在既有项目的改造中, 新增地下室是一种非常规的做法。由于既改项目往往位于市区, 周边条件比较复杂, 受限于已有建筑的限制和市政、环保等要求, 即使采用各种遮挡、支护措施, 仍避免不了影响相邻建筑的安全及正常使用。此时, 采用逆作法是一个很好的选择。

　　 某项目位于北京市, 新增一层下沉广场。场区抗震设防烈度8度 (0.2g) , 设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅲ类, 无地下水。建筑面积约为 5 200m² (130m×40m) 。下沉广场层高6.3m, 采用框架结构, 基础形式为桩基。图1为项目总平面图。

　　 本工程周边地下环境较为复杂:北侧及东侧紧邻既有建筑地下室 (图3) , 且北侧存在既有建筑门头柱及其独立基础落于新增下沉广场范围内情况, 东侧存在既有建筑基础底板与新增下沉广场基础底平的情况;西侧也紧邻既有建筑地下室 (图3) , 西侧既有建筑地下两层;南侧与既有建筑地上结构紧邻、与既有建筑地下室间距约15m。

　　 为了加快施工速度, 减少对周边相邻建筑的影响, 本工程决定采用逆作法施工。

　　 新增下沉广场北、西及东侧紧邻既有建筑地下室, 不需进行支护设计。新增下沉广场南侧受到既有建筑的限制, 没有空间同时做支护和挡墙, 遂决定采用桩墙的形式^[1], 对支护和挡墙进行一体化设计。

　　 新增下沉广场南侧土壤多为杂填土, 其中掺杂大量既有建筑施工时遗留的废弃支护桩, 新做支护桩采用旋挖钻孔灌注桩。由于采用逆作法施工, 可以先施工结构顶梁板, 之后再进行土方开挖, 故新做支护桩不存在悬臂工况, 可按顶端简支设计。经计算, 支护桩直径为600mm, 长9.5m, 间距不大于1.2m。同时将桩顶冠梁和框架梁结合, 挡墙和桩间挡板结合, 最终设计成一体桩墙, 图4为桩墙做法详图。支护结构的施工顺序为:施工支护桩→施工桩顶冠梁及顶板并甩出墙体钢筋→土方开挖→施工基础底板→支护桩内侧墙体。内侧挡墙采用P20自密实抗渗混凝土, 可解决无法外包的防水问题。

　　 本工程场地平坦, 自地表以下30m厚度内的土层侧模阻力均较小, 土层参数见表1。

　　 受限于逆作法施工工艺及场地地质条件, 本项目采用一柱一桩, 桩型选择泥浆护壁钻孔灌注桩, 桩径600mm, 桩端进入持力层⑦层细砂。为提高单桩竖向抗压承载力, 弥补孔底沉渣清除不干净的缺陷, 采用桩端后注浆的方式来提高单桩竖向抗压承载力, 后注浆端阻力增强系数取β_p=2.6。根据上部荷载情况分为桩30m (非后注浆) 、桩30m (后注浆) 和桩38m (后注浆) 三种。

　　 本项目桩与柱一起灌注, 一次成型, 真正做到桩柱合一。桩、柱分界面为基础底板, 基础底板以下是桩, 基础底板标高至桩端的长度为有效桩长, 按桩设计;基础底板以上为柱, 按框架柱设计。框架柱设计考虑两个阶段的工况:在施工阶段, 结构柱为灌注桩, 承担顶板自重荷载以及顶部施工荷载;在使用阶段时, 剔除灌注桩 (图5 (a) ) 的保护层, 并以其作为芯柱, 外包钢筋混凝土后形成复合柱 (图5 (b) ) 。

　　 框架柱采用盈建科 (YJK) 软件进行计算, 在施工阶段, 计算时框架柱为直径600mm的灌注桩, 荷载仅考虑加载顶板自重及施工荷载;在使用阶段, 荷载增大为包括覆土和消防车在内的全部荷载, 框架柱增大为截面尺寸750mm×750mm的复合柱。复合柱做法相比传统钢格构柱方法, 工艺简单, 施工速度快, 且成本较低。

　　 本项目在设计框架梁、板等水平构件时, 将其兼作基坑支护的水平支撑体系, 考虑其平面内受力, 这种设计方法主要优点为:1) 新增下沉广场结构梁、板具有平面内无限刚的特点, 可使护坡桩按顶端有支撑设计, 有效控制护坡桩的长度。2) 避免了大量临时支撑的设置和拆除, 有利于节约社会资源, 同时避免了由于临时支撑的设置和拆除而导致的围护结构的二次受力和二次变形对周边环境及地下结构带来的不利影响。

　　 水平结构作为基坑的支撑时, 其作用荷载主要考虑支护结构传来的水平荷载、施工时的竖向荷载及结构自重、结构完成后使用阶段的荷载。此时需严格控制顶板开洞面积不超过其总面积的30%, 控制任何一个断面开洞宽度不超过该断面宽度的50%, 以保证楼板整体面内刚度的连续性。经计算, 地下室顶板板厚为250, 300mm, 框架梁截面尺寸为400mm×900mm。

　　 本工程北侧既有建筑物门头的4个框架柱及其独立柱基础与新增下沉广场结构冲突, 如果选择拆除重建, 将会对北侧既有建筑物的正常使用造成影响, 故选择托换方案, 保证北侧既有建筑物在施工期间可正常使用。

　　 既有建筑物门头的4个框架柱每2个为一组, 共2组, 组编号分别为:Z-1, Z-2;框架柱组Z-1, Z-2的基础组编号分别为:ZJ-1, ZJ-2。4个框架柱截面均为400mm×400mm, 柱顶标高均为4.5m;框架柱基础组ZJ-1截面尺寸为3.0m×3.0m, 框架柱基础组ZJ-2截面尺寸为3.6m×3.6m, 两组基础底标高均为 -3.0m。经计算, 框架柱组Z-1柱底内力标准值为: N=990.6kN, M_x=26.2kN·m, M_y=-13.5kN·m;框架柱组Z-2柱底内力标准值为:N=1687.1kN, M_y=27.5kN·m, M_y=23.3kN·m。

　　 经反复研讨施工方案, 最终决定对上述4个独立基础采用钢管桩进行托换, 钢管桩作为临时支撑使用。

　　 由于原独立基础厚度不满足托换要求, 故对其进行向上加厚, 在新增部分与原有基础连接处植入短筋以增强混凝土的整体性, 具体做法见图6。

　　 钢管桩截面为ϕ245×8, 桩长为21m, 选择第⑦层细砂作为桩端持力层。钢管桩钢管材质为Q345B, 连接形式为焊接。钢管桩施工工艺采用钻孔、全套管跟进护壁, 成孔直径为300mm, 钻孔至设计桩端标高后, 进行清底作业, 保证沉渣厚度满足规范要求, 之后进行二次压浆 (水泥浆的水灰比为0.5～0.65) , 灌注直至孔口全部返出新鲜水泥浆为止才停止灌浆, 应保证钢管桩外侧与土体间的空隙充满水泥浆。钢管桩设计参数详见表2。承台与钢管桩连接方案见图7。

　　 托换施工大致顺序为:开挖钢管桩施工基槽 (开挖至约-3.0m标高) →在既有基础上进行静力水钻开孔 (开孔直径400mm) →施工钢管桩→检测钢管桩 (完整性、承载力、垂直度等) →钢板封闭钢管桩并进行基础加固施工 (既有基础的凿毛、植筋、钢筋笼的安放、新增钢筋混凝土套等) →钢管桩区域土方开挖至约-6.0m标高 (进度与总施工进度一致) →施工新基础→施工新增框架柱→施工新增柱与门头柱连接 (图8) →拆除钢管桩及钢管桩上部独立基础拆除等。施工流程中典型施工阶段详见图9。

　　 新增承台以上钢管桩仅为临时托换使用, 而新增承台以下钢管桩需作为桩基使用, 故作为桩基使用的部分应满足使用年限50年的要求。

　　 在施工前应尽可能清除被托换门头部分的装饰、装修, 这样既可减少荷载也能防止施工时其坠落伤人等。

　　 本项目设计均考虑一柱一桩, 为平衡柱底弯矩, 在抗水板内设置暗梁;为便于抗水板和暗梁与柱的钢筋相连接, 在桩、柱交接处设置钢筋混凝土环梁^[2], 环梁与抗水板、暗梁一起浇筑, 图10为环梁的具体做法。

　　 本工程施工顺序如下:施工支护桩→施工结构桩及柱→进行门头柱周边土体开挖→进行门头柱的托换→开挖第一层土→施工结构顶板梁及支护桩顶冠梁→开挖结构顶板下的土体→施工环梁、暗梁及基础底板→施工复合柱及支护桩的桩墙。

　　 施工要点为:1) 场地内表层存在大量既有建筑施工时掩埋的施工废料及原支护措施等, 长螺旋有难度, 故30m和38m的桩分两次成孔, 分别采用旋挖和反循环出土。2) 施工顶板梁时, 应甩出复合柱外圈纵筋的钢筋, 便于后续施工复合柱时进行机械连接。3) 选择最外侧且上方无遮挡的位置作为出土口, 避免不必要的临时支撑。

　　 在建筑密度大、工期紧或常规开挖不能满足现场技术要求的情况下, 采用逆作法施工新思路, 能有效解决开挖难、支护难以及对周边建筑物保护等问题。较于常规顺作法施工, 逆作法施工对节点构造要求精度更高, 本项目中采用的一些思路和节点做法可以给类似工程提供参考。