逆作法在復雜環(huán)境深基坑工程中的應用研究

顏立明

(中船勘察設計研究院有限公司，上海 200063)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的迅猛發(fā)展，城市土地資源日益緊缺，地下空間的開發(fā)利用已成為城市發(fā)展的必然趨勢[1]。伴隨著高層建筑、大型市政和城市軌道交通的建設，產(chǎn)生了大量的深基坑和超深基坑工程[2-3]，且具有深度大、面積大、施工場地狹窄及周邊環(huán)境復雜等顯著特點[4-6]。深基坑工程的設計理念[7-8]也逐漸從穩(wěn)定控制設計向變形控制[9-10]設計轉(zhuǎn)變，基坑支護結(jié)構(gòu)除滿足自身穩(wěn)定要求外，還需滿足圍護結(jié)構(gòu)變形要求，以保證周邊建(構(gòu))筑物的變形控制在允許范圍以內(nèi)。1955年，哈爾濱首次嘗試利用逆作法開展地下人防工程[11-12]，經(jīng)過幾十年的探索與研究，逆作法施工技術(shù)日益完善。逆作法具有保護環(huán)境、節(jié)約社會資源、縮短建設周期等諸多優(yōu)點，已在全國范圍數(shù)百項周邊環(huán)境復雜的深大基坑工程中得到成功應用[13-16]。

以上海市中心某深基坑工程為例，闡述了逆作法施工技術(shù)在基坑工程中的應用，監(jiān)測結(jié)果表明，逆作法施工技術(shù)有利于對周邊環(huán)境的保護，可在復雜周邊環(huán)境的軟土地區(qū)深基坑工程中推廣應用。

1 工程概況及環(huán)境概況

該工程由兩棟商辦樓組成，下設三層地下室的建筑深基坑。該深基坑開挖深度大，施工場地狹窄，環(huán)境保護要求極高，緊鄰歷史保護建筑、民宅、商城等多棟天然地基建筑物。擬建商辦樓為框剪結(jié)構(gòu)，地下室為框架結(jié)構(gòu)，均采用樁筏基礎。基坑總面積約7155 m2，周長約408 m，開挖深度為14.35 m。基坑東側(cè)距離紅線為3.0～9.6 m，紅線外為2F歷史保護建筑和6～7F建筑物，均為天然地基基礎，建筑物距離基坑邊為3.2～10.2 m；基坑南側(cè)距離紅線為3.0 m，紅線外為市政道路，道路下有多條市政管線，管線距離基坑邊最近約5.7 m；基坑西側(cè)距離紅線為3.2 m，紅線外為5F天然地基基礎建筑物，建筑物距離基坑邊約4.3 m；基坑北側(cè)距離紅線為3.1 m，紅線外為19F建筑物，樁基礎，建筑物距離基坑邊約9.4 m。該工程施工大門設置于南側(cè)。基坑周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境鳥瞰圖

2 工程地質(zhì)概況

擬建場地地貌類型屬上海地區(qū)四大地貌單元之一的濱海平原類型。本場地對基坑工程有影響的地下水主要是淺層潛水，設計地下潛水位按上海市平均水位埋深0.5 m考慮。場地內(nèi)第⑦層為砂質(zhì)粉土承壓含水層，承壓水水位呈周期性變化，一般埋深為3.0～12.0 m。經(jīng)計算，基坑不存在突涌的可能性。本工程基坑開挖影響范圍內(nèi)地基土平均厚度及基坑圍護設計參數(shù)如表1所示。

表1 基坑地層圍護設計參數(shù)表

3 基坑難點

(1)基坑開挖深度達14.35 m，基坑面積7155 m2，基坑體量總體較大。

(2)基底以上為約10 m厚粉性土，滲透性較大，施工支護樁時易發(fā)生塌孔或擴槽；基坑坑底位于④層淤泥質(zhì)黏土層中，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。

(3)施工場地狹窄，周邊環(huán)境復雜，基坑周邊有多棟歷史保護建筑物，環(huán)境保護要求極高。

4 基坑圍護體系設計

4.1 圍護設計概況

考慮基坑挖深較深、施工場地狹窄及周邊環(huán)境保護要求較高等特點，總體采用逆作法施工工藝。圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，長度為33.5～38.5 m，兼作地下室外墻，即兩墻合一。地下連續(xù)墻兩側(cè)采用φ850 mm@1200 mm三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固。電梯井、集水井等局部落深區(qū)及坑邊均采用φ800 mm@600 mm旋噴樁加固，豎向支承系統(tǒng)采用一柱一樁形式，永久格構(gòu)柱采用截面尺寸520 mm×520 mm(L200 mm×20 mm)。一柱一樁格構(gòu)柱待逆作法完成后外包鋼筋混凝土形成主體結(jié)構(gòu)柱。典型剖面見圖2。

圖2 典型剖面圖(單位：m、mm)

4.2 逆作法施工重點

逆作法施工工藝對現(xiàn)場施工管理及現(xiàn)場施工技術(shù)要求較高，若現(xiàn)場施工控制不當，基坑變形將遠大于順作法施工變形，施工過程中需重點控制以下幾點：

(1)淺層分布有較厚的粉性土，采用三軸攪拌樁槽壁加固，謹防地下連續(xù)墻施工時發(fā)生擴槽現(xiàn)象，以保證地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量。

(2)施工結(jié)構(gòu)樓板時，嚴禁土方超挖。施工結(jié)構(gòu)梁板時，貼邊跨梁板采用地胎模施工工藝，超挖深度不得超過80 cm。

(3)合理布置取土洞口位置，可利用汽車坡道、樓梯通道以及主樓等部位作為取土洞口，待結(jié)構(gòu)底板完成以后，再逐層向上順作施工封閉汽車坡道、樓梯通道及主樓區(qū)域等結(jié)構(gòu)梁板。

(4)為減小逆作施工階段施工難度，剪力墻處增設暗梁，并預留剪力墻插筋，待結(jié)構(gòu)底板完成以后，再逐層向上順作施工剪力墻。

(5)因施工場地狹窄，利用結(jié)構(gòu)頂板作為逆作施工階段的行車通道和材料堆場，應根據(jù)頂板面實際施工荷載，復核結(jié)構(gòu)梁板的尺寸及配筋。

(6)逆作法總體采用一柱一樁工藝，永久鋼格構(gòu)立柱應嚴格控制垂直度≤1/500，待基礎底板完成后，逐層向上外包鋼筋混凝土形成永久結(jié)構(gòu)柱。

(7)鋼格構(gòu)立柱與結(jié)構(gòu)頂板的連接采用倒置埋件法。因利用結(jié)構(gòu)頂板作為施工場地，結(jié)構(gòu)梁中鋼筋較密，尤其是框架柱節(jié)點處鋼筋數(shù)量較多。通過倒置的錨筋與結(jié)構(gòu)頂板的梁連接，從而避免水平梁主筋與鋼立柱之間的復雜處理(見圖3)。

圖3 倒置埋件法(單位：mm)

(8)結(jié)構(gòu)頂板兼作施工棧橋錯層位置處理。因結(jié)構(gòu)頂板標高起伏，需采取以下措施形成行車坡道，結(jié)構(gòu)梁隨坡道加高，梁頂設臨時鋼棧橋板，棧橋坡比1∶8(見圖4)。

圖4 棧橋板斜坡示意圖(單位：m)

(9)結(jié)構(gòu)頂板、B1板和B2板結(jié)構(gòu)間可能會存在高差，為確保水平力的有效傳遞，結(jié)構(gòu)高差間需采取以下措施形成可靠的傳力路徑。(見圖5、圖6)

圖5 B0層結(jié)構(gòu)高低差處加腋詳圖(單位：mm)

圖6 B1/B2層結(jié)構(gòu)高低差處加腋詳圖(單位：mm)

(10)為便于逆作階段施工，地下室外墻、結(jié)構(gòu)柱及剪力墻均預留插筋，底板基礎完成后，再逐層向上順作施工，如圖7—圖9所示。

圖7 外墻逆作節(jié)點示意圖(單位：mm)

圖8 結(jié)構(gòu)柱逆作節(jié)點圖(單位：mm)

圖9 剪力墻逆作節(jié)點示意圖(單位：mm)

(11)梁柱節(jié)點處鋼筋較密，主梁主筋因鋼格構(gòu)立柱，無法通長布置，將節(jié)點處無法通過的梁鋼筋通過規(guī)范允許的的斜率繞過立柱，即通常的加腋法(見圖10)。

(12)基坑逆作施工階段，為便于梁板內(nèi)受力傳遞，采取后澆帶間隔預埋型鋼構(gòu)件的方法進行，在換撐結(jié)束封澆主體結(jié)構(gòu)后澆帶時，直接把型鋼構(gòu)件澆筑在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)不再拆除(見圖11)。

5 圍護結(jié)構(gòu)變形分析

在該基坑施工過程中，對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境均進行了跟蹤監(jiān)測。本工程共布置了28個圍護墻頂水平和豎向位移點、26個圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移點、26個坑外地下水位觀測孔、50個坑外地表豎向位移點、89個地下管線豎向位移點和79個周邊建筑物豎向位移點。選取鄰近7F建筑的基坑監(jiān)測點進行分析。

5.1 圍護體深層水平位移計算值

利用同濟啟明星計算軟件，對典型斷面圍護體系進行受力計算。采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c、φ值均采用勘察報告提供的固結(jié)快剪峰值指標，地面超載按實際情況考慮。基坑開挖至基底時，圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移計算值最大為30.6 mm。

利用有限元軟件對鄰近7F建筑的基坑斷面進行分析計算，以得出考慮時間和空間效應時基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形。本次分析計算模型中包含了土體、圍護結(jié)構(gòu)、支撐、鄰近建筑等結(jié)構(gòu)。土體模型采用了等向硬化彈塑性模型，圍護結(jié)構(gòu)、支撐等混凝土構(gòu)件采用線彈性模型，同時考慮了20 kPa的坑邊超載。基坑開挖至基底時，圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移有限元計算值最大為38.75 mm。

5.2 圍護體深層水平位移實測值

選取鄰近7F建筑的基坑監(jiān)測點進行分析，從圍護樁基施工至基坑逆作施工完成，圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨基坑開挖深度的增加而逐步增大，向基坑內(nèi)變形，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在基底以上2 m處，區(qū)別于順作法施工最大水平位移通常發(fā)生在坑底以下。至監(jiān)測結(jié)束，圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值為46.79 mm，與考慮時間和空間效應的有限元計算值比較接近。逆作法施工結(jié)束，鄰近7F建筑未出現(xiàn)裂縫和傾斜現(xiàn)象，保證了鄰近建筑的安全穩(wěn)定。

6 結(jié)語

該基坑工程已于2019年底全部施工完成，基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境均保持安全穩(wěn)定，結(jié)果表明：

(1)對比分析理論計算值及施工監(jiān)測實測值，理論計算變形值往往比施工監(jiān)測實測值偏低。在預估基坑及周邊建筑物變形時，應充分考慮深基坑施工的時間效應和空間效應。

(2)逆作法施工技術(shù)，可有效解決施工場地狹窄和工期緊張問題，同時能夠有效控制基坑及周邊建筑的變形情況，適合于在軟土富水地區(qū)和建筑物密集的基坑工程中推廣應用。