 730 m2。主要用途為商業、酒店式公寓等。1#、2# 主樓均為地上 28 層, 地下兩層。裙房為地上 4 層地下兩層,整個地下室連成一體。采用樁筏基礎, 樁基采用鉆孔灌注樁。主體結構為鋼筋混凝土框架 - 核心筒結構, 裙樓為鋼筋混凝土框架結構。地下兩層為車庫, 戰時為六級人防工程, 平戰結合。 基坑南北方向長約 93 m,東西方向寬約 5 9 m, 呈不規則形狀。地下一層層高為 4 .5 m, 地下二層層高為 3.7 m,主樓底板板厚 1 .6 m, 裙房底板厚 0.7 m。主樓基坑開挖深度為 9 .45 m( 包括 0 .20 m厚墊層) , 裙樓基坑開挖深度8 .55 m( 包括 0 .20 m厚墊層) 。本工程基坑等級為一級基坑。 地鐵線區間隧道位于基地西側, 呈南北走向分布。基坑邊距區間隧道凈距約 6 m,平行距離約 80 m, 地鐵隧道頂部深約 11～15 m, 隧道 φ6.2 m。且基地周邊市政管線和臨近的多層、高層建筑物眾多。 根據項目巖土工程勘察報告揭示, 本工程場地土砂性較嚴重, 自然地面下 1.5 m至 14 m左右均為砂性土, 且含水量豐富, 滲透系數較大。2 基坑施工方案 根據本工程的基坑面積、地下室分布、開挖深度、周邊環境的實際情況以及工期和造價等因素的綜合考慮, 基坑施工最終確定先是裙樓向下逆作, 待基礎底板形成后再主樓( 芯筒部分) 向上順作至±0.000 的半逆作法方案。 采用地下連續墻 + 結構梁板替代水平支撐 + 主樓順作、裙樓逆作的總體圍護設計構想; 即基坑開挖階段采用地下連續墻作為臨時圍護體, 結構梁板作為水平支撐, 臨時立柱作為基坑的豎向支撐系統, 裙樓地下各層結構采用由上而下的逆作施工方式, 主樓待逆作施工至基底時采用由下而上的順作施工方式 。逆作施工階段為方便土方出土, 加快施工速度, 在裙樓地下結構樓梯扶梯部位和主樓核芯筒剪力墻位置設置出土口, 出土口周邊的結構梁兼作為臨時支撐作加強處理, 中間設雙拼 H型鋼臨時支撐。2.1 水平支撐系統 以結構梁板作為基坑開挖階段的水平支撐, 其支撐剛度大, 對水平變形的控制極為有效, 同時也避免了大量臨時支撐的設置和拆除以及臨時支撐拆除過程中圍護墻的二次受力和二次變形對環境造成的進一步影響, 較大程度上保證了基坑的安全性。在首層結構梁板上設置專用的施工車輛運行通道及堆載梁板, 作為施工機械的挖土平臺及車輛運輸通道, 主樓及裙樓局部位置預留出土口, 為逆作施工階段的出土帶來極大的方便, 有利于加快施工進度節約工期。2.2 豎向支承系統 本工程采用地下連續墻作為基坑圍護結構, 地下墻墻體厚度 800 mm, 入土深度 20 m, 在基坑開挖階段作為豎向支承系統; 鋼格構臨時立柱采用 4L160 mm×14 mm角鋼制作,截面為 470 mm×470 mm, 立柱樁利用主樓結構框架下的工程樁作承載體。2.3 留土護壁及分塊開挖 本基杭工程面積較大, 開挖深度也較深, 基坑周邊環境保護要求較高, 尤其基坑西側分布有已建成的地鐵區間隧道, 為進一步控制基坑大面積挖土卸荷不可避免產生的基坑變形及基底回彈隆起, 最大限度減少因基坑開挖對周邊環境產生的影響, 采取先逆作施工地下室各層梁板結構, 然后盆式開挖中部區域的挖土方式; 同時考慮到基坑開挖的第二層、第三層挖土工況, 即頂板、中樓板結構形成后開挖至每次挖土基底的工況下, 圍護體的豎向暴露跨度較大, 為減少圍護體的跨度以控制其變形, 該工況下采取基坑周邊留土放坡開挖至坑底標高, 其后分段開挖基坑周邊的留土, 并迅速澆筑墊層, 使之形成對通支撐, 最后再快速澆筑中樓板、基礎底板, 以控制基坑內的土體回彈和圍護墻的變形, 保護地鐵及周邊環境。特別是在第三層挖土工況中, 由于結構底板厚度不一, 墊層不在同一標高上, 難以形成對撐作用; 故結構底板采用分三塊進行施工, 先開挖兩主樓間的裙樓區域至基底,保留兩邊主樓區域土體, 并迅速形成裙樓結構底板, 在基坑中央形成一道剛度較大的對撐; 然后再開挖兩邊主樓區域土體, 再澆筑結構底板( 圖 1) 。
3 技術準備與部署3.1 逆作法施工的設計特點 逆作法施工需要設計與施工的緊密結合。根據目前的工程實踐, 逆作法施工適用于: ( 1) 坑面積大、深度深, 周圍環境復雜, 對變形要求較嚴格; ( 2) 結構形式盡可能為框架結構, 并盡可能地減少剪力墻部位的逆作施工; (3) 地下室層高較高, 柱網較規則且柱距較大, 如采用全逆作法施工, 則首層層高也應較高( 以便出土機械、車輛作業施工) ; ( 4) 從頂板往下各層樓板的標高、梁高應盡可能統一、規則, 有可能的話可設計成無梁樓蓋, 以減少同層挖土中的標高差; ( 5) 柱下布有工程樁, 且盡可能布置“一柱一樁”型豎向臨時立柱, 以減少坑內立柱數量, 當樁的設計承載力較大時,可設計成大口徑樁以提高單樁承載力, 柱截面尺寸應偏大,盡可能采用“寬柱窄梁”; ( 6) 結構頂板上應布置有重載區域, 以便重型施工機械及車輛停放、行走。3.2 本工程設計狀況 由于本工程地下結構存在 3 家設計單位 ( 主體設計、圍護設計及人防設計) 平行分包設計, 且過程中缺乏必要的協調和結合; 而且原先的主體設計在方案階段直至施工圖階段, 全部按順作考慮, 根本沒有考慮到逆作法的設計特點。這主要表現在以下幾點: ( 1) 地下室層高偏低, 挖土凈空高度較小; ( 2) 柱網不夠規則, 且柱距偏小, 圍護設計在布置臨時立柱時, 抽掉了一部分柱而沒有布置臨時立柱, 使結構柱網在地下結構施工工況下與正常使用工況下不同, 要求對結構梁、板根據施工工況進行復算; ( 3) 板、中樓板標高太多, 且梁高不一; ( 4) 大多數柱下無樁, 只能采用“一柱二樁”“、一柱三樁”型, 使基坑內立柱大量增多, 樁間托梁使結構梁、柱節點變得更為復雜, 且柱截面尺寸普遍偏小, 而梁受層高限制做得較寬, 成為“窄柱寬梁”型; ( 5) 原主體設計單位對取土口周邊梁、頂板重載區域等設計需與圍護設計單位、施工單位結合并優化。3.3 技術準備與部署 根據本工程半逆作法施工的具體情況, 我們在施工前作了下述技術準備與部署: ( 1) 據現場車輛行走條件及出土、施工等需要, 確定重載區域和樓面荷載, 提交設計單位進行驗算; ( 2) 對取土口周邊梁按圍護結構圈梁要求進行驗算和優化; ( 3) 對梁板水平傳力體系進行驗算和優化, 特別是樓板標高變化處, 防止梁、立柱在水平力傳遞過程中受扭或受剪破壞; ( 4) 由于本工程立柱較多, 對立柱布置進行優化, 使之盡可能方便土方開挖; ( 5) 對“一柱一樁”型結構柱截面作優化, 使臨時立柱在合理偏差下能包含于柱中; ( 6) 對原“一柱二樁”、“一柱三樁”立柱間的托梁設計進行優化, 使框架節點盡可能地簡單化; ( 7) 由于本工程施工工況與正常使用工況的結構柱網存在差異, 故需對施工工況下的結構梁、板進行全面驗算; ( 8) 對梁、柱節點的鋼筋布置, 進行深化、翻樣。 ( 9) 在全面理解圍護設計半逆作法施工設計意圖的基礎上, 對本工程圍護及地下結構施工順序作全面部署, 見圖2。4 立柱垂直度控制 立柱垂直度的偏差控制, 是逆作法施工的技術難點之一。根據當前的工程實踐, 控制立柱垂直度偏差的有效方法就是利用特制的定位糾偏架。定位糾偏架采用高強膨脹螺栓固定于硬地坪上, 利用測量儀器可將架體的中心與樁位中心重合; 利用架體下端螺栓可將立柱位置( 包括中心位置與平面轉動) 準確固定; 利用架體上部的千斤頂校正立柱垂直度( 圖 3) 。5 基坑降水 本工程基坑降水采用真空深井降水。由于本工程場地土砂層深厚, 含水率高, 土的滲透系數大, 所以降水條件優越,但是降水效果的好壞將直接影響到土方開挖的順利進行, 以至直接影響到基坑安全。也就是說, 成功地進行基坑降水, 能大大改善砂性土的物理力學性能, 使之有利于挖土施工; 反之則對挖土施工帶來極大的困難, 甚至還會引發流砂、管涌等現象, 危及基坑安全。6 土方開挖 土方開挖是逆作法施工的又一技術難點。由于逆作法土方開挖采用暗挖法施工, 所以挖土凈空高度、立柱布置等因素對土方順利開挖起到很大的影響; 深基坑土方開挖對圍護結構及環境影響理論的研究和實踐, 特別是“時空效應”理論的建立, 為深基坑土方開挖施工提供了概念性設計。 本工程土方開挖總體上依據地下結構施工的順序及設計工況要求, 分三層開挖施工。在每層挖土作業中, 遵循“盆式”開挖的概念, 進行分區、分段開挖, 即首先保留基坑四周一定寬度的土坡以增強圍護結構的被動土壓力, 對基坑中央先行開挖至設計標高; 然后再分段開挖基坑四周的留置土坡, 減少圍護結構( 地下連續墻) 無支撐下的暴露時間。混凝土墊層隨挖隨澆, 并盡可能地形成對通, 減少坑底土的暴露時間, 防止土體回彈。 第三層挖土( 最下層) 由于深度較深, 對圍護結構和環境影響較大, 而主樓、裙樓底板厚度不一, 基底不在同一標高上, 所以混凝土墊層難以起到支撐作用, 故對第三層挖土、底板結構施工作分段處理, 即先開挖基坑中間段( 裙樓區域) ,并澆筑裙樓底板后, 再開挖基坑兩側主樓區域。在每段挖土作業中, 遵循“盆式”開挖法。7 信息化施工及應急預案 深基坑施工中, 對基坑及環境監測是保障工程安全性的必要前提, 同時也為信息化施工提供必要數據; 利用基坑監測的第一手數據, 指導施工的具體組織, 控制施工速率的變化, 判定目前施工所處的狀態。任何施工計劃和方案都不是一成不變的, 而是通過監測信息的反饋而進行不斷地修正與變化。 應急預案是我們根據以往的工程實踐經驗, 對可能發生危害性情況下的組織分工、物資準備和應對措施等作出的計劃與部署, 如果危害性情況一旦發生, 可立即啟動應急預案, 使工程施工始終處于可控制狀態。應急預案的編制應通過設計單位及其他相關單位的審核與批準。8 半逆作法結構施工8.1 梁、柱節點鋼筋施工 半逆作法結構施工的難點在于梁、柱節點的鋼筋施工。一般而言, 梁、柱節點是鋼筋比較密集的區域, 在逆作法施工中, 在梁、柱節點區域還需布置柱子混凝土的澆搗管、振搗管及注漿管, 同時部分梁、柱節點還布置有臨時立柱, 這樣使鋼筋的布置變得尤為困難。逆作法施工需要我們對梁、柱節點進行細致、周密的策劃, 合理布置縱向鋼筋及澆搗管、振搗管和注漿管, 合理確定箍筋樣式。8.2 模板施工 逆作法施工中, 模板工程施工基本上與順作法施工沒有差別, 關鍵在于平臺排架形式、高度等的確定, 這涉及到每層挖土的深度, 及設計工況計算。在滿足設計工況計算的前提下, 合理確定每層挖土的深度及平臺排架的高度。排架形式、高度等關系到合理利用施工人工、施工周轉材料和施工質量。由于受設計工況計算的限制, 一般逆作法施工的平臺排架較低, 在排架方案的確定過程中, 應考慮到拆模的方便。8.3 混凝土施工 逆作法施工中, 墻、柱等豎向結構構件的混凝土澆筑是施工質量控制的重點。由于墻、柱等豎向結構構件的混凝土澆筑是通過在結構中預埋的鐵管進行, 而鐵管直徑較小, 一般澆筑速度較慢, 要求在混凝土澆筑過程中, 應加強監控, 振搗密實。同時為了防止混凝土收縮, 使墻、柱頂部新、老混凝土交接處出現細縫, 我們從混凝土初凝到終凝的全過程中,進行注漿補液, 使墻、柱頂部漿液飽滿。9 結語 通過本工程的施工實踐, 我們體會到逆作法施工的關鍵在于“細與精”。 “細”就是細致。逆作法施工要求我們在施工技術上做到工作細致, 這表現在設計工況的理解、施工前的技術準備與部署、施工順序的安排、梁柱節點的設計等等。 “精”就是精度。逆作法施工的難點就在于對施工精度的要求比較高, 有些甚至是遠遠高于國家施工驗收規范。這是逆作法施工的真正難點。圍繞施工精度的要求, 我們必須采取一系列的技術措施來保證。技術措施的策劃與應用需要我們長期的工程探索、實踐與總結。
3 技術準備與部署3.1 逆作法施工的設計特點 逆作法施工需要設計與施工的緊密結合。根據目前的工程實踐, 逆作法施工適用于: ( 1) 坑面積大、深度深, 周圍環境復雜, 對變形要求較嚴格; ( 2) 結構形式盡可能為框架結構, 并盡可能地減少剪力墻部位的逆作施工; (3) 地下室層高較高, 柱網較規則且柱距較大, 如采用全逆作法施工, 則首層層高也應較高( 以便出土機械、車輛作業施工) ; ( 4) 從頂板往下各層樓板的標高、梁高應盡可能統一、規則, 有可能的話可設計成無梁樓蓋, 以減少同層挖土中的標高差; ( 5) 柱下布有工程樁, 且盡可能布置“一柱一樁”型豎向臨時立柱, 以減少坑內立柱數量, 當樁的設計承載力較大時,可設計成大口徑樁以提高單樁承載力, 柱截面尺寸應偏大,盡可能采用“寬柱窄梁”; ( 6) 結構頂板上應布置有重載區域, 以便重型施工機械及車輛停放、行走。3.2 本工程設計狀況 由于本工程地下結構存在 3 家設計單位 ( 主體設計、圍護設計及人防設計) 平行分包設計, 且過程中缺乏必要的協調和結合; 而且原先的主體設計在方案階段直至施工圖階段, 全部按順作考慮, 根本沒有考慮到逆作法的設計特點。這主要表現在以下幾點: ( 1) 地下室層高偏低, 挖土凈空高度較小; ( 2) 柱網不夠規則, 且柱距偏小, 圍護設計在布置臨時立柱時, 抽掉了一部分柱而沒有布置臨時立柱, 使結構柱網在地下結構施工工況下與正常使用工況下不同, 要求對結構梁、板根據施工工況進行復算; ( 3) 板、中樓板標高太多, 且梁高不一; ( 4) 大多數柱下無樁, 只能采用“一柱二樁”“、一柱三樁”型, 使基坑內立柱大量增多, 樁間托梁使結構梁、柱節點變得更為復雜, 且柱截面尺寸普遍偏小, 而梁受層高限制做得較寬, 成為“窄柱寬梁”型; ( 5) 原主體設計單位對取土口周邊梁、頂板重載區域等設計需與圍護設計單位、施工單位結合并優化。3.3 技術準備與部署 根據本工程半逆作法施工的具體情況, 我們在施工前作了下述技術準備與部署: ( 1) 據現場車輛行走條件及出土、施工等需要, 確定重載區域和樓面荷載, 提交設計單位進行驗算; ( 2) 對取土口周邊梁按圍護結構圈梁要求進行驗算和優化; ( 3) 對梁板水平傳力體系進行驗算和優化, 特別是樓板標高變化處, 防止梁、立柱在水平力傳遞過程中受扭或受剪破壞; ( 4) 由于本工程立柱較多, 對立柱布置進行優化, 使之盡可能方便土方開挖; ( 5) 對“一柱一樁”型結構柱截面作優化, 使臨時立柱在合理偏差下能包含于柱中; ( 6) 對原“一柱二樁”、“一柱三樁”立柱間的托梁設計進行優化, 使框架節點盡可能地簡單化; ( 7) 由于本工程施工工況與正常使用工況的結構柱網存在差異, 故需對施工工況下的結構梁、板進行全面驗算; ( 8) 對梁、柱節點的鋼筋布置, 進行深化、翻樣。 ( 9) 在全面理解圍護設計半逆作法施工設計意圖的基礎上, 對本工程圍護及地下結構施工順序作全面部署, 見圖2。4 立柱垂直度控制 立柱垂直度的偏差控制, 是逆作法施工的技術難點之一。根據當前的工程實踐, 控制立柱垂直度偏差的有效方法就是利用特制的定位糾偏架。定位糾偏架采用高強膨脹螺栓固定于硬地坪上, 利用測量儀器可將架體的中心與樁位中心重合; 利用架體下端螺栓可將立柱位置( 包括中心位置與平面轉動) 準確固定; 利用架體上部的千斤頂校正立柱垂直度( 圖 3) 。5 基坑降水 本工程基坑降水采用真空深井降水。由于本工程場地土砂層深厚, 含水率高, 土的滲透系數大, 所以降水條件優越,但是降水效果的好壞將直接影響到土方開挖的順利進行, 以至直接影響到基坑安全。也就是說, 成功地進行基坑降水, 能大大改善砂性土的物理力學性能, 使之有利于挖土施工; 反之則對挖土施工帶來極大的困難, 甚至還會引發流砂、管涌等現象, 危及基坑安全。6 土方開挖 土方開挖是逆作法施工的又一技術難點。由于逆作法土方開挖采用暗挖法施工, 所以挖土凈空高度、立柱布置等因素對土方順利開挖起到很大的影響; 深基坑土方開挖對圍護結構及環境影響理論的研究和實踐, 特別是“時空效應”理論的建立, 為深基坑土方開挖施工提供了概念性設計。 本工程土方開挖總體上依據地下結構施工的順序及設計工況要求, 分三層開挖施工。在每層挖土作業中, 遵循“盆式”開挖的概念, 進行分區、分段開挖, 即首先保留基坑四周一定寬度的土坡以增強圍護結構的被動土壓力, 對基坑中央先行開挖至設計標高; 然后再分段開挖基坑四周的留置土坡, 減少圍護結構( 地下連續墻) 無支撐下的暴露時間。混凝土墊層隨挖隨澆, 并盡可能地形成對通, 減少坑底土的暴露時間, 防止土體回彈。 第三層挖土( 最下層) 由于深度較深, 對圍護結構和環境影響較大, 而主樓、裙樓底板厚度不一, 基底不在同一標高上, 所以混凝土墊層難以起到支撐作用, 故對第三層挖土、底板結構施工作分段處理, 即先開挖基坑中間段( 裙樓區域) ,并澆筑裙樓底板后, 再開挖基坑兩側主樓區域。在每段挖土作業中, 遵循“盆式”開挖法。7 信息化施工及應急預案 深基坑施工中, 對基坑及環境監測是保障工程安全性的必要前提, 同時也為信息化施工提供必要數據; 利用基坑監測的第一手數據, 指導施工的具體組織, 控制施工速率的變化, 判定目前施工所處的狀態。任何施工計劃和方案都不是一成不變的, 而是通過監測信息的反饋而進行不斷地修正與變化。 應急預案是我們根據以往的工程實踐經驗, 對可能發生危害性情況下的組織分工、物資準備和應對措施等作出的計劃與部署, 如果危害性情況一旦發生, 可立即啟動應急預案, 使工程施工始終處于可控制狀態。應急預案的編制應通過設計單位及其他相關單位的審核與批準。8 半逆作法結構施工8.1 梁、柱節點鋼筋施工 半逆作法結構施工的難點在于梁、柱節點的鋼筋施工。一般而言, 梁、柱節點是鋼筋比較密集的區域, 在逆作法施工中, 在梁、柱節點區域還需布置柱子混凝土的澆搗管、振搗管及注漿管, 同時部分梁、柱節點還布置有臨時立柱, 這樣使鋼筋的布置變得尤為困難。逆作法施工需要我們對梁、柱節點進行細致、周密的策劃, 合理布置縱向鋼筋及澆搗管、振搗管和注漿管, 合理確定箍筋樣式。8.2 模板施工 逆作法施工中, 模板工程施工基本上與順作法施工沒有差別, 關鍵在于平臺排架形式、高度等的確定, 這涉及到每層挖土的深度, 及設計工況計算。在滿足設計工況計算的前提下, 合理確定每層挖土的深度及平臺排架的高度。排架形式、高度等關系到合理利用施工人工、施工周轉材料和施工質量。由于受設計工況計算的限制, 一般逆作法施工的平臺排架較低, 在排架方案的確定過程中, 應考慮到拆模的方便。8.3 混凝土施工 逆作法施工中, 墻、柱等豎向結構構件的混凝土澆筑是施工質量控制的重點。由于墻、柱等豎向結構構件的混凝土澆筑是通過在結構中預埋的鐵管進行, 而鐵管直徑較小, 一般澆筑速度較慢, 要求在混凝土澆筑過程中, 應加強監控, 振搗密實。同時為了防止混凝土收縮, 使墻、柱頂部新、老混凝土交接處出現細縫, 我們從混凝土初凝到終凝的全過程中,進行注漿補液, 使墻、柱頂部漿液飽滿。9 結語 通過本工程的施工實踐, 我們體會到逆作法施工的關鍵在于“細與精”。 “細”就是細致。逆作法施工要求我們在施工技術上做到工作細致, 這表現在設計工況的理解、施工前的技術準備與部署、施工順序的安排、梁柱節點的設計等等。 “精”就是精度。逆作法施工的難點就在于對施工精度的要求比較高, 有些甚至是遠遠高于國家施工驗收規范。這是逆作法施工的真正難點。圍繞施工精度的要求, 我們必須采取一系列的技術措施來保證。技術措施的策劃與應用需要我們長期的工程探索、實踐與總結。
