逆作法在深基坑地下室工程施工中的应用分析
2013-04-29谢晓林
谢晓林
摘要：随着地下空间的发展，深基坑施工技术的成为地下工程领域关注的问题之一。文章以某深基坑工程地下室施工为工程背景，对于深基坑地下室逆作法施工技术进行了探讨，实践证明，该技术节省支护结构的支撑、保证周边建筑安全、满足工程进度要求，较好的达到预期目标。
关键词：深基坑；逆作法；地下连续墙；监测；施工技术
中图分类号：TU93
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2013）09-0097-03
1 工程概况
某深基坑工程长约214m，宽约65m，占地面积22260m2，地下室3层，埋深最深为17.800m，属一级基坑。本工程自然地坪相对标高为-0.650m，基坑普遍区域底板面标高为-14.300m。
本工程地下3层，地下室为框架剪力墙结构和框架结构，钻孔灌注桩基础，地下室开挖深度14.9～15.2m，局部落低1.5～2.6m。地下室采用逆作法施工，竖向支撑体系设计为一柱一桩，永久ψ500mm×12mm钢管内灌C50混凝土柱，主楼区域待混凝土柱逆作法完成后外包钢筋混凝土形成主体结构柱，裙房及地下车库钢管混凝土柱即作为主体结构柱，桩中心允许偏差5cm，垂直度偏差≤1/300。地下室结构剪力墙等区域留设洞口，待开挖至基底后由下向上顺作施工，部分开洞作为土方开挖的取土口。地下室各层结构梁板由后浇带（温度后浇带和结构后浇带）总体分为15块，每层位置相同，底板混凝土设计强度等级为C40，抗渗等级为P8，厚度分为1.0m和1.3m2种，属于大体积混凝土。
2
工程与水文地质条件
2.1工程地质条件
拟建场地勘察深度范围内揭露的地基土属第四纪松散沉积物，局部呈现地面下1.000～3.000m为杂填土：除此外在地面下1.600～2.300m均分布有②1层褐黄色粉质黏土，3.000～8.000m为③层灰色淤泥质粉质黏土夹砂质土，8.000m以下④层灰色淤泥质黏土、⑤1—1层灰色黏土、⑤1—2灰色粉质黏土中也夹有薄层粉土，具有高灵敏度、高含水量、高压缩比、低强度及低中渗漏性特点。土方深度范围内地基土构成及特征如表1所示。
2.2水文地质条件
1）潜水浅部土层中的潜水，埋深一般离地表面0.3～1.5m，年平均地下水位离地表面0.5-0.7m，水位呈季节性波动，主要取决于降雨量的大小和雨期持续时间。
2）地下水主要有浅部土层的潜水、部分地区浅部土层中的微承压水和深部粉性土、砂土层中的承压水。本工程基坑开挖深度约为15.300m，基坑底部以下的土层为④，⑤1—1，⑤1—2，⑤3，⑤4，⑦1及⑦2层土，其中④～⑤4层为黏性土，属于隔水层；⑦1及⑦2层属承压水含水层。根据本地区承压水头长期观测资料，其承压水头埋深一般在3.000-11.000m，呈周期性变化。若按最不利工况考虑，即按承压水头埋深3.000m，地下室开挖深度15.300m，⑦1层顶板最浅埋深为42.100m，通过估算，本工程⑦1层土中的承压水对基坑底部无影响。由于⑦2层土埋藏较深，其承压水对基坑底部也无影响。
3 关键施工技术
3.1地下连续墙
整个基坑外围采用地下连续墙进行围护，地下连续墙厚800mm，相邻槽段之间采用柔性接头连接，墙身有效长度为导墙下30.9～35.9m，混凝土强度为水下C30混凝土，抗渗等级P8，地下连续墙墙址注浆加固。
基坑四周坑内土体加固采用φ850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩，相邻桩搭接200mm，地下连续墙与坑内三轴搅拌桩加固之间采用m600mm@400mm旋喷桩加固连接。三轴水泥搅拌桩加固宽度为6.65m和6.05m，加固深度为基坑开挖面以下5m，其中开挖面以下水泥掺量为20%，开挖面以上至一2.800m水泥掺量为10%。
坑外地下连续墙相邻槽段接缝处采用（I）800mm@500mm旋喷止水桩，每个槽段连接处设3根，呈“品”字形布置。基坑局部落低1.500～2.600m，坑中坑加固采用φ850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩，加固深度在4.500～6.000m，水泥掺量为20%。
基坑开挖时，全过程跟踪检查，地下连续墙观感质量、平整度良好，无鼓包，无渗漏现象，无露筋部位。
3.2一柱一桩垂直度控制
本工程采用永久钢管柱加临时格构柱，钢管柱插入钻孔灌注桩，主楼钢管柱外包钢筋混凝土，裙房为停车库，钢管柱外侧涂防火涂料，作为永久柱。钢管柱与灌注桩的连接，钢管柱插入桩体至少3m，在钢管柱底加焊竖向分布筋和环向筋，在柱的锚固端均匀开设4个椭圆孔，以便混凝土流动，加强桩、柱之间的连接。2011年11月15日开始施打立柱桩，有6台GPS-15型钻机，2台钻机1d施工3根，一柱一桩共计有329根，于2012年1月13日全部施工完毕，钻孔灌注桩共3194根。钻孔灌注桩深度范围内③，④层为软弱的淤泥质黏土，含水量高、孔隙比大、液性指数大、强度低及渗透性差，因而具有较大的流变特性，故给孔壁稳定性带来一定的影响，施工时易产生坍塌或颈缩现象。为保证钻孔灌注桩质量及钢管柱桩的垂直度要求，施工过程中应适当提高泥浆的密度及稠度，确保成孔施工质量。
根据图纸尺寸准确测放出各桩位中心点，然后以桩位中心点为垂足，在硬地坪上弹2条长约2.5m互相垂直的墨线，墨线的4个顶端分别用红油漆画上红三角，以控制桩的中心点。护筒挖设好后，用孔口定位器盖在护筒口上，使定位器四边的中心点分别与护筒四周的墨线（红三角）吻合，然后将定位器的4个角用膨胀螺栓固定在硬地坪上，并调整好定位器的水平度。根据施工工艺及成孔质量要求，采用稳定性较高、导向性较好的GPS-15型工程钻机进行成孔施工：钻机就位后，必须进行对中校正，使机架中心点、转盘中心点和桩位中心点在同一铅垂线上，最大偏差≤5mm，并调整好转盘的水平度，确保成孔质量满足安装钢管柱的要求。钢管顶端内壁对称焊2个用钢板制作的吊耳，用501履带式起重机通过单片滑轮起吊钢管顶端的吊耳，再用另一台起重机起吊钢管总长的1/3处（防止钢管柱塑性变形），同步提升，使钢管一端缓缓吊起，当钢管与地面夹角>60°后放开副起重机，由主起重机独自吊起，让其自然垂直地插入桩孔口已焊接好的钢筋笼内3m，然后与钢筋笼同步慢慢放入孔内（钢筋笼用钻机上的卷扬机起吊），下放的同时在两个相互垂直的方向上各架1台经纬仪，跟踪观测钢管的垂直度。当钢管放至顶标高时，用专用校正器夹住钢管，两头用螺栓拧紧，并使校正器四边的中心点与钢板四边中心线吻合，再用全站仪复核钢管的中心点坐标，无误后用螺栓将校正器固定在定位钢板上，然后用水准仪测量钢管的顶标高，当钢管顶标高满足要求时再用4块三角铁等分地焊在钢管的四周。
基坑开挖到底后，对329根钢管柱进行全数实测实量，有9根柱的偏差在1/300～1/500，其余320根垂直度偏差均在1/500之内，合格率为97.3%。
3.3基坑降水
3.3.1降水思路
基坑四周采用地下连续墙围护结构，隔断了基坑开挖深度范围内地下水（潜水）与外围地下水的水力联系，因此在进行潜水降水方案设计时不考虑周围地下水的侧向补给，只需将基坑内地下水位降低至设计要求。同时根据地质勘探报告，承压水对本基坑开挖无影响，因此降水井的设计不考虑承压水，采用真空管井降水来达到降水疏干的目的。由于上部潜水层的含水量较大，渗透性较差，在抽水过程中靠地下水的高差（重力作用）在短期内抽排地下水比较困难，因此本基坑降水拟采用真空深井降水，以加快地下水的径流速度、疏干土层的含水量，达到施工要求。
3.3.2基坑内抽水量估算
W=μAH≈33167m3
式中：W为容积储存量（m3）；A为基坑面积（m2）；为降水深度，即潜水静止水位至基坑底板以下0.5m：μ为含水层的给水度（粉砂与黏土给水度经验值为0.10-0.15），本次根据上部土层的性质取μ=0.10。
3.3.3坑内真空深井的布置
根据以往施工经验和本地区同类工程降水实例，考虑到基坑已做的三轴搅拌桩等加固措施，按照每口井有效降水范围为170-200m2布置深井，深井数量为110口，深井布置距离基坑周围地下连续墙控制在10m以内，井与井之间距离控制在14.0-16.0m，深井在坑内呈梅花状分布，布置位置应避开工程桩、基坑底搅拌桩加固区、围护支撑立柱及主体结构梁等部位，便于固定和抽水管理。另外，布置10口观测井，观测降水期间坑内水位情况。每6口井安装一个真空泵，各井真空胶管分别接至总管，并分别由阀门控制，以保证真空泵24t"1运转。
3.3.4抽水天数
根据估算，当疏干井全部抽水后，约14d后能将基坑内的地下水降低到基坑底开挖面以下0.5m，因此，上述布置完全能满足基坑的开挖要求。
3.3.5降水井结构
降水井孔径为650mm，深度为开挖面以下约3m。降水井结构分井壁管、滤水管、沉淀管、填砾料和封孔。井壁管采用焊接钢管，直径为273mm，井管的壁厚为3mm；滤水管采用2.0m长桥式滤水管，滤水管的直径、壁厚与井壁管相同，每口井设3个，根据开挖区域所遇土层的透水系数和每层的挖土标高，滤水管布置在-8.300，-13.500m和-15.500m标高：沉淀管主要起到过滤器不致因井内沉砂堵塞而影响进水的作用，沉淀管焊接在滤水管底部，直径与滤水管相同，长度为1.00m，沉淀管底口封死。填砾料采用粒径0.5-2mm中粗砂，形成人工过滤层，回填深度为地面以下3.000m至孔底。封孔采用优质黏土围填至地表并夯实，并做好井口管外的封闭工作，封孔范围为地面以下3.000m。
3.4通风照明
地下照明采用防爆、防潮、亮度大的低压（36V）安全水银灯具。随着挖土方向灯具及时跟进安装。照明线路管在上一层楼板施工时预埋，灯根据现场实际情况设置，约20m2设1只；应急通道的照明需采用一路单独线路，以便于施工人员在发生意外事故导致停电时从现场撤离。本工程基坑面积22600m2，采用以下通风方式：将风机布置在顶板上，竖向通风管道为800mm×800mm白铁皮方管，在每个挖土阶段标高设2个300mm风口，接出内配螺旋筋的塑料软管，该软管可人工移动和接长，采用抽吸的方式直接抽出废气排放集中区的污浊空气，尽快在废弃扩散前排除，可以大大降低对风机通风量的要求。当挖土到下一个标高时，上面的风口封闭，塑料软管移至该标高。当上面施工区域也有大量电焊机工作时，可打开该标高风口，做临时通风。该通风系统不能直接作用的上部施工区域，可布置水平向小功率通风机。根据以往施工经验，现场布置7-8台T4-726A型离心式风机。
3.5取土口布置
本工程取土口面积一般为100m2，最大的取土口面积为850m2，原设计为10个出土口，根据现场条件，在中间区域设5个出土口，周边设12个出土口，考虑到长臂反铲的作业半径要求，出土口边长>9m，栈桥宽度在9m左右。出土口和栈桥均设计确认和验算通过。
地下室顶板与中板取土口位置一致，由于取土口与栈桥设置合理，每个取土口的日出土量可达到顺作法基坑的出土量。
3.6中心盆式周边抽条挖土技术
基坑土方开挖总量近33万m2，施工必须严格执行“分层、分段、分块留土护壁，限时、对称、平衡开挖”的原则，减少围护结构的无支撑暴露时间，基坑分3层开挖，每层又分2次开挖，按照施工总体方案，基坑开挖分2个施工段流水施工。为控制基坑变形，采用中心盆式挖土、四周抽条挖土的施工技术，具体如下。
1）待地下连续墙、压顶梁达到设计强度后，坑内中心采用盆式挖土至-3.600m，四周留设10m宽放坡平台，并施工垫层，坡体设置50mm厚细石混凝土和钢筋网片护坡：施工1层中心区域楼板结构，待强度达到要求后，对称抽条开挖周边土方至-3.600m，施工1层周边楼板结构。
2）观测井水位达到-8.800m后，中心区域盆式开挖至-7.800m，土方量约107100m2，拟采用6个挖土机机组，12台0.8m3挖土机两级接力、三级放坡的方式开挖，每级临时放坡坡度均≤1：1.5。基坑周边以1：2坡比放坡并留置≥10m宽的歇止平台。每次挖土面积≤200m～开始浇筑混凝土垫层，斜坡采用钢丝网片加50mm厚细石混凝土护坡，进行地下1层中心区域楼板施工。
3）待地下1层中心区域楼板施工完成并达到设计强度后，立即分段抽条挖出盆边土。该区域总土方量约31000m3，拟采用5个挖土机机组进行施工，每个机组由1台0.8m3，15m臂长的长臂挖掘机与3台0.5m。挖掘机组成，其中0.8m2加长臂挖掘机负责坑顶挖土，0.5m2挖掘机负责在坑内挖运加长臂挖掘机施工盲区土方。地下1层周边区域垫层及楼板施工与挖土同时进行，沿后浇带分块浇筑混凝土，快速形成基坑水平支撑系统。
4）待观测井水位降至-13.200m，地下1层楼板达到设计强度并拆除模板支撑系统后，盆式开挖地下2层区域土方至-12.200m，该区域总土方量约65000m2，挖土层高4.400m，拟采用5个挖土机机组进行施工，每个机组由1台0.8m2，18m臂长的长臂挖掘机与3台0.5m2挖掘机、2台坑道挖掘机组成，地下2层中间区域楼板施工随挖土进行。
5）分段抽条挖出盆边土，该区域总土方量约30000m2，最终完成地下2层楼板施工。
6）待观测井水位降至-16.300m，地下2层楼板达到设计强度并拆除模板支撑系统后，盆式开挖地下3层区域土方至-15.500m，该区域总土方量约70000m2，拟采用5个挖土机机组配合起重机抓斗进行施工，每个机组由1台0.8m3，21m臂长的长臂挖掘机辅助1台30t履带式起重机抓斗与3台0.5m3挖掘机、2台坑道挖掘机组成，当长臂挖掘机挖深不够时采用履带式起重机抓斗施工。底板垫层厚250mm，要随挖随浇，必须在24h内完成。中心岛底板施工随后跟进，必须在72h内完成，而后对称抽条开挖。
7）分段抽条挖出盆边土，该区域总土方量约35000m3，挖土完成后立即施工250mm厚配筋垫层，并完成底板施工。通过中心盆式挖土，周边对称抽条挖土，在垫层混凝土中掺加早强剂，基坑一直处于受控稳定状态，围护结构的监测值小于设计值，如图1所示。
3.7逆作法相关节点构造施工技术
3.7.1中间支承柱与楼板、梁的节点
本工程中间支承柱为钢管柱加临时480mmx480mm格构柱，梁柱节点钢筋密集，竖向支撑系统设计为一柱一桩，永久～500mm×12mm钢管内灌C50混凝土柱，主楼区域待钢管柱逆作法完成后外包钢筋混凝土形成主体结构柱，钢管柱与钢筋混凝土梁节点类型多，本工程主要采用环梁节点和一柱双梁节点两种类型，减少了割孔，以免造成应力集中影响结构受力，如图2所示。
3.7.2地下连续墙与楼板、梁节点
梁板为基坑的有效支撑，梁板必须与地下连续墙有可靠的连接，地下连续墙预先埋设钢筋，待基坑开挖后，将地下连续墙剥皮，钢筋掰直，地下连续墙做250mm宽，100mm深剪力槽，清理干净，确保有效连接，如图3所示。
3.7.3地下连续墙与底板的连接
本工程底板为筏板基础，厚度有1m和1.3m两种，地下连续墙预先按设计要求及标高埋设接驳器，土方开挖后，地下连续墙先剥皮，取出剪力槽内的木丝板，用高压水枪清理干净，找出接驳器，位置误差太大的，要经设计同意，采用植筋与底板钢筋连接，剪力槽内放置遇水膨胀止水条，保证底板不出现渗漏现象。底板属于大体积混凝土，需要采取钢筋支撑、温控等措施，如图4所示。
3.7.4地下连续墙与上部墙体的连接
地下连续墙施工完毕后，将上部浮碴凿除，按设计要求施工压顶梁，压顶梁上埋设外墙柱插筋和上部柱钢筋，并在压顶梁上做300-500mm高外墙，中间安放300mm宽的钢板止水板和遇水膨胀止水条，也可用企口缝达到防水要求，如图5所示。
3.8施工监测
3.8.1测点布置
1）基坑围护墙顶沉降及水平位移监测沿基坑围护墙顶周边布设39个沉降及水平位移观测点，测点编号为W01-W39。2）地下连续墙侧向水平位移监测（墙体测斜）在基坑围护地下连续墙体内布设19个侧向水平位移观测孔，测孔埋深为30m。3）周边深层土体侧向水平位移监测（土体测斜）在基坑外深层土体内布设9个深层土体侧向水平位移观测孔，测孔埋深为36m。4）基坑外地下水位监测沿基坑外周边土体内布设14个水位监测孔，埋设深度为8m。5）立柱沉降监测根据支撑立柱分布情况布设54个立柱沉降监测点。6）结构梁板内力监测梁板内力监测点根据主体结构布设，具体埋设测点数量根据结构确定。
3.8.2监测分析
通过对基坑监测数据分析，2012年3月10日，首层土开挖，地下连续墙变形不大，但基坑周边裂缝近期有增大趋势，又布设11个裂缝监测点，从监测数据看，尚未出现明显变化。地下连续墙位移随着土方开挖逐渐增大，在±0.000层楼板未封闭前，侧移曲线接近线性，最大位移发生在墙顶。地下1层楼板封闭后，由于楼板的支撑作用，地下连续墙的最大位移上升，但开挖面以上的位移相对稳定，呈抛物线，到底板封底后，位移基本稳定。楼板施工之前，地下连续墙底端位移几乎为0，说明地下连续墙插入长度设计合理，施工符合要求。2013年2月30日，底板施工完毕后，数据呈收敛状态，基坑相对稳定。
4 结语
与传统的施工方法相比，采用逆作法施工多层地下室主要有以下优点。
4.1可节省支护结构的支撑，深度较大的多层地下室，若用传统方法施工，需设置强大的内部支撑，这样会增加费用，而用逆作法施工时，土方开挖后是利用地下室结构本身来支撑，作为支护结构的地下连续墙可省去支护结构的临时支撑。
4.2采用逆作法施工时，一般只有地下1层占绝对工期，其他各层地下室可与地上结构同时施工，不占绝对工期，因此可以缩短工程的总工期。地下结构层数越多，“逆作法”施工工期缩短越显著。
4.3在逆作法施工中，是利用逐层浇筑的地下室结构作为周围支护结构地下连续墙的内部支撑。由于地下室结构与临时支撑相比刚度大得多，所以地下连续墙在侧压力作用下的变形就小得多，同时由于中间支撑柱的存在，使底板增加了支点，浇筑后的底板成为多跨连续板结构，与无中间支承柱的情况相比跨度较小，从而使底板的隆起也减少。因此逆作法施工能减少基坑变形，且能使相邻建（构）筑物、道路和地下管线等的沉降减小。
