逆作法在地下空間中的設(shè)計(jì)應(yīng)用
——以沈陽十三緯路項(xiàng)目為例

張樹林

（1 深圳市華陽國際工程設(shè)計(jì)股份有限公司，廣東廣州 510653；2 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著城市用地開發(fā)，施工空間越來越小，給工程建設(shè)帶來不小困難與挑戰(zhàn)。地下室逆作法因具有施工周期短、占用空間小、安全富裕度高等優(yōu)點(diǎn)，在超高層、地下空間、地鐵市政等項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。但由于逆作法存在集成技術(shù)復(fù)雜、地下室施工難度大、土建造價(jià)增加、施工人員素質(zhì)要求高等局限，阻礙了地下室逆作法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[1]。本文基于實(shí)例討論逆作法在地下空間中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，梳理總結(jié)項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)連接、土方開挖、基坑支護(hù)、施工順序等，供同類工程參考。

1 逆作法概述

1.1 起源與發(fā)展

逆作法于1935 年起源于日本，并在美國、德國等地區(qū)廣泛應(yīng)用。我國從1955 年在哈爾濱地下人防工程中首次采用逆作法施工以來，已在上海、廣州、北京等地區(qū)大范圍應(yīng)用，技術(shù)日趨成熟。

1.2 分類及優(yōu)缺點(diǎn)

按照構(gòu)件施工次序，逆作法一般可分為全逆作法、半逆作法。全逆作法以首層為界面，地上地下土建同步施工，技術(shù)難度要求較高，施工效率高，主要應(yīng)用于基礎(chǔ)條件較好的場地；半逆作法是指待地下結(jié)構(gòu)逆作施工完成后，再施工上部主體，技術(shù)難度降低，但會影響施工進(jìn)度，主要用于軟土場地樁基承載力低的地區(qū)。與傳統(tǒng)施工方法比較，逆作法具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是大幅縮短項(xiàng)目施工周期，降低基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工難度，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源；缺點(diǎn)是對現(xiàn)場施工及管理水平要求較高[2]。

1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

逆作法工程的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)體系、豎向傳力結(jié)構(gòu)體系以及施工工藝流程。圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合開挖深度、場地地質(zhì)條件、工程經(jīng)濟(jì)性、施工可行性等確定，包括受力計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、變形驗(yàn)算以及圍護(hù)與主體的結(jié)合等；水平結(jié)構(gòu)體系是主體結(jié)構(gòu)的一部分，應(yīng)綜合主體、支護(hù)兩個(gè)因素，以確保水平受力合理、逆作施工便利；逆作施工階段的豎向支承系統(tǒng)是基坑逆作實(shí)施期間的關(guān)鍵構(gòu)件，主要包含結(jié)構(gòu)柱布置、基礎(chǔ)樁的豎向承載力及沉降驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)柱與水平構(gòu)件的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容[2-4]。

本文結(jié)合沈陽市十三緯路逆作地下空間項(xiàng)目，分析逆作法在設(shè)計(jì)、施工中的技術(shù)特點(diǎn)。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程概況

華強(qiáng)金廊城市廣場項(xiàng)目位于沈陽市沈河區(qū)金廊商務(wù)區(qū)青年大街西側(cè)，地塊占地面積約8.5 萬m2，建筑面積約110 萬m2，主要包含超高層辦公、酒店以及大型商業(yè)綜合體等，以十三緯路為界分南（一）、北（二）兩期開發(fā)（圖1）。十三緯路地下空間總土方開挖量約11.5 萬m3，其中負(fù)二至負(fù)四層為連接一、二期的地下商業(yè)，負(fù)一層為市政管線、交通功能層，整個(gè)地下空間位于既有市級主干道十三緯路正下方，東至青年大街，西到南一經(jīng)街，項(xiàng)目平面位置分區(qū)如圖2所示。因市政交通需要，盡量減少因項(xiàng)目開挖施工造成的交通中斷周期，綜合考慮采用地下室逆作法施工方案。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 項(xiàng)目平面分區(qū)圖

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（簡稱抗規(guī)）及項(xiàng)目地勘報(bào)告，該工程抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.4s。地震影響系數(shù)最大值A(chǔ)max按照地震安評報(bào)告取0.1052m/s2，結(jié)構(gòu)抗震等級從上至下依次為二～四級。

項(xiàng)目不考慮風(fēng)荷載，地下商業(yè)、車庫部分活荷載均按照5.0kN/m2預(yù)留；地面市政道路除覆土恒載外，考慮覆土折減后的活荷載，按照20kN/m2取值。地下室抗浮水位相對標(biāo)高為-5.0m。

2.3 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，地塊周圍無地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造斷裂等不良地質(zhì)條件，場地穩(wěn)定，較適宜新建項(xiàng)目。場地自上而下主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、圓礫、碎石土和強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖組成，場地?zé)o液化，其中粉質(zhì)黏土層屬于Ⅳ級強(qiáng)凍脹土。土層分布及其承載力參數(shù)如表1 所示。

表1 土層分布及承載力參數(shù)

3 逆作法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)形式

地基基礎(chǔ)等級均為甲級，根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)情況及逆作法施工需要，采用旋挖灌注端承摩擦樁基礎(chǔ)，樁身混凝土強(qiáng)度等級C40，樁徑1400mm，以④圓礫層為持力層，單樁豎向抗壓承載力特征值13000kN，單樁豎向抗拔承載力特征值3000kN，抗壓、抗拔承載力均為樁身控制。

3.2 主體結(jié)構(gòu)

該地下空間東西長約117m，南北寬約58m，呈長方形布置，東、西兩側(cè)設(shè)置永久地下室側(cè)壁，南北兩側(cè)為開敞空間，后期與項(xiàng)目一、二期相連接，采用框架結(jié)構(gòu)，縱橫兩方向均采用8.4×8.4m 標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)，綜合逆作法施工期間的支撐以及后期受力需要，該項(xiàng)目豎向支撐柱選用鋼管混凝土柱，鋼管外徑800mm，壁厚25mm，通高內(nèi)灌C40 自密實(shí)混凝土，中間柱具有較高承載力，又便于與樓層板連接。各層樓蓋均采用下平托板無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，方便施工且能最大程度保證結(jié)構(gòu)凈高，結(jié)構(gòu)平面布置如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

地下室負(fù)三、負(fù)四層層高4m，負(fù)二層層高6m，負(fù)一層市政管線及道路覆土厚度約6m，其中底板厚度為800mm，柱帽尺寸約2800mm，中間板厚250mm，頂板板厚1000mm。無梁樓蓋內(nèi)設(shè)置暗梁，以加強(qiáng)各框架柱之間的整體性，結(jié)構(gòu)剖面如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

針對工程特點(diǎn)，采用MIDAS/GEN 有限元軟件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模計(jì)算。結(jié)構(gòu)X、Y 兩方向均按照柱上板帶、跨中板帶進(jìn)行設(shè)計(jì)，有限元計(jì)算與手冊算法結(jié)果較接近，如表2 所示。柱上板帶彎矩差值在8%左右，主要是對柱帽剛度模擬的差異造成；跨中板帶計(jì)算結(jié)果較接近，兩者數(shù)值均可用于工程設(shè)計(jì)中。典型柱網(wǎng)彎矩計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。頂板、底板迎水面按照0.2mm 裂縫寬度限值進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余位置按照受力彎矩計(jì)算配筋。

表2 無梁樓蓋標(biāo)準(zhǔn)跨板帶彎矩（X向）

圖5 頂板無梁樓蓋彎矩圖（kN·m）

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

因鋼管柱先于樓層施工，梁板與柱均采用抗剪牛腿或抗剪環(huán)板連接，鋼筋采用搭接或焊接工藝，既不影響逆作法施工工序，帶上下環(huán)板及節(jié)點(diǎn)加勁板的環(huán)板節(jié)點(diǎn)又能可靠地將樓板內(nèi)彎矩和剪力傳遞給鋼管混凝土柱，設(shè)計(jì)上需要根據(jù)樓板受力，靈活選擇節(jié)點(diǎn)形式。鋼管柱頂與柱帽連接處采用下部環(huán)形加勁板、上部抗剪栓釘?shù)姆绞剑斉c樓板頂預(yù)留300mm 的間隙，板面鋼筋可自由貫通，防止柱頂位置開裂，如圖6 所示。

圖6 鋼管柱頂板柱帽連接大樣

鋼管柱底與底板承臺處作為柱、樁的過渡節(jié)點(diǎn)，同時(shí)受較大的底板水浮力作用，受力較為復(fù)雜，鋼管柱在承臺范圍內(nèi)自上而下設(shè)置抗剪環(huán)加勁板、鋼筋連接板、栓釘?shù)龋撞可烊牍嘧秲?nèi)1.2m。該連接節(jié)點(diǎn)受力可靠、施工方便，如圖7、圖8 所示。

圖7 鋼管柱底板承臺連接大樣

圖8 鋼管柱現(xiàn)場施工照片

4 逆作法施工與土方開挖

4.1 逆作法施工

因首層為市政主干道，需盡快施工完成負(fù)一層并滿足通車要求，結(jié)合圖9 所示內(nèi)容，該項(xiàng)目蓋挖逆作法施工步驟如下所述。

圖9 蓋挖逆作法施工剖面示意圖

（1）開挖土方至地下一層底板標(biāo)高，以-6.4m 標(biāo)高為逆作法施工基準(zhǔn)面。

（2）進(jìn)行灌注樁鉆孔施工，樁底深度標(biāo)高到達(dá)設(shè)計(jì)要求后，放置灌注樁鋼筋籠，安裝樁定位器，吊裝鋼管柱并調(diào)垂直，澆筑樁身混凝土至樁頂標(biāo)高，填試塊進(jìn)行反壓，澆筑鋼管柱混凝土，鋼管外圍填砂土進(jìn)行圍密固定。

（3）澆筑地下一層的結(jié)構(gòu)板及四周側(cè)壁，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，防水等措施施工完畢后，鋪設(shè)市政管道及路面，此時(shí)路面即可滿足通車要求。

（4）開挖負(fù)二層標(biāo)高范圍內(nèi)土方，進(jìn)行地下二層底板澆筑。

（5）開挖負(fù)三層標(biāo)高范圍內(nèi)土方，進(jìn)行地下三層底板澆筑。

（6）開挖負(fù)四層標(biāo)高范圍內(nèi)土方，進(jìn)行地庫底板及承臺澆筑。

整個(gè)逆作法施工完成，步驟1～3 完畢后即可滿足市政道路通行要求，節(jié)約大量時(shí)間，步驟4～6 可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際開發(fā)進(jìn)度靈活進(jìn)行施工，不受限于外部條件。

鋼管混凝土柱作為逆作周期的支撐柱和后期永久結(jié)構(gòu)柱，其施工質(zhì)量、定位、垂直度是施工的關(guān)鍵，如圖10、圖11 所示。樁柱施工定位時(shí)采用鋼管支架定位器，結(jié)合上、下共計(jì)8 個(gè)千斤頂進(jìn)行垂直度調(diào)整，鋼管柱的垂直度偏差控制在H/1000 內(nèi)，且不大于10mm[5-6]，確保鋼管柱可靠插入下部灌注樁。

圖10 鋼管柱調(diào)垂大樣

圖11 鋼管定位器

4.2 場地土方開挖與基坑支護(hù)

因一、二期開發(fā)進(jìn)度不同步，且一期范圍內(nèi)場地條件受限，需借用二期場地作為材料堆場，將十三緯路地下空間作為一期地下室臨時(shí)施工道路。項(xiàng)目土方開挖以“先圍護(hù)，再降水，后挖土”的順序組織施工，地塊南側(cè)土方與一期同步開挖，無需支護(hù)，地塊北側(cè)土方采用自然放坡支護(hù)形式，東西兩側(cè)采用鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索垂直支護(hù)體系（圖12、圖13）。結(jié)合實(shí)際土方開挖進(jìn)度，對各土方開挖方案進(jìn)行施工模擬，選擇先中間、后周邊的土方開挖方式，盡量減少對基坑支護(hù)的影響。基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，土方開挖卸載過程中，中柱、邊柱、側(cè)壁間沉降差異較小，市政路面未見開裂等異常現(xiàn)象，圍護(hù)樁最大水平位移為10.91mm，以上數(shù)據(jù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求,地下結(jié)構(gòu)及支護(hù)整體穩(wěn)定性較好[7]。

圖12 逆作法下層土方開挖

圖13 逆作法主體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

本文對沈陽十三緯路蓋挖逆作施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程進(jìn)行闡述，通過分析逆作法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式、主體結(jié)構(gòu)、連接節(jié)點(diǎn)以及施工次序等技術(shù)問題，對項(xiàng)目逆作施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

（1）選擇以負(fù)一層板標(biāo)高為施工界面，上下同時(shí)施工的逆作法，密切結(jié)合基坑支護(hù)、土方開挖、施工工序等外部因素，多工種緊密配合，施工流程順暢；

（2）主體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮逆作法施工工藝，選擇合適的基礎(chǔ)、立柱、水平結(jié)構(gòu)形式。項(xiàng)目采用灌注樁基礎(chǔ)、鋼管柱、無梁樓蓋等形式，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行多工況包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)受力可靠；

（3）鑒于市政主干道交通需要，十三緯路地下空間項(xiàng)目采用逆作法施工，節(jié)省施工周期約8 個(gè)月，具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

采用蓋挖逆作法設(shè)計(jì)與施工，結(jié)構(gòu)安全可靠，為市政道路提前開通提供了有力技術(shù)支撐，可為同類型項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。