逆作法在高层建筑地基施工中的应用

2011-05-04曹俊芳

铁道建筑 2011年5期

曹俊芳

(中铁三局集团第四工程有限公司，北京 102300)

1 工程概况

和谐家园工程地上十六层，建筑高度45.0 m，地下两层，为地下车库、人防工程和地下设备层，基坑深度8.2 m，修建平面约为长105.0 m，宽59.0 m的矩形。施工现场可利用的场地较小，加工场、堆料场等无法设置，现场道路狭窄，且仅工地东侧可以设出入口。由于本工程南侧、北侧及西侧紧邻现状住宅楼及居民区，距用地红线不到4.0 m，其西侧路与医院、居民区相邻，南侧为六层住宅小区，东侧为铁路。设计明确要求，必须严格控制基坑水平位移及竖向沉降，绝不容许出现相邻建构筑物发生倾斜、变形或路面开裂、下沉的情况。另一方面，从使用功能上提出要求，一是地下室的边线应尽量贴近用地红线，以取得最大使用空间;二是要求尽可能缩短工期，以便及早安置回迁居民。

2 地质情况

2.1 地层条件

根据北京京西建筑勘察设计院有限公司提供的岩土工程勘察报告，现场场地地形较平坦，地面绝对高程为106.70～107.58 m。在勘察范围深度内，场地地层主要由人工填土及一般第四纪洪冲积地层组成，各土层自上而下为:①层填土层为杂色，稍密，含碎石、砖块、灰渣等，厚度约0.5～1.7 m;②层黏土层为褐黄色，稍湿，土质均匀，含氧化铁，厚度约2.6～3.7 m;③层卵石层为杂色，稍密，一般粒径4～8 cm，最大粒径14 cm，厚度约2.1～3.5 m;④细砂层为褐黄色，密实，砂质较均匀，厚度约0～1.8 m;⑤中粗砂及粉砂层为褐黄色，松散，均匀厚度5.5 m;⑥卵石层为杂色，中密，一般粒径4～8 cm，最大粒径18 cm。

2.2 地下水情况

拟建场区内在勘察期间 25.00 m深度范围内，未见地下水，拟建场地地下水位埋深近3～5年内在绝对高程81.70 m以下。

3 施工方案

3.1 方案设计

由于施工场地狭小，且地下结构南侧5.1 m处有一六层居民住宅楼，北侧办公楼距红线4.0 m，为克服场地狭小，保证施工进度，避免施工扰民等综合各方面因素，结合现场施工条件确定围护结构采用排桩，支撑柱采用钢管柱，围护桩和钢管柱均采用人工挖孔，地下室施工采用逆作法施工技术。

按设计图地下围护桩为 φ800 mm，深度13.2 m，即到达基坑底面以下5.0 m为锚固深度，以确保其稳定效果用以抵抗挖土时外侧土压力和固定连接地下室楼层板，见表1。

钢管柱设计采用φ750高强硅钢管柱，长12.0 m。当人工挖孔桩完成后，通过安装定位器附属装置，把成形的1层至负2层的钢管柱、电梯筒内钢结构架柱一次定位吊装到位。

表1 围护桩的施工参数

3.2 逆作法施工工序

本工程逆作法施工是先施工地下围护桩作为挡土围护结构，以先浇筑的负1层楼板作为水平支撑，同时向上向下双向施工。具体施工流程为:人工挖孔施工地下围护桩和支撑柱→吊装钢管柱→0层梁板→负1层土方开挖→负1层地下室梁底板和外墙→负2层土方开挖→负2层地下室底板、负2层外墙→地下室完成。逆作法施工程序示意如图1。

图1 逆作法施工程序示意图

3.3 逆作法步骤

1)按基础外围面积，先施工四周的支护结构，支护体系采用地下排桩支护，排桩采用挖孔桩，人工挖孔桩采用间隔跳段施工，成孔后下钢筋笼浇筑C25号混凝土。

2)按设计图施工中间支承柱和基础，人工挖孔桩分为基桩部分与上部空段两部分。当基桩部分浇筑到桩顶设计高程时，便由工人下去布置定位环安装定位钢板并调校水平，然后由工人在下面扶正、卡位，保证其垂直度后，在地面用十字架固定钢管柱上端，用高抛法浇筑管内混凝土。

3)利用0以下的土方夯实修整后作地模，浇筑地下室0层的顶层钢筋混凝土的梁和板，梁、板体系为围护桩提供牢固的侧向支承，其结构类似于对撑体系。并在此层预留出挖土的出土洞口，在平面靠近便路处预留8 m×10 m出土口，方便运输。

4)进行地下室一层土方开挖并清运到室外卸土区，土方开挖至-4 m高程，施工负二层楼面梁板及上部结构，负二层楼面出土口位置与首层同等。就地下围护桩而言，首层和负二层楼面的水平刚度可视为两个铰支座。但是出土口处的槽段应设置腰梁和钢支持。

5)开挖至-8.2 m高程(地下室底板底)，完成土方施工，施工底板和负二层楼侧墙，吊出挖土机，封闭出土口。至此地下室土建主体已竣工，同时上部结构也已施工到8层。

4 逆作法施工的关键技术

4.1 支柱桩正确定位

逆作法施工时，支承垂直力的是由工程桩接高的钢管柱，将来在立柱外再包裹混凝土作正式地下室柱，所以其轴线位置与垂直度必须正确，要求偏差在20 mm以内，否则会影响正式工程柱子位置的正确性，由于钢管柱支承在人工挖孔桩上，故两者的准确连接是施工中的一大重点和难点，本工程采用设置限位钢板的方法来固定钢管柱(如图2)，在人工挖孔桩桩芯混凝土上安装25 mm厚M1型环形钢板，在其上焊接3个16 mm厚限位钢板用于固定钢管位置，然后吊装钢管柱及浇筑桩芯混凝土封住钢管柱脚，这样就能最大限度地保证钢管柱的准确连接，且施工快捷。

图2 钢管柱定位图(单位:mm)

4.2 沉降差异控制

逆作法是先施工地下室楼板与上部结构，后施工基础大底板，所以工程桩在施工前期部分受力部分不受力，因此，各根立柱会有沉降产生。如果各根立柱之间或立柱与围护排桩之间有较大的沉降差，已浇筑的楼板与梁系就会产生裂缝，危及正式结构的安全。以往的逆作法施工之所以不能从试验研究推广到大型工程，主要难点就是变形控制无法把握。现在随着计算机技术的发展，变形控制能够把握，在成功的工程中，采取的措施主要有两条。

1)设定工况并计算沉降

逆作法施工顺序是事先设定的，在挖土的各个阶段，立柱与地墙排桩受力可以正确计算，按荷载与地基桩和地质指标进行沉降估算，各立柱与地墙排桩相邻沉降计算差值应当满足结构设计要求，其沉降差一般按结构允许可以定为10～20 mm。

2)施工动态控制

岩土力学的计算与实际相差很大，因此保证结构安全是信息化施工的重要任务。对地下墙、柱、桩，垂直与水平变形、地下水位变化、挖土工况条件等要全面进行监测，根据实测结果再按实际工况来反算土体力学参数，修正下一步工况计算，当出现相邻柱间沉降差超过报警值，可以采取停止上部结构施工、局部放慢或加速挖土、个别地方可采取注浆和加固等措施，这些措施在和谐家园施工中都实施过。实践证明，动态控制可以保证沉降差在一定范围之内的要求。

为保证逆作法施工时围护排桩的变形侧移在安全范围内，本工程在围护桩上每隔20 m设1个观测点，以防围护桩出现较大位移。通过本工程逆作法施工实践，应注意以下问题:减少基坑支撑暴露时间，以减小基坑变形;各种节点的连接方法要适当，才能保证施工质量;充分考虑混凝土的收缩对排桩支护结构变形的影响。在整个施工过程中，地下围护桩最大位移为14.3 mm，远小于设计要求的允许值。基坑周边地表未发现明显下陷，相邻结构物未见明显变化，施工效果非常理想。

4.3 逆作法施工中的挖土技术

挖土是逆作法施工的重要环节，有顶盖的地下挖土难度大，周期长，不仅是影响工期的关键因素，而且挖土是产生变形的主要原因，也是施工安全的关键。由于采用逆作法施工，暗挖时受某些客观条件影响限制而无法采用大型机械，为确保工期，本工程采用2台pc100小型挖土机配合人力开挖，且每个工作面配备10～15人，地下水平运输采用人力拖车运输到出土孔下，出土吊运由提升设备完成，再由卡车运出工地。按正常情况应能保证每天完成300 m3土方量，为保证土方被及时清运离场，根据现场情况，本工程利用了预留的2个车道口，并采用钢结构龙门架2台电动葫芦及吊斗进行土方运输，从而满足每天土方运输量的要求，见图3。

图3 向上施工结构、向下施工挖土示意

4.4 柱、梁、板的节点施工

由于逆作法施工，其地下室的结构节点形式与常规施工法有较大的区别。墙梁是将围护桩上预留的埋件凿出焊上钢筋，柱梁的节点施工是先在中柱桩预留的钢圈上焊上钢筋，然后绑扎梁、板的钢筋、浇捣混凝土，待基础大底板完成后，再浇捣外包复合柱和复合墙的混凝土，见图4。

图4 支撑柱与梁的连接节点

因此施工中预埋件位置必须正确完好，后续焊接必须牢固。后浇混凝土要采取可靠措施，做到密实无收缩裂缝，这些都是逆作法施工中必须注意采取的技术措施。

4.5 施工关键技术

1)施工组织设计中应进行逆向思维。在正作法中，地下室的剪力墙如焦点筒、人防墙及地下室外墙等作为竖向构件承受荷载。但在逆作法中，剪力墙是先施工上一层，再施工下一层，受力模式已发生变化，故创建计算模型时也应调整输入模式。为了有效地控制基坑变形，采用了围护排桩作为基坑支护手段，地下室各层楼面的梁板体系作为水平侧向支持，围护结构将与内衬墙一起组成地下室外墙结构，成为永久性构件。

2)钢管柱与梁板的就位连接。本工程采用环梁节点，须预先在钢管上焊接抗剪环箍，且定位要求一定要准确。施工地下室时如高程发生错误，处理措施相当困难，由于现场补焊环箍操作困难，而且管内混凝土可能因温度过高而影响受力性能。

3)钢管柱吊装的垂直度控制。由于逆作法的施工工艺的特别性，决定了地下室的竖向构件必须采用钢管柱或格构式钢柱，而吊装这一竖向构件时怎样控制垂直度成为关键因素，本工程先在桩顶高程以下1 m处布置定位钢板，定位钢板有三个调整螺栓，以调整钢板水平，钢管柱中部采用钢筋制成笼状定位架，在地面也设有井字形定位木架，实践证明，这种定位方法取得了较高的精度，可以满足工程需要。

4)地下室楼面梁与围护桩的连接。在逆作法工程中，内衬墙尚未完成，边跨的楼面梁一端支承在钢管柱上，另一端则必须支承在地下围护桩上。原计划在地下围护桩钢筋笼中预埋连接钢筋，地下室开挖后凿去混凝土保护层后，扳出钢筋与梁钢筋焊接即可，但由于施工偏差及方案修改，这些预埋钢筋位置难免有偏差出现，施工中可采用局部植筋的措施解决。

5)开挖深度的控制。土方开挖过程中必须严格控制开挖深度，避免围护桩及钢管柱的失稳，并应在围护桩上进行测斜监控。

6)桩基选定。从钢管柱布置定位的要求来看，人工挖孔桩是较好的选择，笔者曾在另一个工程中使用钻孔灌注桩，由于泥浆的作用，钢管柱难以保证垂直度，开挖后发现偏差较大。就本工程的地质情况而言，黏土层和砂层比较厚且无地下水，适合采用挖孔桩。事实证明，这一措施是有效的。