高層建筑地下室邊區逆作法設計與施工技術研究

王樹貴 （山東省鄆城縣環境衛生服務中心，山東 菏澤 274700）

0 引言

由于城區土地資源的稀缺性以及人口密度的不斷增加，導致地表空間十分擁擠，極大地限制了城區商業發展，也使得居住環境不斷惡化[1]。以城市停車為例，地表匱乏的土地資源不能滿足日益增長的汽車保有量，在城市土地開發過程中，為減少地表停車位，修建的高層建筑一般會配備地下停車場，發展地下空間成為解決停車難和緩解人車矛盾的有效途徑[2]。在傳統的地下室修建工法中一般采用明挖順作法，這種工法適用于施工場地較好、工期較為寬松和無周邊環境影響的條件[3]。為了在經濟發達的中心城區更好地保護周邊環境、提高基坑剛度、加快建設進度以及節約工程造價，在全逆作法的基礎上發展出了邊區逆作法，以施工的地下室樓板結構作為基坑橫向支撐，大大地提高了基坑剛度和穩定性，達到了良好的經濟效益[4]。本文嘗試結合實際工程案例，對高層建筑地下室邊區逆作法施工過程進行研究，并采用有限元模擬的手段對超挖深度和單側樓板寬跨比的影響進行分析。

1 工程概況

山東省鄆城縣某商住一體化項目位于城區東北角，項目四周均為城市主干道，交通方便，規劃用地面積52434.66 m2，總建筑面積約為226243.87m2，其中地上建筑面積為180603.13m2，地下建筑面積為45640.74m2。包含6 棟住宅、1 棟3 層幼兒園、1 棟19 層辦公樓、1棟32 層辦公樓及地下車庫，其中1#、2#、5#、6#住宅樓33 層，3#住宅樓22層，4#住宅樓34 層。住宅、辦公樓均為裝配式建筑，裝配率均不低于50%。一期總建筑面積124852.03m2，其中地上建筑面積為93246.62m2，地下建筑面積為31605.41m2。包含6 棟住宅、1 棟3層幼兒園及地下4 層車庫。具體的建筑設計概況如表1所示。

表1 建筑設計概況 （單位：m2）

2 場區工程地質條件

研究區所分布的地層及主要特征如表2所示。

表2 場區各巖土層分布及主要特征

圖1 山東省鄆城縣某商住一體化項目地下室基坑

3 高層建筑物地下室邊區逆作法的施工過程

邊區逆作法作為一種新型的基坑工程開挖方法，是在全逆作法的基礎上發展而來，結合了逆作法和明挖順作法兩者共同的優點[5-6]，在基坑支護樁或者圍護墻完成后，通過在基坑周邊一定寬度范圍內采用逆作法施作永久結構，形成閉環以替換橫向臨時混凝土支撐或者臨時鋼支撐，達到提高基坑支護剛度的目的。而在基坑的中間區域則采用大面積的明挖順作法（正作法），以提高出土效率和提供施工空間。結合山東省鄆城縣某商住一體化項目地下室基坑工程實例，將逆作法和明挖順作法的平面區域劃分如圖2 所示，這種以逆作法換取中間區域明挖順作法的方式，極大地提高了施工效率，同時不受基坑周邊環境的影響，能滿足基坑周邊建筑物密集或者管線眾多的施工要求[7]。

圖2 工程實例中逆作法和明挖順作法的平面區域劃分

結合山東省鄆城縣某商住一體化項目地下室基坑工程實例，對邊區逆作法的施工過程進行分析。在施工初期，首先對場區的土地進行平整，并對基坑周邊進行支護灌注樁的施工，支護灌注樁的直徑為600mm、間距為800mm，將冠梁將基坑周邊的所有支護灌注樁圍成整體，形成密閉的擋土結構，如圖3（a）所示；施工階段2，按照設計位置對施工逆作邊區范圍內的豎向承載構件鋼管柱進行放樣和施工，一般鋼管柱也可以采用混凝土柱進行替代，混凝土柱在施工階段為臨時承載構件，在使用階段則變成結構柱，達到永臨結合的目的，但這種方法對混凝土柱的豎向偏角控制較為嚴格，施工難度也較大，如圖3（b）所示；施工階段3，開挖基坑土體，將土體開挖至高層建筑物地下室頂板以下50cm，如圖3（c）所示；施工階段4，澆筑邊區范圍內的高層建筑物地下室頂板，形成一定寬度的封閉水平支撐板，并將其與鋼結構臨時連接，形成豎向和橫向相互結合的支撐體系，如圖3（d）所示；施工階段5，在高層建筑物地下室頂板達到一定強度后，繼續開挖基坑土體，直至地下一層底板以下50cm，如圖3（e）所示；施工階段6，澆筑邊區范圍內的高層建筑物地下一層底板，形成一定寬度的封閉水平支撐板，并將其與鋼結構臨時連接，形成豎向和橫向相互結合的支撐體系，如圖3（f）所示；施工階段7，重復施工階段5和施工階段6 的步驟，依次施作開挖土體、地下二層底板、開挖土體、地下三層底板、開挖土體，直至挖到地下室底板以下20cm，采用素混凝土對基坑底板進行封閉；施工階段8，澆筑底板，待底板達到設計強度后，自下而上完成中間區域明挖順作法的地下室樓板，最后封頂形成完整的地下室結構。

圖3 高層建筑物地下室邊去逆作法施工過程

應用邊區逆作法對高層建筑物地下室施工最大的優點就是充分利用了地下室結構的水平抗力，提高了基坑的水平剛度并減小了土體變形，另一方面減少了臨時水平混凝土支護的施工，達到了低碳施工、裝拆支撐的目的[8-10]。為了更好地說明邊區逆作法對基坑的擾動程度，在基坑圍護結構A-A 斷面和B-B 斷面布置了樁體深層水平位移監測點，在基坑的3 個角點上分別布置了YL1、YL2、YL3 樓板應力監測點，監測斷面和監測點的平面布置如圖2 所示。A-A 斷面和B-B 斷面樁體深層水平位移監測點的實測曲線如圖4所示。

圖4 A-A斷面和B-B斷面樁體深層水平位移監測點的實測曲線

從圖4 中可以看出，在A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移曲線均表現出拋物線形，其最大值均在樁體中間部位且深度約16.00m 位置。其中，A-A 斷面中的樁體深層水平位移最大值為49.07mm，而B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值為43.99mm，樁頂和樁底的位移遠小于中間的水平位移峰值。A-A 斷面中的樁體深層水平位移略大于B-B 斷面中的樁體深層水平位移，是因為A-A 斷面位置的樁體位于長直邊，逆作結構的寬度較小，而B-B斷面位置的樁體位于斜邊，逆作結構的寬度較大，圍護結構的剛度較大。無論如何，A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠小于規范中0.5%H（H 為基坑深度，換算為80mm）的要求，表明高層建筑地下室邊區逆作法施工有效地控制了基坑變形。

表3 為YL1、YL2、YL3 樓板應力監測結果。從表中可以看出，隨著逆作深度的增加，同一個監測點的樓板應力逐漸減小，且從頂板至負一層這個階段的樓板應力下降迅速，表明在基坑工程邊區逆作法施工過程中，對地下室頂板的應力控制最不利，應加強頂板的強度和剛度；在同一樓層，YL2 樓板應力監測點的應力最大，YL3 樓板應力監測點的應力次之，YL3 樓板應力監測點的應力最小。

表3 場區各巖土層分布及主要特征（單位：MPa）

4 基于數值仿真的高層建筑物地下室邊區逆作法設計分析

基于邁達斯巖土分析有限元軟件MIDAS GTS 建立地下室邊區逆作法的數值仿真模型，計算時土體采用修正的摩爾庫倫本構，土體的本構特征參數如表4 所示。圍護混凝土灌注樁、地下室頂板、地下室樓板等混凝土結構均采用C40 混凝土澆筑，彈性模量取值為32500MPa，容重取值為25kN/m3，泊松比取值為0.20。

為了更為安全和經濟地對地下室邊區逆作法進行設計，選取超挖深度和單側樓板寬跨比2 個指標進行研究，模擬時設置3 種超挖工況，分別為超挖100cm（工況1）、超挖200cm（工況2）、超挖300cm（工況3）；3種單側樓板寬跨比工況，分別為寬跨比為l/b=2.0（工況4）、寬跨比為l/b=3.0（工況5）、寬跨比為l/b=4.0（工況6），其中l 為邊區逆作的樓板跨度、b為邊區逆作的樓板寬度。

圖4 為不同超挖深度對逆作法基坑圍護樁體深層水平位移的影響，從圖中可以看出，對于不同超挖深度而言，其基坑工程圍護樁體的水平位移均為拋物線型，隨著超挖深度的增加，主要改變的是樁體上部水平位移，樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加，而曲線峰值以下的水平位移值基本不變。

圖5 為不同寬跨比對逆作法基坑圍護樁體深層水平位移的影響，從圖中可以看出，對于不同的寬跨比而言，其基坑工程圍護樁體的水平位移均為拋物線型，隨著寬跨比的增加，主要改變的是樁體水平位移的峰值，位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加，而圍護樁頂和樁底部的水平位移基本不變。

圖5 不同超挖深度對逆作法樁體深層水平位移的影響

圖6 不同寬跨比對逆作法樁體深層水平位移的影響

5 結論

以山東省鄆城縣某商住一體化項目地下室施工為研究對象，對邊區逆作法的施工過程進行分析，考慮超挖深度和單側樓板寬跨比的影響，采用有限元模擬的手段進行設計分析，得到以下三個結論。

①A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠小于規范中0.5%H（H 為基坑深度，換算為80mm）的要求，表明高層建筑地下室邊區逆作法施工有效地控制了基坑變形。

②隨著逆作深度的增加，同一個監測點的樓板應力逐漸減小，且從頂板至負一層這個階段的樓板應力下降迅速，表明在基坑工程邊區逆作法施工過程中，對地下室頂板的應力控制最不利，應加強頂板的強度和剛度。

表4 土體本構特征參數

③樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加，而曲線峰值以下的水平位移值基本不變；隨著寬跨比的增加，主要改變的是樁體水平位移的峰值，位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加，而圍護樁頂和樁底部的水平位移基本不變。