異形結(jié)構(gòu)框架逆作結(jié)合臨時圍護的研究與應用

李偉強

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433; 2. 上海市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

隨著逆作法理論的成熟和工程經(jīng)驗的不斷積累，其應用范圍也越來越廣，并逐漸發(fā)展和形成了與傳統(tǒng)逆作法不同的新型半逆作法技術(shù)——框架逆作法。框架逆作法施工主要原理為：將樓蓋混凝土分2次澆筑，第1次澆筑樓蓋的肋梁部分，使之與邊梁一起組成平面正交的交叉梁系[1]，形成水平框架內(nèi)支撐，其下的土方開挖變成半開敞式，可利用框架中間的空間進行上下運輸。在地下室底板完成后，采用疊合梁澆筑工藝逐漸封閉樓板并向上順作主體結(jié)構(gòu)。

1 深大基坑逆作施工面臨的問題

在施工空間不足和工期緊迫的工程中，地上和地下結(jié)構(gòu)的同步施工可以縮短工期，梁板體系支撐剛度可以有效控制圍護結(jié)構(gòu)和土體的變形，有利于對復雜環(huán)境的變形控制，然而傳統(tǒng)的逆作法施工也有一定的缺陷。

1.1 土方和混凝土工作量大，支撐體系形成慢

逆作體系由于剛度大，往往整坑進行開挖，但是在大面積基坑的施工中，大量的土方開挖和地下結(jié)構(gòu)混凝土梁板體系澆筑，使得樓板支撐體系形成較慢，時空效應日益顯著，不利于復雜周邊環(huán)境的保護。

1.2 挖土作業(yè)空間少，不利于規(guī)模化施工

逆作法的施工效率取決于取土口的留設數(shù)量，洞口間距在25～30 m之間，蓋板區(qū)域仍需要小挖機翻運土方，由于四周立柱的阻擋，故出土效率低，不利于大規(guī)模施工。

1.3 大量采用短排架作為模板支撐，利用率低

逆作開挖時一般超挖2 m，保持樓板下有一人高的操作距離安裝模板和排架支撐，但由于高度限制，排架體系只能采用定制的短排架體系，后期挖土時部分排架也會被破壞而無法回收，周轉(zhuǎn)利用率比較低。

1.4 通風和采光不足，存在人員安全風險

在樓蓋下進行施工，下部空氣流通較慢，由于施工機械的尾氣排放聚集，不利于施工人員身心健康。樓板的遮擋也使下部采光出現(xiàn)困難，雖有照明系統(tǒng)但仍舊會有死角，取土口位置大型機械操作也存在視線盲區(qū)，對施工人員存在一定的安全隱患。

2 框架逆作相對傳統(tǒng)逆作法的優(yōu)勢

采用肋梁代替臨時支撐，在薄弱部位布置樓板，根據(jù)梁的布置預留出土孔形成框架支撐體系，盡管樓板二次澆筑，存在整體性問題，但該工藝顯著地加快工期，提高了經(jīng)濟效益[2]。

2.1 支撐體系形成快，有利于環(huán)境保護

在相同條件下，采用框架逆作，位移控制的效果很明顯，此外樓板框架支撐完成后，由于剛度較大，后續(xù)開挖引起的基坑位移較小[3]。同時由于減少了樓板體系的澆筑量，支撐工作量相對較少，無需大量短排架及模板搭設工作，支撐形成速度快，位移控制的效果更為明顯。

2.2 取土口多而不集中，挖土高效

框架逆作大量使用地下室主梁作為支撐體系，支撐開間有8.5～9.0 m，取土口多且不集中，出土效率高，通風采光充足，通暢的視野也便于挖機觀察下方情況，在局部位置設置大取土口，在滿足材料垂直運輸?shù)耐瑫r加快土方集中出土速度。

2.3 逆作結(jié)構(gòu)少，豎向結(jié)構(gòu)縫留設少

逆作中豎向結(jié)構(gòu)縫留設及結(jié)構(gòu)二次澆筑一直是難題，雖然目前有多種工藝針對施工縫進行補強，但結(jié)構(gòu)順作仍被主流所認可。采用框架逆作后，雖然疊合梁和樓板采用二次澆筑工藝，但該部位采用順作工藝，能夠保證整體效果。大量樓板的后作也減少樓板下方剪力墻、人防墻等逆作構(gòu)件的數(shù)量，豎向結(jié)構(gòu)的二次處理量相對也減少[4]。

3 工程應用

3.1 工程概況

上海某商業(yè)綜合體，地下建筑面積129 700 m2，由2個地塊及1個地下通道組成（圖1），整體設置2層地下室，每層層高6 m，基坑面積達到80 000 m2，開挖深度11.7 m，局部貼邊深坑落深3 m。基坑東側(cè)為已建道路，北側(cè)及南側(cè)為2條河道，東側(cè)河道側(cè)有2座橋梁引橋貼近基坑，最近處距離地下室邊線僅3 m。

經(jīng)環(huán)境調(diào)查，東側(cè)橋梁引橋段兩側(cè)采用重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，中間道路為填土層，道路下埋藏有大量市政管線，該道路的構(gòu)造對于地基變形異常敏感，需要重點保護。在施工勘察中發(fā)現(xiàn)部分位置擋土墻的墻趾進入紅線內(nèi)部1.1 m，距離外墻不足3 m，已影響圍護施工。

圖1 基地平面

基坑西側(cè)為已建商業(yè)，河道位置采用漿砌塊石作為河岸結(jié)構(gòu)，基坑開挖也易引起河岸開裂。

3.2 地質(zhì)概況

本工程地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面

場地北側(cè)及東側(cè)分布有⑤2層灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層，該層具有一定的承壓性，根據(jù)驗算，局部深坑抗突涌能力不滿足要求。另外，場地大部分位于古河道區(qū)，缺失第⑥層及第⑦層，立柱等承重構(gòu)件承載力較差，對于豎向構(gòu)件的變形控制較為不利。

基坑開挖范圍及底部位于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層，以下為④層淤泥質(zhì)黏土層，這兩層土厚度達9～10 m，物理力學指標較差，具有含水量高、孔隙比大、強度低、靈敏度高的特點，基坑開挖時易產(chǎn)生蠕變和剪切破壞，導致圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，坑底易產(chǎn)生回彈隆起，有明顯的流變性，對于基坑位移控制較為不利。

針對這些問題，在基坑圍護方案設計時，必須充分考慮到工程地質(zhì)條件因素的影響，滿足基坑自身及周邊環(huán)境的安全性要求。

3.3 基坑難特點分析

1）基坑面積達到80 000 m2，開挖深度將近12 m，根據(jù)軟土地區(qū)施工經(jīng)驗，單個基坑面積建議控制在25 000 ～30 000 m2之間，利于基坑安全，也較易控制基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。按此要求勢必要劃分成3～4個基坑，無法滿足業(yè)主開發(fā)進度要求，大量分隔墻的設置也大大增加了工程造價。

2）基坑東側(cè)與西側(cè)均有保護對象，且對地基變形較為敏感，東側(cè)引橋擋土墻墻趾已進入紅線并與外墻不足3 m。如何控制大面積基坑開挖所引起的側(cè)向變形和沉降是本工程的重點之一。

3）二期與三期地下室間為地下連通道，由于位于市政道路下，頂板需覆土4 m，在層高要求下該區(qū)域為地下1層結(jié)構(gòu)（通道中間30 m設置夾層），層高8 m，樓板為下凹折板，這樣的結(jié)構(gòu)設計加大了換撐高度，不利于變形控制。

綜上所述，常規(guī)的基坑設計無法滿足本工程“大基坑、小變形、工期短、控造價”的要求，逆作法強大的剛度可很好地控制大面積基坑的側(cè)向變形，在此基礎上選擇框架逆作法，解決傳統(tǒng)逆作取土慢和采光通風問題，在12 m挖深條件下圍護結(jié)構(gòu)采用排樁體系可大大降低造價，進一步提升框架逆作法優(yōu)勢，滿足業(yè)主對于工程的需求。

3.4 框架支撐體系內(nèi)力分析

將地下室梁板中的梁系改為疊合梁，并作為支撐體系，減小了梁結(jié)構(gòu)的有效截面，在大面積基坑中其剛度相對較弱，考慮將原建筑的消防通道樓板作為挖土平臺，增加板的側(cè)向剛度既可以大大增加支撐剛度，也可以解決挖土問題。

模型中采用空間梁板單元來模擬逆作樓板，板采用4節(jié)點板單元，圍檁、結(jié)構(gòu)疊合梁、臨時支撐等均采用2節(jié)點梁單元，模型中考慮了室內(nèi)外標高差，在實際樁位處建立鋼立柱模型，柱底端施加位移約束（圖3）。在水平圍壓計算下，受力最大的B1層水平變形為15.9 mm，梁板應力在10.7 MPa以下，滿足環(huán)境保護及自身安全要求。

在號房與室外地坪等高差處，存在1.5 m高差，在一般逆作中需采用梁板同時加腋的措施，但由于建筑要求加腋角度不得大于60°，疊合梁截面由于削弱，導致高低差處受彎剪扭等作用下應力更為集中，鑒于此，在設計中對該處進行特別處理，內(nèi)外加腋同時分散周邊水平力的傳遞，建模計算（圖4）后該處應力在14 MPa內(nèi)，滿足強度要求。

圖3 整體模型應力

圖4 疊合梁錯層應力

3.5 框架逆作設計與施工關(guān)鍵技術(shù)

3.5.1 臨時圍護體系與逆作框架體系連接技術(shù)

常規(guī)逆作多采用地下連續(xù)墻作為圍護體系，但在12 m的挖深情況下采用排樁體系經(jīng)濟性更優(yōu)，但排樁與框架逆作之間的連接節(jié)點需要特別設計。

考慮結(jié)構(gòu)外墻支模空間，以及B1板圍檁所占空間，排樁與外墻間保持至少1.6 m凈距[5]。在3道以上支撐情況下，首道支撐可能出現(xiàn)受拉工況，故首層結(jié)構(gòu)與排樁之間建議選用剛接形式，也便于施工出入口的布置。排樁壓頂梁與逆作框架梁間采用混凝土短梁連接，防止首層結(jié)構(gòu)在受拉工況下而產(chǎn)生脫離，此外應在外墻處預留圈梁，設置下掛止水鋼板及外墻插筋，以便于與順作外墻進行連接。

下層結(jié)構(gòu)與排樁的連接采用型鋼，既可進行水平力傳遞，也可在型鋼處焊接止水鋼板進行防水處理。在正交梁系中可在主次梁內(nèi)埋入型鋼，但多數(shù)情況下梁系為不規(guī)則體系，此時可在外墻邊跨1/3處設置內(nèi)環(huán)梁，環(huán)梁處安裝型鋼，型鋼間距不小于1/3柱距。在深度逐步加深情況下，型鋼的應力可能超出許用應力，加密型鋼間距會造成穿墻節(jié)點過密不利于施工，可采用型鋼與臨時換撐板相結(jié)合的方案，即在型鋼間根據(jù)受力需要設置一定寬度的臨時混凝土板，臨時板的標高避開主體結(jié)構(gòu)樓板的主筋，在底板澆筑完成后，拆除臨時板帶，型鋼處在施工外墻時焊接止水環(huán)片，進行外墻順作[5]。

3.5.2 相鄰基坑高低跨順逆同步建造技術(shù)

二期與三期工程先后開工，存在半年左右的時間差，在地下通道位置為折板且僅一層樓板，故無法逆作；另外，二期、三期號房位置與地下通道存在高差，高低跨位置存在應力集中問題，且順作工藝具有支撐間距大、單根受力大等特點，無法采用逆作時的大量加腋來解決水平傳力問題。

因此，本工程的關(guān)鍵點在于如何解決二期、三期與地下通道順逆同步建造的問題，保證工程整體施工速度。

1）工況調(diào)整，保證同步建造。由于先后進行建設，三期無法給二期提供有效的水平力傳遞體系，土方的開挖造成二期土壓力不平衡，引起結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，對工程安全不利。相鄰基坑實踐證明，3倍開挖深度外的兩基坑間基本無影響，考慮到地下通道順作工藝簡單，工期短，可將其作為有效的緩沖地帶，留出寬30 m土體作為反壓土，剩余區(qū)域的三期及地下通道區(qū)域繼續(xù)進行施工，并考慮盆式開挖至B1層后順作部分B1及B0層，縮短工期，形成后靠后，加快與二期連接，同步開挖地下通道位置土方。

2）先期逆作結(jié)構(gòu)與后期順作連接及錯層處理。二期逆作時需要考慮地下通道順作體系的連接，常規(guī)預留插筋即可，但是高1.5 m錯層本身就對首層樓板及壓頂梁存在較大的彎矩、扭矩，在留設插筋時挖除后靠土方減少支點后該力進一步加大，在此位置需要考2種工況：二期留設插筋時水平力有效傳遞至地面；二期與地下通道同步施工時順作支撐與逆作結(jié)構(gòu)錯層位置力的有效過渡。設計采用壓頂梁設置后靠牛腿兼作順作支撐加腋的方式（圖5），在牛腿內(nèi)留設相鄰結(jié)構(gòu)梁板鋼筋，后期進行連接，不僅達到傳力的目的，還可在前期就對順作基坑支撐梁進行加腋處理，保證2種工況下力的有效傳遞，順利實施順逆同步建造。

3.5.3 大層高不加撐條件下圍護樁變形及內(nèi)力控制技術(shù)

圖5 順逆錯層節(jié)點

本工程層高較高，B1層至基底為7 m，深坑處達到8.2～8.5 m，使得排樁體系在B1層至基底的跨度太大，這樣的支點布置顯然不合理，加大了對排樁體系內(nèi)力及變形控制的難度。

圍護排樁的內(nèi)力及變形受制于圍護的剛度，但隨著圍護剛度增大至一定值后，其內(nèi)力及變形主要受到支點剛度、入土深度、被動區(qū)土體強度及基坑開挖施工等因素的影響。

考慮軟土地區(qū)樁基施工因素，排樁直徑宜控制在約1 m，同時為減小內(nèi)力及變形，B1層型鋼結(jié)合混凝土板帶的設計增加了支點剛度，并對被動區(qū)土體進行改良，增加土體剛度，減小內(nèi)力及變形。在變形要求高的區(qū)域，設置寬10 m加筋墊層，增加一個弱支點，提高圍護抗變形能力。

3.5.4 框架疊合梁錯層處理技術(shù)

建筑覆土及室內(nèi)外地坪的設計，常常導致水平樓板出現(xiàn)錯層，對結(jié)構(gòu)的傳力十分不利，尤其是框架逆作中的疊合梁體系，截面削弱且在彎剪扭復合應力下導致梁應力不滿足受力要求，框架支撐的大開間導致單根梁的軸力相對較大，相對傳統(tǒng)梁板傳力更為不利。在錯層位置傳統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)主梁進行加腋處理，角度一般選擇1∶2～1∶1，但這種加腋方式對于后期建筑覆土層以下管道埋設不利。在框架逆作工藝下，加腋可采用小角度方式，加腋高度小于錯層高度的一半，角度選擇45°～60°，以盡量減少對建筑的影響。對于疊合梁部位的錯層，采用加腋對應力集中部位進行加強（圖8），在軸力較大位置采用添加臨時支撐體系分散受力，減小疊合梁的水平軸力，以減小其受彎剪扭的作用。

4 工程實施效果

本工程從開挖至筑底歷時約6個月，從圍護側(cè)向變形歷時曲線可看出最大位移點隨著開挖深度的增大而下移，并均處于基坑開挖面的附近，開挖至基底時，最大側(cè)向位移為30.5 mm（圖9），變形規(guī)律與一般順作方法一致。根據(jù)文獻資料：混凝土支撐的排樁圍護（順作）最大側(cè)移平均值為0.46%H（H為挖深），傳統(tǒng)逆作法施工的連續(xù)墻圍護最大側(cè)移平均值為0.26%H[5]。本項目樁體最大側(cè)向位移為0.27%H，介于0.26%H與0.46%H之間，證明在軟土地區(qū)超大面積基坑一次性整體施工中，采用框架逆作工藝可很好地控制基坑側(cè)向位移，在大面積基坑中，其仍具有較大的水平剛度，從實際施工情況及監(jiān)測結(jié)果來看，環(huán)境保護效果顯著。

圖9 圍護側(cè)向變形歷時曲線

5 結(jié)語

1）軟土地區(qū)大面積基坑開挖采用框架逆作工藝，將地下室結(jié)構(gòu)梁板轉(zhuǎn)換為疊合梁體系，結(jié)合消防通道等作為挖土平臺，相對傳統(tǒng)支撐體系剛度大，可很好地控制圍護側(cè)向變形，保護周邊環(huán)境安全。

2）框架逆作工藝在開挖階段混凝土澆筑量小，支撐體系形成快，大開間下土方開挖效率高，材料吊裝方便，同時改進了傳統(tǒng)逆作工藝采光及通風等問題，保證了工作人員在地下空間施工的安全。

3）地下室大層高情況下，加大圍護樁徑并非最經(jīng)濟有效的方法，可結(jié)合采用增加環(huán)邊框架梁體系剛度、被動區(qū)地基改良及加筋墊層等方式，控制圍護體系內(nèi)力及變形。

4）相鄰基坑高低跨順逆施工中，根據(jù)相鄰基坑影響范圍調(diào)整施工工況，保證逆作區(qū)施工，同時在高低跨位置預先設置牛腿兼加腋措施，保證逆作基坑高跨的后靠穩(wěn)定，也保證后期順逆結(jié)合部位水平力的有效過渡。

5）根據(jù)本工程監(jiān)測結(jié)果及相似案例，框架逆作法的變形控制效果優(yōu)于順作法，略差于傳統(tǒng)逆作法[6]，適用于正交結(jié)構(gòu)與異形結(jié)構(gòu)體系，為大面積基坑結(jié)構(gòu)逆作施工提供了新的思路。

[1] 劉征,羅志琪.超大型深基坑半逆作法設計與實踐[J].巖土工程學 報,2012,11(34):507-511.

[2] 褚峰.大型地下空間框架逆作法的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].山西建筑, 2013,22(39):49-50.

[3] 羅發(fā)揚,賈堅.軟土地區(qū)地鐵車站深基坑開挖中框架逆作法的設計 與應用[J].建筑結(jié)構(gòu),2008,38(9):82-84.

[4] 王衛(wèi)東,翁其平,胡玉銀.新型逆作法結(jié)構(gòu)型式的設計與應用[J].巖 土工程學報,2006,28(增刊1):1546-1551.

[5] 徐中華.上海地區(qū)支護結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形 性狀研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[6] 柏挺,李鏡培,丁鼎,等.框架逆作的超大基坑監(jiān)測分析[J].巖土工程 學報,2012,8(6):1302-1309.