随着地下空间的深度开发应用,城市用地日趋紧张,深基坑工程凸显出越来越重要的地位。根据支护结构与主体结构相结合的程度,基坑工程支护可分为三大类:1)采用临时支护结构顺作法施工;2)采用临时围护结构结合坑内主体结构水平梁板体系逆作法施工; 3)采用永久性围护结构与主体结构相结合逆作法施工。设计应尽可能采用永久性围护结构与主体结构相结合的方式,减少支护结构拆除所造成的噪声、扬尘污染、废弃材料的处置等难题,降低对社会的不利影响和对环境的破坏,节约社会资源 ^[1,2]。

　　 城市建筑多而密集,土地数量日益减少,施工场地也越发狭小,地下室采用逆作法施工,在施工场地小、安全性高、基坑变形小、施工工期短、工序合理方面,以及在效率和资源节约方面有着明显优势。

　　 逆作法常分作两类:全逆作法和半逆作法,应根据地域、地质情况及工程特点综合确定。逆作法主要原理为:1)利用地下连续墙或支护桩作为基坑挡土结构;2)确定逆作法基准层,以基准层为起点上下施工; 3)利用地下各层钢筋混凝土楼板的水平刚度和抗压强度,使各层楼板成为基坑围护桩(墙)的水平支撑体系;4)选择竖向支撑结构,在地下室施工的同时进行地上建筑的施工,待地下室完工时,上部建筑施工若干层可完成施工,达到节省工期的目的。

　　 逆作法主要包括以下几个关键技术环节。

　　 顺作法、逆作法分界线的设置包括竖向分界线及水平分界线。竖向分界线(即逆作法基准层)根据不同的工程环境、条件确定,可以是首层楼板、地下1层楼板、地下2层楼板等;基准层楼面承载力需满足施工堆载、车辆荷载、其他施工荷载要求。水平分界主要根据工程平面的大小、施工区段及范围、核心筒(剪力墙)位置等平面因素确定。

　　 常用的逆作法基坑支护形式为地下连续墙、挖孔或钻孔成型排桩。采用地下连续墙及排桩时可配合锚杆、锚索应用,使基坑变形控制更理想。

　　 支撑立柱是逆作法施工中主要的受力构件之一,可分为临时立柱和永久立柱。永久立柱多采用底端插入灌注桩的H型钢与钢管混凝土柱。其中,钢管混凝土柱承载力较高,抗侧刚度较好,与楼盖梁钢筋的连接较方便,是首选的中间支撑柱 ^[2]。

　　 常用立柱桩采用人工挖孔灌注桩(图1)与钻(冲)孔灌注桩(图2)。

　　 设计中应综合考虑下列因素:永久结构体系的布置,荷载分布及大小,立柱桩的承载能力,地质条件,逆作法上下同时施工的要求和逆作法施工层数。

　　 主体结构平面构件包括作为支护结构的水平支撑楼盖、墙柱及竖向转换构件等。作为基坑支护的水平支撑,施工阶段中,对逆作施工工序及各工况下水平支撑的承载力及变形进行复核;使用阶段中,对水平支撑构件进行极限承载力、变形分析及设计,主体结构平面构件应满足逆作法施工及使用两阶段的受力要求。

　　 采用逆作法施工的3种主要连接节点有:1)地下连续墙与梁连接节点;2)地下连续墙与底板连接节点; 3)中间支撑立柱与梁连接节点。

　　 新型逆作法结构体系由设计、施工、管理综合而成,从建设项目策划阶段开始进行综合效益研究分析,针对工程特点、结构体系及地质情况,以及项目投资背景及资金分配进行综合分析,选择科学、合理、经济的结构支护体系、节点连接构造与施工步骤 ^[3]。

　　 随着结构技术的发展,钢-混凝土组合结构已日益广泛应用于新型逆作法结构技术体系中,可显著降低水平支撑支模、竖向支撑构件定位及水下作业的技术难度,加快基坑施工速度,并避免上层楼盖模板拆除过程中的安全问题,有着良好的社会经济效益 ^[4]。

　　 传统的地下室逆作法中,受桩承载力的制约,剪力墙(核心筒)墙下需设置密集的支撑立柱与立柱桩(图3),逆作法施工难度较大,导致上部结构同步施工层数受到限制,因此通常核心筒(剪力墙)采用顺作法施工,配合周边框架采用逆作法施工。地下结构层数较多时,核心筒(剪力墙)顺作须在基坑开挖后施工,施工进度慢,施工工序交叉较多,难以体现逆作法的优势。

　　 针对上述难题,钢-混凝土组合核心筒(剪力墙)新型逆作法结构体系突破了传统逆作法技术的局限性,具有以下技术优势:1)解决了混凝土核心筒顺作施工须在基坑开挖后施工,施工进度慢的问题;2)拓展了支护结构体系,采用内插钢板剪力墙的钢-混凝土组合地下连续墙、灌注桩内插钢管柱等多种钢-混凝土组合构件作为竖向支撑构件及基坑抗侧力构件,既满足上部结构承重要求,同时减小了基坑内水平支撑楼板的范围,方便基坑出土施工,降低地下结构逆作施工难度; 3)钢-混凝土组合构件承载力高,逆作基准层以下核心筒(剪力墙)可改为分离式,在逆作基准层平面形成转换结构,将上部剪力墙转换为地下分离式的立柱与钢-混凝土组合地下连续墙,通过水平梁板的连接,形成框架-剪力墙水平抗侧力体系,大幅度提高结构的竖向、水平向支撑承载力及刚度,同时可利用承台进行二次转换,解决核心筒逆作施工出土困难的难题(图4)。

　　 中心岛+局部逆作法适用于基坑面积较大的项目或分期开发的项目。在面积较大的地下空间传统逆作法设计中,采用完整地下室水平梁板作基坑水平支撑体系,施工周期长,前期建造成本较高。中心岛+局部逆作法可有效减少大基坑临时水平对撑数量,降低前期地下室建造成本,加快施工进度。

　　 中心岛+局部逆作法技术原理为:利用靠近基坑边的主体钢-混凝土组合核心筒(剪力墙)构件作竖向支撑构件及水平抗侧力构件,通过中间的土墩(中心岛)作为支点搭设水平支护系统进行局部逆作法施工。支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边桁架式,中心岛周边预留反压土体;局部逆作区域,设置核心筒(剪力墙)作为水平支撑的抗侧力构件,完成逆作区域的地下室结构施工,再分区逐层开挖反压区的预留土体,采用顺作法施工剩余分区的地下室结构。由于核心筒(剪力墙)抗侧刚度大,可承受主体结构的竖向荷载、风荷载及地震的水平荷载,同时承受水、土和施工阶段的侧向压力。

　　 局部逆作法中钢-混凝土组合核心筒(剪力墙)结构应用范围灵活,施工方便,受力明确。核心筒(剪力墙)可采用分离式地下连续墙分块施工完成,为了提高抗侧刚度,分离式地下连续墙可采用钢板剪力墙,各分块通过钢构件连成整体 ^[5],支护结构同时充当主体结构的竖向受力构件,将支护结构与主体结构结合为一体,节省成本,同时降低工程开发对环境的破坏。

　　 逆作法施工未形成完整支护对撑体系时,或局部逆作法不能形成有效水平对撑,可利用主体结构剪力墙设计成分离式抗侧组合剪力墙(图5),利用地下连续墙内插钢板,形成抗侧体系,控制围护结构的内力和变形,同时作为永久竖向支承构件使用。根据受力需要,必要时可增加地下连续墙作为水平支撑的支点,形成框架式组合抗侧力支护体系。组合抗侧力地下连续墙常布置成与“两墙合一”围护结构垂直的方向,结合地下室建筑功能及受力需求进行布置。

　　 多种钢-混凝土组合结构技术在逆作法的创新性联合应用能更好发挥逆作法的优势,突破传统工序单一的逆作法施工技术,改革为多技术、多路径、多工序可循环的集设计及施工、监测技术一体化的新型逆作法结构体系;同时运用先进的计算手段技术,使逆作法技术更具适应性。

　　 以下通过两个工程实例,介绍新型逆作法结构体系关键技术的联合应用。

　　 本项目位于广东省珠海市,占地面积约16万m²,地上两栋塔楼,两栋塔楼建筑总层数均为45层,部分框支剪力墙结构,地下室共4层,两栋塔楼的地下室连通。基坑开挖深度为18.0m,基坑周长约为483m,属于典型的深大基坑。本项目位于沿海软土地区,典型地质剖面图详见图6。

　　 本项目基坑较大,存在深厚淤泥层,若采用常规顺作法,基坑变形控制难度较大,容易引起周边建筑物基础沉降及开裂,且地下室面积较大,施工周期较长,前期成本较高。为满足业主工期进度及成本要求,结合本工程地质条件特点,地下室采用钢-混凝土组合核心筒(剪力墙)逆作法,并联合应用钢-混凝土组合抗侧连续墙技术,降低基坑施工对周边建筑物沉降变形的影响,最终工期缩短了约10个月。

　　 本项目逆作法设计思路为:基坑周边采用1.0,1.2m厚地下连续墙作为围护结构,并充分利用地下连续墙抗弯承载力,采用地下1层楼面作为顺、逆作法施工基准层,并确定以地下1层和地下3层水平梁板作为水平支撑。上部钢筋混凝土剪力墙和钢筋混凝土柱在地下1层楼面转换为下部内埋钢板的分离式钢-混凝土组合地下连续墙和钢管混凝土柱,形成足够的地下施工空间,保证基坑全机械化出土(图7);在地下连续墙边增设与之垂直的临时性钢-混凝土组合抗侧连续墙(地下室施工完成后可拆卸),提高地下连续墙的抗侧刚度。地下连续墙围护结构、钢-混凝土组合抗侧连续墙通过地下室楼盖与基坑内的分离式钢-混凝土组合地下连续墙和钢管混凝土柱,形成完整的的支护结构体系。

　　 基坑逆作法竖向构件布置如图8所示。施工流程如下:

　　 (1)施工基坑周边地下连续墙、支撑立柱桩基础。

　　 (2)开挖至地下1层楼面标高,施工竖向支撑立柱构件、钢-混凝土组合抗侧连续墙、分离式钢-混凝土组合地下连续墙、地下室侧壁以及地下1层水平构件,形成地下1层完整的基坑支护体系。地下1层楼盖施工完成时上部塔楼结构允许施工至15层。地下室施工剖面如图9所示。

　　 (3)继续开挖至地下3层楼面标高,逆作地下3层水平构件,同时顺作地上塔楼结构,地下3层楼盖施工完成时上部塔楼结构允许施工至30层。

　　 (4)开挖至底板底标高,逆作底板(地下4层)水平构件及承台,同时顺作地上塔楼结构,底板层楼盖施工完成时上部塔楼结构允许封顶。

　　 (5)施工地下2层、首层及裙楼楼盖。

　　 采用YJK软件进行钢-混凝土组合抗侧地下连续墙受力分析,并根据施工工序对地下室逆作法进行施工模拟。

　　 基坑开挖完成后,钢-混凝土组合抗侧地下连续墙X方向最大水平位移约为20mm,出现在基坑短边侧中部位置;Y方向最大水平位移约为17mm,出现在长边侧中部位置,小于规范变形限值(30mm),如图10所示。抗侧地下连续墙应力较小,除应力集中处外,压应力最大值约为10MPa,如图11所示,远小于混凝土抗压强度C40的强度。

　　 考虑开挖的不利工况,对基坑开挖过程进行模拟分析。开挖至地下3层时基坑出现最大位移,位于两长边中部位置,约23mm,如图12所示。

　　 计算结果表明,各施工阶段连续墙变形及支撑构件应力均满足规范要求,逆作法方案可行。

　　 项目总占地面积为8.0万m²,总建筑面积约70万m²,为大底盘多塔超高层建筑,地上裙楼5层,塔楼为10幢超高层,结构高度为162.5～268.0m,地下4层。基坑面积约5.2万m²,基坑周长891m,开挖深度为18.3～19.8m。

　　 本工程基坑面积大,周边有地铁及轻轨等公共交通设施经过,基坑采用预应力锚索+支护桩方式难以满足基坑变形的要求,对旁边地铁和轻轨的施工也造成很大的影响。

　　 考虑到工程施工周期较长,为缩短投资回收期,降低前期基坑成本,决定将一期工程(A塔、B塔及相关范围)实施局部逆作法先行施工(图13阴影区),其余部分顺作法施工。

　　 传统局部逆作法,需在基坑逆作区域地下1层顶标高处设置结构环板,利用结构环板的整体刚度和被动区留土共同抵抗地下连续墙的变形。由于基坑边线较长且不规则,结构环板呈不规则环状形状,局部开口,无法形成完整封闭的环状支撑,需设置桁架临时支撑,受力较复杂。

　　 经综合比较,最终采用新型中心岛+局部逆作法施工,在局部逆作区域设置钢-混凝土组合抗侧地下连续墙作水平支撑的支点,由地下连续墙提供侧向刚度,形成抗侧力结构体系(图14),地下连续墙围护结构与中心岛(图15中心三角区域)之间整个环向范围都采用逆作法;其余部分利用中心岛顺作法施工,减少基坑水平支撑数量,使局部逆作范围更灵活,施工方便。中心岛区域南面一侧采用开敞式明挖施工,土方开挖由南面向北面逐步推进。

　　 本项目逆作法联合应用了分离式钢-混凝土组合核心筒(剪力墙)逆作法与中心岛+局部逆作法结构体系,选择了明挖顺作、局部逆作单边支撑等多种支护形式。

　　 基坑上部2.5～3.5m 土体使用天然放坡或喷锚的支护措施,止水帷幕为单排ϕ550@350深层搅拌桩;基坑余下深度采用1.0m厚地下连续墙作为支护形式,兼作地下室的永久侧墙结构;工程一期按局部逆作法先行施工周边地下连续墙+连续墙核心筒+钢-混凝土组合抗侧地下连续墙形成挡土止水及抗侧力体系,接着依次施工地下1层、地下2层、地下3层及底板层结构,利用地下室各层钢筋混凝土楼板的抗压强度,使各层楼板成为基坑地下连续墙的水平支撑;各层楼盖连接地下连续墙、钢管柱和中心岛作为竖向支点,形成水平支撑体系;待地下逆作区域完成后,顺作顶板层及地上结构。地下室逆作施工的同时,向上施工上部结构。

　　 利用核心筒自身刚度,结合若干与地下连续墙围护结构垂直的钢-混凝土组合抗侧地下连续墙,在建筑基坑支护未完成完整对撑前,充当A塔、B塔(图13)局部基坑的抗侧力支撑构件,满足A塔、B塔先行施工的基坑支护要求,核心筒采用分离式钢-混凝土组合抗侧地下连续墙形式,墙底进入中风化岩层,深度不小于7.5m。核心筒四角设置了格构式型钢,如图16所示;核心筒墙体分为8个分离式墙段,以确保现场逆作法连续墙钢筋笼的吊装,如图17所示。待核心筒地下连续墙施工完成后,开挖核心筒内土方并施工底板层,再顺作核心筒内各层水平结构构件。

　　 为增加一期工程非塔楼范围基坑支护的整体抗侧刚度,以满足水平抗侧力要求,部分区域设置临时钢-混凝土组合抗侧地下连续墙,待基坑整体施工完成方可拆除,见图18的格子阴影部分。首层至地下1层标高段内,剪力墙与围护构件采用钢管斜撑作抗侧力措施,钢管斜撑一端与抗侧力剪力墙连接,另一端支承于冠梁上。待地下1层结构强度满足设计要求后,方可进行下一层逆作施工。

　　 本项目基坑支护支撑立柱采用钢管混凝土柱,基础采用冲孔灌注桩基础。由于逆作法施工中钻(冲)孔灌注桩桩顶标高位于地下水位以下,竖向钢管混凝土支撑柱长度较大,重量较大,柱底定位器安装困难,常导致支撑立柱出现偏位情况。综合考虑工程成本、安全性及施工进度要求,采用HPE 液压垂直插入机安装钢管混凝土柱代替传统钢管柱定位器+钢管混凝土柱施工工艺,在灌注桩中把钢管桩采用静压方法进行定位与施工。HPE液压垂直插入钢管柱施工方法根据二点定位的原理,通过HPE液压垂直插入机上的两个液压垂直插入装置,在灌注桩混凝土浇筑后、初凝前将底端封闭的钢管垂直插入灌注桩混凝土中,如图19所示。

　　 施工前场地先经过硬化;为保证钢管混凝土柱吊装、定位、施压的时间,灌注桩的混凝土缓凝时间不小于36h,初凝时间不小于16h;为使钢管混凝土柱更容易插入桩中,钢管底部需形成锥形封闭柱端,锥形中心与钢管柱中心对齐。

　　 A塔、B塔钢管混凝土柱布置如图20所示,桩径为ϕ1500,桩长为16.4～20.3m。本项目使用该工法的优势为:1)相对传统的单根钢管安装10～20d的施工周期,本工法钢管混凝土柱施工周期缩短约70%;2)安全性高,无需人工下孔作业; 3)质量好,可控垂直度误差为1/1 200～1/500,很好地满足了逆作法施工竖向钢管混凝土柱的安装需要。

　　 逆作法技术是现代城市建筑深大基坑发展的产物,对设计及施工的技术要求较高,需结合项目的实际情况,考虑逆作方案的可行性、施工难度以及关键技术的应用对项目综合效益的影响。随着施工技术及设备精度的提高,逆作法技术的创新性联合应用大大促进了深基坑理论及支护结构体系的创新发展,将地下空间的建设推上了一个新水平。

　　 本文介绍了地下建筑新结构体系及关键技术的联合应用,此应用成功实践于地下建筑工程逆作法中,对地下空间逆作法设计及施工进行了补充和完善,以供相似工程设计及实践参考借鉴。