順逆作結(jié)合的基坑工程設(shè)計與實踐*

宋青君

1.同濟(jì)大學(xué) 上海 200092；2.華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200002

1 基坑圍護(hù)設(shè)計

1.1 工程概況

該項目地處上海市靜安區(qū)繁華商業(yè)中心地段，主體建筑為63層塔樓和整體4層地下室。本工程基坑面積約為14 000 m2，基坑周長約480 m，基坑呈不規(guī)則方形。主樓采用片筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板厚3 500 mm，裙樓采用承臺梁板式基礎(chǔ)，承臺及基礎(chǔ)梁高約1 200 mm，底板厚900 mm，基底設(shè)置厚200 mm墊層，主樓區(qū)域基坑開挖深度19.40 m，裙樓及純地下室區(qū)域基坑周邊開挖深度17.10 m。

基坑南側(cè)鄰近市政道路，道路下方存在較多的市政管線，東側(cè)和西側(cè)為高層建筑，北側(cè)有待拆遷的居民樓，東北角有3層民宅。其中待拆遷的居民樓和3層民宅建筑年代較長，經(jīng)現(xiàn)場勘驗，房屋存在較多裂縫，對地基變形較為敏感（圖1）。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場地地貌類型屬濱海平原，場地地勢平坦，地面絕對高程為1.96～2.99 m。巖土層分布有：①填土，②黏土，③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④淤泥質(zhì)黏土，⑤1-1黏土，⑤1-2粉質(zhì)黏土，⑥粉質(zhì)黏土，⑦1f粉砂。

地下水屬潛水類型，其主要補給來源為大氣降水，水位補給隨季節(jié)變化而變化，上海市年平均高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m，勘察期間所測得的地下水靜止水位埋深一般在0.70～1.55 m之間，其相應(yīng)標(biāo)高一般在1.04～1.94 m之間。基坑圍護(hù)設(shè)計水位取水位埋深0.50 m。

圖1 工程總平面示意

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計方案選型

基坑實施前根據(jù)開挖深度、周邊環(huán)境條件等進(jìn)行了多種圍護(hù)體系設(shè)計方案的選型分析，方案一是常規(guī)的“周邊地下連續(xù)墻＋坑內(nèi)鋼筋混凝土內(nèi)支撐”的順作法方案；方案二是將工期緊、基坑面積小的主樓區(qū)先通過順作法實施，然后對主樓周邊的裙樓區(qū)采用逆作法進(jìn)行實施；方案三是采用周邊逆作結(jié)合塔樓區(qū)域設(shè)置內(nèi)支撐的方式將基坑開挖到底后，再進(jìn)行塔樓區(qū)域結(jié)構(gòu)的順作施工。將工期緊、基坑面積小的主樓區(qū)先通過順作法實施，然后對主樓周邊的裙樓區(qū)采用逆作法進(jìn)行實施[1,2]。

但工程的實際情況是：基地北側(cè)部分建筑物尚未拆除，導(dǎo)致基坑工程不能進(jìn)行整體開挖，因此必須采用分區(qū)實施的基坑工程方案；本工程中超高層塔樓的工期是控制總工期的關(guān)鍵，因此需要盡量縮短塔樓的工期。綜合以上因素，為了達(dá)到盡早開工，控制總工期的目的，最終確定了采用方案二作為本工程的基坑實施方案。避開周邊待拆遷建筑的影響，將塔樓進(jìn)行單獨圍護(hù)，盡快進(jìn)入塔樓的上部結(jié)構(gòu)施工；塔樓地下結(jié)構(gòu)完成后，根據(jù)拆遷的進(jìn)度，分塊進(jìn)行剩余區(qū)域的逆作開挖，避免設(shè)置臨時支撐，使用剛度較大的結(jié)構(gòu)樓板作為水平支撐，在滿足分塊拆遷的情況下，可以最大化地減少基坑工程實施對周邊環(huán)境的影響。

1.4 基坑支護(hù)設(shè)計總體方案

基坑周邊全部采用兩墻合一的地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為最快完成塔樓的地下結(jié)構(gòu)施工，在基坑內(nèi)部的塔樓周邊設(shè)置臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔斷，與距離塔樓較近一側(cè)的地下連續(xù)墻共同形成塔樓區(qū)域的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該區(qū)域內(nèi)采用順作法施工，設(shè)置臨時支撐，先撐后挖至基底標(biāo)高后及時澆筑基底墊層并進(jìn)行基礎(chǔ)底板的施工，再向上施工塔樓各層結(jié)構(gòu)梁板，邊施工結(jié)構(gòu)構(gòu)件邊拆撐，直至塔樓地下結(jié)構(gòu)施工結(jié)束。

塔樓進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工的同時可以進(jìn)行裙樓區(qū)域周邊地下連續(xù)墻、主體工程樁和一柱一樁的施工。塔樓地下結(jié)構(gòu)完成進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)施工后，再進(jìn)行周邊純地下室的地下結(jié)構(gòu)逆作施工。利用地下結(jié)構(gòu)梁板體系替代臨時支撐，由上到下逐層施工各層結(jié)構(gòu)梁板，其間進(jìn)行逆作區(qū)域的土方開挖工作。逆作區(qū)域與順作區(qū)域的每層結(jié)構(gòu)梁板貫通時，逐層拆除中間的臨時隔斷圍護(hù)樁。逆作區(qū)域開挖至基底后，施工基礎(chǔ)底板，完成整個地下室施工。

1.5 基坑支護(hù)設(shè)計

1.5.1 塔樓順作區(qū)域基坑支護(hù)設(shè)計

本工程塔樓區(qū)域單獨圍護(hù)，采用順作法先行施工。塔樓位于基坑的南側(cè)，單獨進(jìn)行支護(hù)設(shè)計的范圍呈矩形，周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)由南側(cè)的厚1 000 mm地下連續(xù)墻與基地內(nèi)部的臨時隔斷圍護(hù)體組成。基坑內(nèi)部臨時隔斷圍護(hù)體采用φ1 100 mm@1 300 mm鉆孔灌注排樁結(jié)合單排φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。順作區(qū)域內(nèi)部設(shè)置3道鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)（圖2）。

塔樓基坑的形狀比較規(guī)則，基坑內(nèi)部采用鋼筋混凝土對撐結(jié)合角撐的支撐布置形式。支撐平面布置中，主撐桿件避讓塔樓主要豎向結(jié)構(gòu)，使得基坑開挖到底后，可以在不拆撐的情況下進(jìn)行塔樓地下結(jié)構(gòu)的施工，進(jìn)一步加快塔樓施工速度（圖3）[3,4]。

1.5.2 純地下室逆作區(qū)域基坑支護(hù)設(shè)計

周邊純地下室區(qū)域采用逆作法施工。因現(xiàn)場拆遷的原因，逆作區(qū)域也分為3個區(qū)分別進(jìn)行逆作施工。逆作區(qū)域周邊同樣采用兩墻合一的地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。逆作法施工中利用4層結(jié)構(gòu)梁板作為支撐傳遞水平力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚800 mm的地下連續(xù)墻（圖4）。

圖2 塔樓區(qū)域圍護(hù)剖面示意

圖3 塔樓區(qū)域支撐平面布置

圖4 純地下室區(qū)域圍護(hù)剖面

逆作區(qū)域的每層結(jié)構(gòu)樓板替代臨時水平支撐，結(jié)合逆作土方開挖的需要，在樓梯間、結(jié)構(gòu)開口等位置設(shè)置出土口。地下室首層結(jié)構(gòu)樓板還需要設(shè)置逆作施工作業(yè)平臺層，滿足挖機(jī)、運土車等施工機(jī)械的作業(yè)荷載要求。各個分區(qū)的結(jié)構(gòu)樓板施工時，與已形成區(qū)域的樓板相接，開洞較大的坡道、機(jī)電用房位置需設(shè)置臨時支撐，確保水平力的有效傳遞（圖5）。

圖5 逆作區(qū)域結(jié)構(gòu)樓板平面布置

2 順逆作圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析與實測

從上文的介紹中可以看出，塔樓區(qū)域采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻和φ1 100 mm@1 300 mm的鉆孔灌注排樁，基坑內(nèi)部設(shè)置了3道鋼筋混凝土支撐體系。純地下室區(qū)域采用厚800 mm的地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)部利用4層地下結(jié)構(gòu)替代水平支撐。下面通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算、數(shù)值模擬分析以及實測3個方面對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行對比分析，了解在相同場地上不同的圍護(hù)和支撐剛度對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的不同影響[5,6]。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算

基坑圍護(hù)體的計算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土體的c、值均采用固結(jié)快剪指標(biāo)，圍護(hù)體變形、內(nèi)力計算和各項穩(wěn)定驗算均采用水土分算原則，計算中地面施工超載原則上取20 kPa。計算模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算模型主要參數(shù)

從計算模型主要參數(shù)來看，兩個區(qū)域的差異主要為圍護(hù)體和支撐的剛度差異。塔樓順作區(qū)域的圍護(hù)體剛度較大；但由于采用3道臨時支撐，而純地下室逆作區(qū)域是4層地下水平結(jié)構(gòu)替代支撐，故塔樓區(qū)域的支撐剛度較弱。

從圖6的計算結(jié)果來看，塔樓順作區(qū)域的變形較大，尤其是鉆孔灌注排樁的臨時圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大（55.20 mm）。作為場地內(nèi)部的臨時隔斷，因與周邊需要保護(hù)的建筑距離較遠(yuǎn)，所以該變形值也是可以接受的。而從2個區(qū)域的地下連續(xù)墻的變形計算結(jié)果來看，厚1 000 mm的地下連續(xù)墻結(jié)合3道臨時水平支撐的計算變形（44.10 mm）和厚800 mm的地下連續(xù)墻結(jié)合4層地下室結(jié)構(gòu)梁板的計算變形情況（43.50 mm）基本相當(dāng)。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果

2.2 數(shù)值模擬分析

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測基坑工程開挖引起鄰近建筑的附加變形，采用通用有限元分析軟件進(jìn)行基坑開挖卸荷引起鄰近建筑物附加變形的數(shù)值模擬，取典型剖面進(jìn)行計算。

有限元數(shù)值計算中土體采用Hardening-Soil等向硬化彈塑性模型，混凝土梁板、柱結(jié)構(gòu)采用彈性模型，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和地下結(jié)構(gòu)之間的相互作用。計算模型模擬了初始地應(yīng)力場、鄰近建筑對地應(yīng)力場的影響、地下連續(xù)墻的施工和被動區(qū)加固作用等影響因素，并通過單元生死模擬“主樓順作、裙樓逆作”的基坑開挖全過程，分別對基坑開挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊建筑物附加變形進(jìn)行預(yù)測分析。分析主要結(jié)果如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬分析結(jié)果

塔樓區(qū)域距離需要保護(hù)的建筑較遠(yuǎn)，基坑開挖到底時，鉆孔灌注排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形達(dá)到62.77 mm，較前面計算的結(jié)果偏大一些；此時，鄰近房屋的計算變形非常小。逆作區(qū)域地下連續(xù)墻的變形較計算結(jié)果相差較大。純地下室區(qū)域逆作開挖后，由于水平結(jié)構(gòu)樓板的剛度很大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形只有39.51 mm，此時鄰近建筑的最大水平變形為19.87 mm，最大沉降量為22.89 mm。支撐道數(shù)和剛度的差異在數(shù)值模擬分析中對圍護(hù)體變形的影響顯著，逆作法進(jìn)行基坑工程開挖，對于控制環(huán)境影響作用明顯。

2.3 工程實測結(jié)果與分析

本基坑工程開挖深度深、面積大，環(huán)境保護(hù)要求高，施工難度較大。整個基坑工程分區(qū)較多，塔樓順作區(qū)域從基坑開挖到地下室結(jié)構(gòu)形成歷時175 d；純地下室逆作區(qū)域（一個分區(qū)）從基坑開挖到基礎(chǔ)底板形成歷時189 d。實踐證明本工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理而且有效的，為地下工程的順利實施創(chuàng)造了有利條件。基坑開挖前布置的各個監(jiān)測測點記錄了基坑開挖過程中開挖、架撐、換撐以及拆撐等主要工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化。各個工況概述如表2所示。

表2 基坑工程工況

總體來說，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實測變形均較理論計算值大，變形的規(guī)律與理論計算也吻合。通過信息化的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定可靠的；環(huán)境監(jiān)測真實準(zhǔn)確地反映了實際的變形情況，及時提出預(yù)警，并采取了有效措施確保保護(hù)對象的正常使用。總體上，本工程的設(shè)計是合理的，為地下工程的順利實施創(chuàng)造了條件，同時整個開挖階段并未影響周邊道路、市政管線以及建筑物的正常使用。

從計算結(jié)果可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形基本與計算得出的變形形式吻合。隨著土方開挖的不斷進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形位置也不斷下降。開挖到基底以后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在基底附近。

塔樓順作區(qū)域支撐剛度相對較弱，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值普遍都在60 mm以上，其中地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移為63.70 mm，鉆孔灌注排樁最大側(cè)向位移為64.40 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要產(chǎn)生在開挖階段，而在基礎(chǔ)底板形成后的拆撐工況中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移基本穩(wěn)定。純地下室逆作區(qū)域地下連續(xù)墻的最大側(cè)向位移為48.50 mm，較塔樓順作區(qū)域小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值隨開挖深度的變化較為明顯，最大側(cè)向變形的深度逐步加深（圖8）。

3 結(jié)語

順作法和逆作法作為基坑工程實施中主要采用的設(shè)計方案，其各自的特點較為突出。結(jié)合工程的實際情況將二者結(jié)合，能夠更好地滿足對于不同工期、工程量以及環(huán)境保護(hù)的要求[7,8]。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移

本工程基坑面積較大，周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，塔樓工期緊張，但場地內(nèi)部分建筑尚未完成拆遷。為加快塔樓施工速度，將塔樓區(qū)域單獨圍護(hù)，采用順作法開挖基坑和進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工。臨時圍護(hù)位于用地范圍以內(nèi)，且與需要保護(hù)的周邊建筑拉開了距離，因此順作基坑的環(huán)境保護(hù)要求可適當(dāng)放松；塔樓基坑實施期間，周邊區(qū)域可提供充分的施工場地。周邊地下室區(qū)域分區(qū)進(jìn)行逆作施工，利用逆作結(jié)構(gòu)樓板替代臨時支撐與已經(jīng)形成的塔樓地下樓板連接，支撐剛度大，更有利于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

通過合理分析工程特點、充分利用順作法和逆作法方案的優(yōu)勢，相互結(jié)合，可以協(xié)調(diào)工程工期控制、工程量控制以及環(huán)境影響控制等幾方面的不同要求，為城市地下空間的開發(fā)創(chuàng)造更為有利的條件。