某超高层全逆作施工地下室的结构设计

朱祖敬，赵松林，程 炜，吕 鹏

（广州市设计院 广州510620）

0 引言

随着城市的发展，高层建筑多而密集，相应的施工场地变得越发狭小，需尽早封闭地下室顶板以提供更多的施工堆场；较多项目地下室顶板需尽早封闭以恢复地面的使用及街道景观。为解决该类问题，逆作法应运而生。逆作法通常分作两类：全逆作法和半逆作法。二者的区别在于地上部分是否和地下部分同时施工。全逆作法的优点明显：

⑴ 地下室顶板能尽早封闭使用；

⑵ 能降低天气对地下室施工的影响；

⑶ 地上、地下同时施工，能较大的缩短总工期，使项目尽早投产；

⑷ 能减少基坑变形，减小施工对相邻建筑物的影响；

⑸ 能减少临时支撑，使材料充分利用［1］。

逆作法要求设计与施工需紧密配合。本文结合某超高层全逆作施工地下室的结构设计，介绍从选型到施工图设计中的要点、难点，为类似工程提供参考。

1 工程概况

某项目位于广州市中心两主干道交叉处，场地周边为高档住宅及商业写字楼，市政景观及环境要求高；建筑红线范围与建筑边线接近，且红线范围内存在市政河道，可用的施工场地小；业主要求该项目尽早完工并作为一新地标投入使用。综合评估后拟采用地下室全逆作施工，不仅缩短工期，同时降低对周边写字楼及住宅的影响。

项目地上包括南北2栋塔楼，主体结构高度分别为150 m（34层）和120.6 m（26层）。地上功能包括办公、商业、餐饮、银行等；地下3层，功能为汽车库、非机动车库、设备房及人防空间。

2栋塔楼的结构体系均采用钢筋混凝土框架核心筒结构（为减小柱截面，底部楼层柱采用钢管混凝土柱），地下室为框架结构。地下室楼盖型式如下：首层为梁板结构（室外覆土区域采用加腋大板），地下1层及地下2层均为无梁楼盖型式，底板为按自承重设计的筏板。因场地东侧用地范围内分布有市政排洪渠，导致两塔楼东侧一跨无法落地，结构上采用了斜柱转换外加钢吊柱的结构体系。

本项目为超限高层建筑［2］，主体结构复杂，地下室采用逆作法时设计难度更大，因此需要合理方案选型、精细化设计方能保证项目安全、快捷施工。本工程的总平面图、效果图及剖面图如图1、图2所示。

2 工程地质条件

本项目地处珠江三角洲北部，为山前冲积平原地貌。地势平坦，场地东侧有一地下分洪渠，宽约20 m，水深约2 m。场地岩土层自上而下划分为：人工堆积层、冲积层、残积层与泥质粉砂岩，底板底为强、中风化泥质砂岩。拟建场地在勘察深度范围内亦未见其它影响场地稳定性的不良地质作用，场地稳定，宜于建筑。

图1 总平面图及效果图Fig.1 General Layout and Renderings

图2 建筑剖面图Fig.2 Building Section

勘察期间地下水主要赋存在上部填土层及中砂层中的孔隙水，总体地下水含量一般。补给途径主要为大气降水及附近河涌的侧向补给。场地地下水水位随雨季的变化而变化，幅度在1.0～2.0 m之间。

3 逆作结构选型与分析

地下室逆作法结构方案选型包含以下内容：基坑支护方案、地下室支撑柱选型、剪力墙支撑柱选型、基础选型、出土方案等，以下分别介绍。

3.1 基坑支护方案

经过方案比选，基坑支护采用了“两墙（基坑支护地下连续墙与永久地下室外墙）合一”的结构型式［3］，考虑到侧壁防水及后期施工的楼面结构与之连接的可靠性、便利性因素，连续墙内侧设置了导流沟及砌体内衬墙。逆作法采用“两墙合一”有以下优点：

⑴ 基坑支护地下连续墙与地下室结构外墙合并，能减少结构墙占用空间、扩大地下室使用面积；

⑵ 地下室梁板作为支护墙的水平支承构件，能节省临时支撑造价，且能更好的控制基坑变形。

典型楼面与地连墙连接大样如图3所示，地下连续墙典型厚度为1.0 m，墙柱帽典型高度600 mm。基坑支护设计时需与主体结构设计紧密配合。

图3 典型楼面与地连墙连接大样Fig.3 Connection Detail of Typical Floor and Diaphragm Wall

3.2 地下室支撑柱选型

本项目塔楼采用框架-核心筒结构，无上部结构的地下室采用框架结构。综合造价、施工速度、施工难易程度等因素，地下室柱采用了永久钢管混凝土柱，有以下优点：⑴钢管混凝土柱竖向承载力高，能减少材料用量；⑵地下室柱一次成型，后期无需再进行柱二次施工，减少了施工工序，利于提高施工速度。

钢管柱典型柱径为：塔楼柱900 mm、1 000 mm；地下室柱600 mm、700 mm；内灌C60混凝土。

3.3 剪力墙支撑柱选型

两塔楼为框架-核心筒结构，核心筒剪力墙在地下室逆作期间需要采用支撑柱托换，支撑柱的的选型对上部结构受力影响较大，且对上部楼层施工层数影响较大。本项目支撑柱采用了小直径钢管混凝土柱［4］（单柱单桩布置，局部剪力墙为双柱单桩布置），主要从以下几方面考虑：

⑴ 逆作期间因塔楼需同步往上施工，核心筒剪力墙施工期间轴力较大，布置临时角钢支撑柱无法满足承载力要求，因此，适宜选用承载力更高的钢管混凝土柱。

⑵ 地下室核心筒剪力墙典型厚度为600 mm、800 mm，选用小直径的钢管混凝土柱能隐藏在墙内而不影响建筑使用。

⑶ 因塔楼上部为斜柱转换结构，斜柱产生的较大拉力传递至核心筒剪力墙，墙内需设置型钢骨架来承担该拉力及提高墙体延性，因此可利用地下室的部分支撑柱直伸至斜柱转换层。

由于墙厚因素导致钢管柱柱径选择有很大限制，柱数量增多后对桩的布置又带来困难。设计时结合剪力墙的布置，采用了“一柱一桩”及“两柱一桩”的混合布置方式，顺利的解决了钢管柱及桩布置的矛盾。

剪力墙支撑柱典型柱径为：650 mm、450 mm（局部为双柱布置，双柱间净距50 mm）；内灌C60混凝土。核心筒墙内支撑柱布置如图4所示。

3.4 基础选型

本工程底板底基本为强、中风化岩，地基承载力能满足底板竖向荷载要求，因此，底板为自承重设计，底板厚750 mm。

图4 核心筒剪力墙支撑柱布置Fig.4 Layout of Shear Wall Support Column of Core Tube

因逆作要求，支撑柱需与基础同时施工，结合地质情况柱基采用旋挖灌注桩基础，单柱单桩布置（核心筒内局部双柱单桩布置）；地下室抗拔采用抗拔桩设计。柱需预先锚入桩内，为留足施工操作空间，经与施工方协调，桩径为1 600～2 500 mm。

钢管混凝土柱与桩连接及柱脚［5，6］大样如图 5、图6所示。钢管柱埋入灌注桩深度取3.0D（D为钢管柱管径）。钢管柱内混凝土强度等级高于灌注桩，施工时需确保不同等级混凝土的准确浇筑，这是施工的一大难点。此外，钢管柱施工完成后，需对管外空隙进行回填密实，以提高土层对钢管柱的侧限作用，减小柱逆作期间的计算长度。

图5 钢管混凝土柱与灌注桩连接大样Fig.5 Detailed of Connection between Concrete Filled Steel Tube Column and Cast-in-place Pile

图6 钢管混凝土柱柱脚大样Fig.6 Detailed of Concrete Filled Steel Tube Column Base

3.5 出土方案

地下室出土方式应结合场地出土条件、出土口对主体结构的影响、出土效率等综合选择，一般有坡道出土、洞口垂直出土等方式。本工程采用了洞口垂直出土的方式，地下室顶板施工要求如图7所示。

图7 顶板施工平面布置Fig.7 Layout Plan of Roof Construction

地下室顶板先行施工，在2栋塔楼间的地下室处布置出土口，能减少地下室土方开挖、出土等对主体结构施工的影响；利用已施工的地下室顶板，在行车区周边布置材料堆场，能充分利用狭小的施工场地，满足施工要求。

4 逆作结构分析与设计

4.1 项目逆作工序

本工程首先正向施工地下室顶板（即首层），然后地下开挖、地上施工同步进行。地下室逆作工序如图8所示。地下室底板及地下剪力墙逆作施工完成前，2塔楼施工情况如下：

⑴ 北塔：结构封顶；室内隔墙施工至24层、幕墙施工至26层；2～26层楼面无建筑面层及使用荷载；27层以上楼面施工荷载不得超过2.0 kPa。

⑵ 南塔：结构及幕墙封顶；室内隔墙施工至20层；2～20层楼面无建筑面层及使用荷载；21层以上楼面施工荷载不得超过2.0 kPa。

地下室各层楼板作为地连墙的水平支撑，当本层楼面（包括膨胀加强带）封闭并达到80%强度后方可向下开挖，严禁抢挖、超挖。

图8 地下室逆作工序Fig.8 Basement Reverse Operation

4.2 结构设计原则

项目主体结构需满足正常使用及逆作施工两阶段的受力要求，因此，需采用两阶段包络设计方法进行主体结构设计：

第一阶段：按常规工况对正常使用下的地下室梁、板、柱、墙等构件进行承载力及变形分析、设计。

第二阶段：按逆作施工工况复核第一阶段的主体构件设计（分多个工况模型逐一复核），对不满足要求的构件进行加强。包括以下内容：

⑴ 首层及其余地下各层楼面需满足施工堆载、车辆荷载、其他施工荷载的承载力要求。

⑵ 首层及地下各层楼面作为地下连续墙的水平支撑，承担地下连续墙传来的土压力，特别是逆作期间由于部分楼层后做的因素导致承担的土压力较正常使用时大，因此需复核各层楼面在不同施工工况时的受压承载力。特别需对楼面预留的出土口、设备吊装口等临时洞口周边楼面及对各墙、柱的受力影响进行详细计算及加强处理。

⑶ 逆作期间由于地下室各层楼面后作，导致墙、柱计算长度增大，需进行复核验算；逆作时地下室柱均需采用钢管混凝土柱，需处理好钢管柱梁节点。

⑷ 逆作期间地下部分核心筒剪力墙均需要采用支撑柱承托，需考虑支撑柱对上部永久结构的影响。

4.3 地下室楼面结构设计

地下室各层楼面（包括首层）结构设计复核内容包括各楼面施工荷载、各施工洞口施工期间的楼面承载力复核、作为支护结构水平撑的平面应力复核及楼面结构及钢管混凝土柱节点设计。

本工程地下室平面约73 m×130 m，为超长地下室。由于逆作期间楼面需作为基坑支护的水平支撑，楼面需尽早成型。因此，地下室楼面采用了膨胀加强带来改善超长结构施工期间的温度应力，并通过适当加强楼板内通长钢筋配置来改善使用阶段的应力。通过采取上述措施，楼面结构能尽早形成完整的楼面以支撑支护结构，从而加快向下施工的速度。

4.4 地下室梁柱节点设计

本项目地下室梁柱节点存在4种连接情况：钢管混凝土柱-混凝土梁；钢管混凝土柱-型钢梁；钢管混凝土柱-型钢混凝土梁及钢管混凝土柱-无梁楼盖柱帽连接节点。针对各节点特点，按规范［3］采用了钢筋混凝土环梁、钢环梁、钢筋混凝土环梁+钢牛腿的型式。典型钢管混凝土柱与柱帽连接节点大样［7，8］如图9所示。

4.5 施工要求

采用钢管混凝土柱作为逆作期间的支撑柱及永久的地下室柱，柱的垂直度、水平定位控制是逆作法施工的关键。按规范［9，10］要求，对钢管柱的垂直度偏差须在1/1 000之内，轴线偏差＜5 mm，标高偏差＜10 mm，顶面平整度＜5 mm。本工程钢管柱施工定位采用钢定位支撑架，并采用顶、底各设置4个千斤顶调垂的方式，并在桩、柱浇筑混凝土过程中多次复核、确认定位及垂直度。调垂施工现场如图10、图11所示。本工程地下室柱已施工完成，现场反馈柱定位及垂直度控制情况较好。

5 结语

图10 定位支撑架现场Fig.10 Site of Positioning Support

本文介绍了地下室全逆作法在实际工程中的应用，对逆作相关的结构选型、逆作结构分析、梁柱节点设计等多方面进行了详细阐述。全逆作法的支护结构、竖向支撑系统、梁柱连接节点等设计虽较复杂，但在工期方面有明显优势，同时能减少基坑变形等，适合城市密集区域的建筑施工。逆作法对设计人员和施工技术水平要求较高，需要结合施工工序及方案进行精细设计，方能做到逆作结构的安全与经济性。本文对逆作法设计的系统介绍，可供类似项目的设计提供参考。

图11 现场复核垂直度Fig.11 Site Review Verticality