深基坑逆作法及敞开式逆作法施工的抉择

2015-04-16

建筑施工 2015年5期

上海富达工程管理咨询有限公司上海 200032

1 工程概况

上海中山医院肝肿瘤及心血管病综合楼工程基地面积40 777 m2，总建筑面积178 028 m2，其中地下建筑面积约66 000 m2；地上建筑由2幢主楼为15层、裙房为2～6层的高层和2幢多层建筑组成，均设有3层地下室且整体连通，基坑开挖深度较大，基坑施工影响范围亦较大。

2 深基坑逆作法及敞开式逆作法

深基坑逆作施工是相对于通常的顺作施工而言。对于深度大的多层地下室，传统的施工方法是敞开式自下而上施工，即放坡开挖或在支护结构围护形成后垂直开挖，挖土至设计标高后，浇筑混凝土底板，然后自下而上逐层施工各层地下室结构。

而深基坑逆作法施工则是反向操作，它将地下室梁板、柱、外墙等永久性的结构与基坑支护结构作最大限度地有机结合，利用地下连续墙作为围护且与建筑结构“两墙合一”，中柱桩（一柱一桩）作为竖向支撑且为永久使用阶段的柱承受上部结构荷载，地下室梁板作为水平支撑，其施工顺序是从上向下逐层施工，直至基础底板形成[1,2]。

逆作法施工根据地下1层的顶板结构是封闭还是敞开，又分为封闭式逆作法和敞开式逆作法。前者在地下1层顶板结构完成后，上部结构和地下结构可以同时施工，有利用于缩短总工期；后者上部结构和地下结构不能同时进行施工，只是地下结构自上而下的逐层施工。

3 逆作法施工方法的抉择

3.1 本工程基坑主要特点

本工程基坑规模巨大，风险高。基坑呈不规则形状，基坑东西方向长211 m，南北方向长163 m，周长736 m，开挖面积达22 278 m2，开挖深度14.9～15.2 m，局部深坑落低1.5～2.6 m，土方量达33.8×105m3，属超大深基坑。

3.2 基坑周边环境复杂

本工程位于上海浦西中心城区，基地周边道路、地下管线和商居楼密集，环境保护要求高。

1）周边道路距基坑围护结构外边线距离：基坑北侧为7.6～11.7 m，基坑西侧为7.8～14.13 m，基坑南侧为8～14.6 m。

2）周边道路下距离基坑开挖深度2倍范围内基地下管线有众多煤、电、通信管线与水道，仅基坑西侧就有8根大型管道，最近距离仅9 m。

3）在基坑深度3倍范围内的建筑物主要有：建于20世纪30年代的民居、市政配套设施及改革开放后新造的高层建筑、商办楼等，特别是旧民居，紧邻基坑，对本工程基坑开挖极为敏感。

3.3 基坑施工选择逆作法的理由

1）基坑变形小，有利于深基坑施工过程中对周边环境的保护。本工程采用逆作法施工，是利用地下室3层结构梁板作为围护结构地下连续墙的水平内支撑，因为结构梁板比临时支撑刚度大、整体性好，而且没有拆撑、换撑工况，从而可减少围护结构在水土等荷载的侧压力作用下的变形。此外，挖土期间用作围护结构的地下连续墙，在地下结构逐层向下施工过程中，由于与结构柱、梁板共用作用，亦可减少地下连续墙的沉降，即减少了竖向变形。这一切都使基坑施工最大限度地减少对周围相邻建筑物、道路和地下管线的影响，保护周边环境安全。

2）可减小土方开挖过程中的基坑隆起，有利于基坑稳定和安全。由于施工期间楼面恒载和施工荷载等均通过中间支承柱传入基坑底部，压缩土体，可减小土方开挖后的基坑隆起，有利于基坑稳定和安全。

3）简化支护结构，有明显的经济效益。在逆作法施工中，一方面地下室外墙兼作围护结构，楼盖结构兼作水平内支撑，一柱一桩钢管柱兼作竖向支撑，可节省大量基坑支护费用。另一方面，因地下室外墙与基坑围护墙“两墙合一”，可在工程用地范围内最大限度地扩大地下室面积，增加有效使用面积。此外，永久楼盖结构作为支撑体系，比临时支撑受力更加合理。

4）有利于节约资源，减少对环境的负面影响，有较好的社会效益。深基坑采用逆作法施工还具有节材节能、环保等优点，有利于节约资源，减少对环境的负面影响，为建筑业可持续发展，建设资源节约型、环境友好型社会作出了应有贡献。本基坑逆作法施工，在节材方面，仅支护结构就可节约混凝土约20 330 m3；在环保方面，仅不用拆除混凝土支撑，即可减少固体废弃物排放量约12 300 m3；另一方面，地下室顶板形成后，对地下室后续施工过程产生的噪声、光污染、扬尘有较好的屏蔽和遮挡作用，可减小对周边社区居民、商户的影响，有利于社会和谐。

5）可节约工程投资。逆作法施工基坑支护结构主要由地下室外墙、梁板柱等永久性结构兼作，可节约基坑支护结构费用。一般可节省地下结构总造价的25%～35%。

4 敞开式逆作法施工抉择

本工程之所以采用敞开式逆作法主要有以下原因：

1）可大大减小立柱桩的单桩抗压承载力，节约桩基工程费用。本工程一柱一桩共计394根。采用敞开式逆作法，立柱桩单桩抗压承载力设计值为4 000 kN，而若选用封闭式逆作施工，其逆作施工阶段一柱一桩最不利工况为：地下3层结构梁板全部形成，地下部分结构达到3层，基坑开挖至基底标高，基础底板尚未浇筑之前。该工况下立柱桩承受上部各层结构自重以及施工荷载为4 870 kN。由此看出，采用敞开式逆作法，立柱桩单桩承载力设计值可以大大减少，同时可节约钢材299.44 t，节约混凝土8 029.72 m3，节约工程投资675.75万元。

2）有利于控制结构沉降差异，确保结构工程质量。控制建筑结构差异沉降是逆作法施工的关键问题之一。建筑结构差异沉降内容表现在两方面，一是地下连续墙和立柱桩的不均匀沉降；二是相邻立桩桩间不均匀沉降。逆作施工期间，在地下室基础大底板形成且混凝土强度达到要求之前，地上、地下结构自重和施工荷载全部由立柱桩和周边地下连续墙入土部分的摩阻力和端承力来承担。同时由于立柱桩承载的不均匀，增加了立柱桩之间或立柱桩与地下连续墙之间产生较大沉降差的可能性。若沉降差过大，已浇筑楼板与梁就会产生裂缝，将危及正式结构的安全。目前，事先精确计算封底前立柱桩沉降与抬升还有一定困难，完全消除沉降差也是不可能的，但可以通过采取措施减少沉降差，而敞开式逆作施工在大底板形成且混凝土达到强度之前，上部结构不施工，结构自重和施工荷载大大减小，上部不均匀荷载相对于封闭式逆作而言基本可以忽略，故其能更好地控制结构沉降差异，更易确保结构安全。

3）可降低施工组织难度、降低安全质量事故发生，有利于安全文明施工。若采用封闭式逆作施工，在地下室顶板形成且混凝土达到要求强度后，地下挖土、地下结构、地上各单位工程结构同时施工，施工活动所需人、机、料等各种资源投入达到高峰，无疑增加了施工组织难度。一方面，现场基坑占地面积大，周边场地狭小，无法提供更多场地资源；另一方面，大型运输车辆进出，地上、地下结构施工所需的各种材料、半成品垂直运输，坑顶长臂挖机在取土口部位抓挖土方等交织在一起，使不安全因素交织在一起，不但增加施工组织难度，影响施工进度，而且会增加质量和安全事故发生的风险。