深大基坑逆梁順板施工及其變形控制研究

趙興波

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

隨著高層超高層建筑、大型綜合體建筑與地下空間建設的高度結合，基坑工程越發呈現出開挖面積大且開挖深度深、施工環境及地質復雜、變形控制難度高、施工工期緊張等特點[1]，給基坑工程的施工帶來了越來越嚴峻的考驗。

目前，基坑工程施工主要包括順作法和逆作法。單獨采用這些方法，存在施工效率和變形控制的矛盾：順作法施工速度快，但材料耗費多、環境擾動大、不利于變形控制；逆作法節省材料、環境擾動小，但施工速度慢且作業環境差[2]。同時，隨著基礎底板工程體量和厚度的不斷增大，最下面一道支撐不可避免地位于底板內，給底板回筑換撐施工帶來了挑戰。因此，迫切需要開展一種工期短、對環境擾動影響小的新型基坑施工技術研究。

本文嘗試探索一種新型深大基坑施工工藝以及施工變形控制技術方法，以解決現有基坑施工方法存在的施工效率與施工擾動變形控制的矛盾。

1 逆梁順板施工工藝及原理

1.1 施工工藝

基坑工程逆梁順板施工方法的核心為探索順作法與逆作法施工工藝的最優組合，即采用永久結構兼作支撐并將最下一道逆作梁內嵌入超厚底板（圖1），其工藝流程可概括為：

圖1 基坑工程逆梁順板結構示意

1）開挖第1層土方，施工首層逆作結構梁。

2）逐層開挖土方，施工各層逆作結構梁。

3）逆作局部底板結構，形成底板逆作梁。

4）開挖至坑底，底板回筑，底層逆作梁內嵌施工。

5）底板完成后，順作地下最后一層的樓板。

6）依次順作施工地下各層樓板。

逆作結構梁澆筑分區（圖2）及施工順序為：先逆作施工并澆筑梁L1區，形成基坑臨時支撐；在底板完成后[3-4]，再澆筑梁L2、板B1及B2區，通過施工L1區時預留的梁箍筋將L1區與L2區有機結合。

圖2 逆作結構梁澆筑分區

對于超厚基礎底板工程，則先行逆作局部底板結構形成底板逆作梁式混凝土支撐〔圖3（a）〕，并在底板回筑過程中將該支撐“握裹”在后澆底板中〔圖3（b）〕。

圖3 超厚基礎底板施工示意

1.2 工藝原理

1.2.1 支護結構荷載傳遞原理

樓板及底板順作施工前，逆作結構梁與底板逆作梁主要承受圍護結構傳遞的水土壓力和差異變形產生的附加內力，增加了支護結構的穩定性。后澆底板施工后，底板逆作梁與后澆底板之間形成內嵌式疊合協同工作面；樓板施工后，除這些荷載外，逆作結構梁尚需承受樓板及使用荷載等豎向荷載。

1.2.2 底板澆筑熱傳導原理

后澆底板大體積混凝土澆筑過程中，不斷水化升溫，把熱傳導給逆作梁，逆作梁因而被動升溫（其升溫幅度和速度均小于后澆底板）。由于逆作梁的存在，影響了后澆底板溫度場的分布，故后澆底板升溫幅度有所降低，距支撐越近溫升越小（圖4），通常其影響范圍約0.6 m。所提出的施工方法，有利于底板大體積混凝土澆筑的水化熱控制。

圖4 新老混凝土溫度及其溫差發展曲線

1.3 工藝優勢

與傳統基坑施工工藝相比，逆梁順板工藝利用永久結構梁作為支護體系，免除了建造及拆除臨時支撐的繁雜工作，節省了材料及人工；能提供通風照明狀況良好的地下施工作業空間，具備明挖作業環境，節約了工程工期；支撐內嵌超厚基礎底板的工藝無需進行墊層加厚或拆撐施工，工序簡單且經濟安全，有效地解決了順作施工耗材量大及施工環境擾動大、逆作施工作業環境差及出土效率低的問題。

2 逆梁順板施工變形控制技術

2.1 支護設計技術

2.1.1 基坑工程逆梁順板支護設計的總體原則

應充分考慮結構梁兼具臨時支護結構和永久結構的受力特點，使其既能滿足支撐承載能力的要求，同時又能保證施工完成后正常使用的需要。支護結構整體剛度變化對圍護結構及周邊環境的影響也應予以重視，必要時可采用局部加強處理。逆作梁形成后、土方開挖前，時變變形主要以收縮變形為主；土方開挖后，時變變形主要以彈性變形和徐變變形為主。

2.1.2 超大型多塔樓基坑工程支護設計

可通過分區支護、分區開挖、局部增設臨時桁架支撐或環撐的方式為主樓先行創造條件，從而控制施工變形（圖5）[4]。

圖5 基坑分區支護設計案例

2.1.3 后澆樓板裂縫控制設計

可通過設計一次澆筑長度和配筋率控制后澆樓板裂縫。試驗及計算表明，一次性澆筑長度越長，收縮應力越大[5]；配筋率越大，混凝土收縮越小（圖6，圖中C30-0f至C30-3f配筋率依次增大），樓板的設計配筋率建議為1%左右，該配筋率可使收縮變形減小約20%。

圖6 不同配筋率下混凝土收縮變形曲線

2.2 材料優化設計技術

采用高品質骨料、復合膠凝材料及高性能摻加劑進行混凝土配合比設計，減小混凝土收縮和徐變，提高其彈性模量，從根源上控制逆作梁的時變變形。為研發弱時變效應混凝土，開展了大量混凝土收縮、彈性模量、徐變性能試驗。由試驗結果（圖7）可見，與普通混凝土相比，所研制的弱時變效應補償收縮混凝土的彈性模量同比增長15%以上，收縮同比降低30%以上，徐變系數降低50%以上。

圖7 弱時變效應混凝土構件性能試驗結果

2.3 分區分段施工方法

2.3.1 分區分段施工

逆作結構梁分段長度原則上為30 m，后澆樓板的分塊長度不宜大于50 m，并在合攏段與后澆段采用補償收縮混凝土，從而減少了混凝土支撐承載前的時變變形，避免支撐在澆筑合攏過程中的剛度損失。

2.3.2 施工質量控制

為保證新老混凝土的結合質量，對疊合面采用鑿毛的方式進行處理；逆作梁間隔布設振搗孔，便于其下部混凝土的振搗；通過新老混凝土疊合面節點的施工，提高基礎底板與內嵌支撐新老混凝土的結合和防水抗滲能力。底板逆作梁應確保底板鋼筋的連續性[6]，避免由于施工偏差引起結構的差異變形。

2.4 施工變形監控技術

為控制施工變形，研發逆作梁軸向變形主動補償蓄能及隨動控制裝置。裝置由液壓系統和蓄能機構組成，當超長逆作梁產生微小變形時，由蓄能機構進行變形補償；當變形較大時，由液壓系統進行變形補償，并給蓄能機構蓄能。該裝置采用主動補償和蓄能相結合的方式，避免了液壓系統頻繁工作，能達到對逆作梁變形補償的理想控制，可根據變形控制需要將裝置布置在支撐兩端或中部。此外，研發了新老混凝土結合面錯動差異變形監測設備，可用于監測底板逆作梁與后澆底板間疊合面滑動差異變形。

3 工程應用

將深大基坑逆梁順板施工工藝應用于上海陸家嘴世紀金融廣場深大基坑工程，該工程基坑面積為46 000 m2，開挖深度為13.6～14.2 m。應用結果表明，與傳統工藝相比，建筑垃圾減少約30 000 m3，逆作土方施工效率提高40%，地下結構總工期縮短30%。

將所提出的施工工藝及施工變形控制技術應用于寧波環球航運廣場工程，基坑最大開挖深度為19.5 m，底板厚度為5 m。由支撐與底板位移監測結果（圖8）、新老混凝土結合面錯動應變的計算和監測結果（圖9）可見，底板澆筑7 d后，底板逆作梁與后澆底板間疊合面滑動差異變形逐漸減小并趨于穩定，應變最終穩定在80 με 左右，可見逆作梁與底板達到了協同作用。應用結果表明，采用所提出的工藝和技術可縮減底板施工工期20%，節約了大量的工程材料，減小了基坑變形和底板水化熱。

圖8 支撐與底板位移監測結果

圖9 新老混凝土結合面錯動應變

4 結語

1）探索了采用永久結構兼作支撐并將最下一道逆作梁內嵌入超厚底板的深大基坑施工逆梁順板施工工藝，揭示了新型支護結構的荷載傳遞原理和底板澆筑熱傳導規律。

2）提出了深大基坑中的逆梁順板施工變形控制技術，主要包括：考慮臨時與永久結構協同變形的逆作梁混凝土支撐及超厚基礎底板設計、弱時變效應混凝土配合比優化設計、分區分段施工及質量控制、施工變形監控技術等。

3）將逆梁順板工藝及變形控制技術方法應用于上海陸家嘴世紀金融廣場、上海靜安大中里和寧波環球航運廣場等工程。應用結果表明，所提出的工藝及技術顯著縮短了基坑施工工期和減小了基坑變形，確保了基坑的安全穩定和高效施工。