高層建筑深基坑工程順逆作法施工技術研究

徐福

南京市公共工程建設中心 江蘇 南京 210000

深基坑開挖支護是一項具有時代特征的傳統巖土工程學科，主要涉及基坑支護強度和穩定性、土體和支護體的位移和變形問題，基坑內外支護土體與結構基坑內外支護土體結構的相互作用、基坑保護工程周圍的自然環境巖土保護，及其他基坑巖土保護工程中的問題。深基坑建設工程項目具有建設技術難度大、工程量大、不可持續預見風險因素多等幾大特點，具有很強的工程實用性和技術可操作性。目前，深水井基坑開挖工程仍主要采用基于傳統土方的壓力計算理論，和工程經驗分析比較法，尚未完全形成統一的工程理論體系和系統計算分析方法[1]。因此，根據不同的自然地質環境條件和不同深基坑建筑工程的應用特點，本文對此進行了深入的理論探索和深入研究，并充分運用現代科學的設計理論指導建筑設計和工程施工，以有效保證深基坑建筑工程的設計穩定性、有效性和使用經濟性。

1 逆作法概述

所謂逆作法，是指在建筑邊坡工程施工中由上而下分階開挖及支護的施工方法。首先，沿著建筑物地下室周圍的軸線建造密排樁或地下連續墻，以形成地下室的外圍保護系統。然后，在建筑物內建造中間支撐柱或樁，形成垂直支承系統。然后，自上而下開挖，澆筑地下層梁板結構，養護到一定強度后，作為剛度大的水平支撐體系，然后逐步向下施工。同時，由于地下室的頂部結構已經完成，且有足夠的工作面來建造上部結構，因此，可以同時進行地上結構和地下結構的施工，有利于縮短工期，直至工程竣工。與傳統的施工工藝相比，深基坑逆作法施工技術具有以下特點：

(1) 采用深基坑自頂向下施工技術進行地下工程，可以大大縮短施工工期，使建筑物盡快出現在地面上，然后在澆注分層樓板后，將地下工程與地面工程同時進行。

(2) 深基坑逆作法施工通過地下連續墻的承重、支護、留樁作用，使地下室和地下連續墻的中間層形成穩固的整體，簡化了深基坑支護的施工過程和主體工程的空間開挖，節省了大量的建設成本。

(3) 采用深基坑逆作法施工技術可以有效地避免基坑變形，減少對周圍建筑物的影響系數，避免周圍建筑物沉降。同時，地下室結構的剛度遠高于傳統施工中使用的臨時支撐，從而緩解了地下連續墻的壓力。此外，地下連續墻結構減少了傳統支撐柱的跨度，避免了底板的凸起，并有助于緩解地下管道和道路的沉降。

(4) 采用自上而下的施工工藝也可避免受風雨影響，土方開挖不會占用太多工期。這是因為一層結構面可作為后續施工作業的平臺，無需架設開挖作業面或內部支護施工，大大降低了支護結構和工作平臺的施工成本。但在施工和使用過程中容易受到多種因素的影響，進一步降低了施工技術應用的效果值。因此，相關施工人員應從實際出發，即在高層建筑地下室逆作法施工技術局限性明顯的情況下，找出最優控制的方法和策略。

2 高層建筑基坑工程順逆作法施工的優勢

為了能夠更好的保證基坑變形、土體位移、圍護結構受力變形等一些相關的規范要求，充分運用水平梁板的支撐來取代臨時的支撐深基坑工程項目，在原來所設計的支護條件之下運用坑式開挖法針對相關的施工方案開展施工。由于高層建筑工程具有很大的特殊性，自頂向下法也是一項復雜的技術，但從施工效果來看，它顯示出許多優點。

2.1 為縮短工期，增加場地面積

順逆作法可加快建筑地面的出現時間，縮短相應的施工周期。在邊界層底板位置澆筑后，邊界層底板可作為施工場地，可向上或向下施工。對于具有多層地下室的高層建筑，如果采用傳統的施工方式，總施工周期為地下結構施工周期加上地上結構施工周期，加上裝修施工期等，但施工采用自上而下的施工方式。一般情況下，只有地下樓層占絕對工期，其他地下室可與地上結構同時施工，不考慮絕對工期，縮短了本工程總工期。

2.2 臨時支護結構與永久性結構有效結合

地下連續墻在施工過程中可以起到擋土、承重的作用，整個地下室相應的樓層和地下連續墻可以連接在一起，形成一個整體。同時，在深基坑支護與主體工程之間的施工空間中不需要土方開挖，減少了土體變形，提高了應力。“逆作法”是將地下室結構逐層澆筑，作為周圍支撐結構地下連續墻的內支撐。由于基底結構的剛度遠遠大于臨時支撐物，因此隔膜壁在側向壓力下的變形較小。另外，由于中間支撐柱的存在，底板的支撐點增加，澆注后的底板成為多跨連續板結構，與沒有中間支撐柱的情況相比，跨度減小，從而減少了底板的凸起。因此，“自上而下法”可以減少基坑的變形，減少鄰近建筑物、道路和地下管道的沉降，確保施工過程中的正常使用。

2.3 確保施工現場附近建筑物的安全

順逆作法中的每一層都能連續支撐地下連續墻，結構的變形將變得非常小。深基坑主結構施工過程中會漏水，因此，地下連續墻外的土體不會受到干擾，因此，地下室對土方開挖過程中鄰近建筑物的地基沉降沒有影響。鋼筋混凝土樓板應滿足抗浮性施工的要求。采用傳統施工方法時，底板澆筑后浮力造成的支點少，跨度大，彎矩大。有時在施工中需要增加底板厚度或加固底板鋼筋，以滿足抗浮要求。但地下、地上結構施工完成，上部載荷通過后，混凝土加厚滿足抗浮要求，在底板上作為自重載荷，使底板設計不合理。采用“自上而下”結構，地板支點增大，跨度減小，更容易滿足抗浮要求，甚至減少了地板的加固，使地板的結構設計較為合理。對于埋深較大的多層地下室，如果采用傳統的施工方法，需要設置堅固的內支撐或外錨，以減少支撐結構的變形，這不僅消耗了大量的鋼材，而且有相當大的施工成本。

3 高層建筑基坑工程順逆作法施工方法與策略

隨著深基坑建筑工程管理實踐經驗的不斷積累，深基坑建筑工程的項目設計管理原則和工程施工管理技術也日趨成熟。但在實際施工過程中，要根據不同的建筑工程項目，制定一套相應的工程施工設計方案，不能盲目性地依賴傳統施工實踐經驗，不能機械化地照搬傳統書本上的施工理論知識和運用計算機的方法。因此，我們必須對深入的基坑保護工程工作有一個系統的深入認識，并充分運用基礎理論技術知識和并結合資深工程師的實踐經驗案例來正確處理每一個工作環節。為保證基坑變形、土體位移、支護結構的應力變形等，采用基坑支護方法，在原有設計支護條件下，采用水平梁板支護代替臨時支護，建立深基坑工程。基坑開挖方法施工方案的研究對類似的深基坑工程具有重要意義。

3.1 順作主樓后逆作裙樓的施工方案

超高層建筑一般可分為兩部分：主樓和裙樓。目前，超高層建筑采用主樓、裙樓的施工方法。如果按照常規的方法進行施工，施工難度大，工期長，對施工現場周圍的管線影響較大。但如果只采用逆作法施工，主樓主體結構的質量難以保證，因此，應該運用科學、合理的方法和策略有效控制施工工期。

本文作者結合一個專業工程的實例，進行了一個有針對性的實際應用案例分析。超高層建筑主體樓高490m，地面100層，裙房樓地面3層，地下結構3層，最深部分為-20m，基坑總面積20000m2。基坑工業礦區基地周圍環境復雜，對加強基坑礦區環境安全生產保護意識總體要求高，施工期要求嚴格，考慮到主樓是超高層建筑，最終確定將在主樓之后再進行裙樓施工。主體建筑結構支護結構采用直徑100m的圓柱形地下連續墻和環形擋土墻，按施工方法開挖，滿足設計標高要求后進行主體建筑地下室部分施工。在保持連續墻的同時，采用分層拆除的方式進行施工。裙房逆作法施工時，以核心筒結構作為其梁、板的支撐點，自上而下施工，完成地下結構的施工。

3.2 逆作裙樓后順作主樓的施工方案

為了縮短裙樓的施工周期，一般需要在中心區域設置開挖效率高的開挖口。裙房部分區域可采用全逆作法施工。地下地上結構工程施工后，地上地下結構的高層商業樓和主體建筑可同時進行施工，縮短過程工期。對于采用自上而下法施工的群體建筑，可采用結構梁板代替支撐結構；該方法不僅提高了支護的剛度，而且有效地控制了基坑的變形，從而降低了施工成本。

結合工程實例進行了有針對性的應用分析。超高層建筑群高度55m，主樓50層，高度245m。裙樓與主樓共設四層整體地下室。主樓和裙樓的開挖深度分別為21m和20m，基坑面積為160000m2。

由于本工程靠近地鐵，施工場地復雜，環境控制要求高。考慮到前期工程實施工期短的要求，最終會議確定設計方案方式為先裙樓后二層主樓的總體施工設計方法。地下室主體外墻與地下主體連續墻之間連成兩個一體，形成地下主體圍護結構，地面建筑主體圍護結構在2016年裙樓工程施工時停止施工，縮短裙樓工程建設工期。地下室層完成后，通過主體建筑大面積開挖洞口進行施工，從而完成整個主體部分。

項目地處市中心，總建筑面積為43905m2，地上27層，建筑面積為29333.7m2，建筑高度為99.55m；地下4層，建筑面積為14571.8m2，深度為20.4m；裙樓：地上6層，高度為20.4m。屬于一類高層公共建筑，地上建筑耐火等級為一級，地下室耐火等級為一級，抗震設防烈度為七度。項目施工工藝為“逆作法+全鋼結構”，基坑周邊普遍采用1000mm厚“兩墻合一”。

3.3 中心順作周邊逆作的施工方案

對于對環境保護要求較高的特大型基坑工程，可在周圍環境中設置高剛度的環形結構梁和樓板，然后在基坑內的被動土壓力區中保留足夠的土來承受土壓力。

以某大型超市為例，基坑工程占地面積50000m2，開挖深度13m。有五層地上空間和三層地下空間。在對基坑面積方面進行考慮的過程中，經過相關的分析以及思考獲得之下的結論：如果僅僅使用順作法開展施工，需要比較多的臨時支撐，這樣就會導致成本相對比較高，所以，使用順作法開展施工并不是很合適。僅僅使用逆作法開展施工的時候，所挖開的土方量會相對比較大，這樣就會導致設置出相對比較大的樁柱，所以，這樣的方式并不可取。運用中心島開挖的方式不僅能夠有效的縮短施工的工期，降低施工成本，但是很難能夠對其加以變形控制，無法保證其安全性。綜上分析，這個項目可使用順作中心而逆作周邊的方式開展施工。這種施工方案可以降低邊坡高度，控制圍護結構變形和環境穩定性，是眾多方案中最合適的施工方案。

4 深基坑逆作法施工質量控制措施

4.1 合理定位立柱樁

在“一柱多樁”或“一柱一樁”工程中，高工程樁鋼柱作為正式的地下室柱采用混凝土包裹。施工時，垂直度和軸線位置必須準確，誤差應合理控制在規范標準范圍內。在豎向樁的設計中，結合其類型，采用專用定位儀適當擴大鉆孔樁的孔，并通過對鋼筋籠進行垂直測量定位以此下放立柱，采用支架臨時固定后澆混凝土。

4.2 嚴格控制施工沉降差

深基坑逆作法施工會產生沉降差。在施工過程中，應采取以下兩種措施控制沉降：① 在開挖過程中，可以計算建筑物的墻和柱的應力，并結合基樁的施工地質和荷載參數來估計沉降差。高層建筑自上而下施工的極限沉降差通常由設計商定，一般為20mm；② 在深基坑逆作法施工中，有必要對基坑開挖條件、地下水文、水平和豎向變形、柱樁和地下墻等施工參數進行綜合監測。結合具體的測量結果，計算高層建筑深基坑土的相關力學參數，結合沉降差的預警值，如局部加速開挖或減慢施工速度，對施工方案進行修正，高層建筑施工中的沉降差也可以通過局部加固或灌漿施工進行動態控制。

4.3 動態觀測控制坑內水位

一些施工項目屬于軟地質，在自上而下的深基坑施工之前，應設置多個井點進行抽水。自頂向下施工采用深井點，避免與結構梁相交，同時，有必要動態控制深井降水，定期觀測水位，使其保持在深基坑開挖面下方1.5m以下。

5 結語

綜上所述，隨著中國主義市場經濟的快速健康穩定發展和新型工業城市化工程建設工作進程的不斷深入有效推進，大規模大型城市道路地下通道建設工程超大型深井開挖掘進和基坑基底開挖建設工程越來越普遍。然而，由于城市地下環境相對復雜，采用簡單施工法和逆作法施工難以滿足大型地下工程建設的需要。在開展一些施工難度相對比較大、要求比較高、環境比較復雜的工程過程中，應該運用順逆作法相結合的方式。雖然經過多年的研究發展，與大型基坑基礎工程建設相關的科學理論體系相對成熟，積累了一些新的建設實踐經驗，但很難有效地將相關理論與建設實踐相互地結合合并應用于基坑工程建設實踐。因此，運用順逆作法相結合的方式有效的改善了工程當中存在的一些實際困境，促進工程更好的開展。