高层建筑深基坑工程顺逆作法施工技术研究

徐福

南京市公共工程建设中心 江苏 南京 210000

深基坑开挖支护是一项具有时代特征的传统岩土工程学科，主要涉及基坑支护强度和稳定性、土体和支护体的位移和变形问题，基坑内外支护土体与结构基坑内外支护土体结构的相互作用、基坑保护工程周围的自然环境岩土保护，及其他基坑岩土保护工程中的问题。深基坑建设工程项目具有建设技术难度大、工程量大、不可持续预见风险因素多等几大特点，具有很强的工程实用性和技术可操作性。目前，深水井基坑开挖工程仍主要采用基于传统土方的压力计算理论，和工程经验分析比较法，尚未完全形成统一的工程理论体系和系统计算分析方法[1]。因此，根据不同的自然地质环境条件和不同深基坑建筑工程的应用特点，本文对此进行了深入的理论探索和深入研究，并充分运用现代科学的设计理论指导建筑设计和工程施工，以有效保证深基坑建筑工程的设计稳定性、有效性和使用经济性。

1 逆作法概述

所谓逆作法，是指在建筑边坡工程施工中由上而下分阶开挖及支护的施工方法。首先，沿着建筑物地下室周围的轴线建造密排桩或地下连续墙，以形成地下室的外围保护系统。然后，在建筑物内建造中间支撑柱或桩，形成垂直支承系统。然后，自上而下开挖，浇筑地下层梁板结构，养护到一定强度后，作为刚度大的水平支撑体系，然后逐步向下施工。同时，由于地下室的顶部结构已经完成，且有足够的工作面来建造上部结构，因此，可以同时进行地上结构和地下结构的施工，有利于缩短工期，直至工程竣工。与传统的施工工艺相比，深基坑逆作法施工技术具有以下特点：

(1) 采用深基坑自顶向下施工技术进行地下工程，可以大大缩短施工工期，使建筑物尽快出现在地面上，然后在浇注分层楼板后，将地下工程与地面工程同时进行。

(2) 深基坑逆作法施工通过地下连续墙的承重、支护、留桩作用，使地下室和地下连续墙的中间层形成稳固的整体，简化了深基坑支护的施工过程和主体工程的空间开挖，节省了大量的建设成本。

(3) 采用深基坑逆作法施工技术可以有效地避免基坑变形，减少对周围建筑物的影响系数，避免周围建筑物沉降。同时，地下室结构的刚度远高于传统施工中使用的临时支撑，从而缓解了地下连续墙的压力。此外，地下连续墙结构减少了传统支撑柱的跨度，避免了底板的凸起，并有助于缓解地下管道和道路的沉降。

(4) 采用自上而下的施工工艺也可避免受风雨影响，土方开挖不会占用太多工期。这是因为一层结构面可作为后续施工作业的平台，无需架设开挖作业面或内部支护施工，大大降低了支护结构和工作平台的施工成本。但在施工和使用过程中容易受到多种因素的影响，进一步降低了施工技术应用的效果值。因此，相关施工人员应从实际出发，即在高层建筑地下室逆作法施工技术局限性明显的情况下，找出最优控制的方法和策略。

2 高层建筑基坑工程顺逆作法施工的优势

为了能够更好的保证基坑变形、土体位移、围护结构受力变形等一些相关的规范要求，充分运用水平梁板的支撑来取代临时的支撑深基坑工程项目，在原来所设计的支护条件之下运用坑式开挖法针对相关的施工方案开展施工。由于高层建筑工程具有很大的特殊性，自顶向下法也是一项复杂的技术，但从施工效果来看，它显示出许多优点。

2.1 为缩短工期，增加场地面积

顺逆作法可加快建筑地面的出现时间，缩短相应的施工周期。在边界层底板位置浇筑后，边界层底板可作为施工场地，可向上或向下施工。对于具有多层地下室的高层建筑，如果采用传统的施工方式，总施工周期为地下结构施工周期加上地上结构施工周期，加上装修施工期等，但施工采用自上而下的施工方式。一般情况下，只有地下楼层占绝对工期，其他地下室可与地上结构同时施工，不考虑绝对工期，缩短了本工程总工期。

2.2 临时支护结构与永久性结构有效结合

地下连续墙在施工过程中可以起到挡土、承重的作用，整个地下室相应的楼层和地下连续墙可以连接在一起，形成一个整体。同时，在深基坑支护与主体工程之间的施工空间中不需要土方开挖，减少了土体变形，提高了应力。“逆作法”是将地下室结构逐层浇筑，作为周围支撑结构地下连续墙的内支撑。由于基底结构的刚度远远大于临时支撑物，因此隔膜壁在侧向压力下的变形较小。另外，由于中间支撑柱的存在，底板的支撑点增加，浇注后的底板成为多跨连续板结构，与没有中间支撑柱的情况相比，跨度减小，从而减少了底板的凸起。因此，“自上而下法”可以减少基坑的变形，减少邻近建筑物、道路和地下管道的沉降，确保施工过程中的正常使用。

2.3 确保施工现场附近建筑物的安全

顺逆作法中的每一层都能连续支撑地下连续墙，结构的变形将变得非常小。深基坑主结构施工过程中会漏水，因此，地下连续墙外的土体不会受到干扰，因此，地下室对土方开挖过程中邻近建筑物的地基沉降没有影响。钢筋混凝土楼板应满足抗浮性施工的要求。采用传统施工方法时，底板浇筑后浮力造成的支点少，跨度大，弯矩大。有时在施工中需要增加底板厚度或加固底板钢筋，以满足抗浮要求。但地下、地上结构施工完成，上部载荷通过后，混凝土加厚满足抗浮要求，在底板上作为自重载荷，使底板设计不合理。采用“自上而下”结构，地板支点增大，跨度减小，更容易满足抗浮要求，甚至减少了地板的加固，使地板的结构设计较为合理。对于埋深较大的多层地下室，如果采用传统的施工方法，需要设置坚固的内支撑或外锚，以减少支撑结构的变形，这不仅消耗了大量的钢材，而且有相当大的施工成本。

3 高层建筑基坑工程顺逆作法施工方法与策略

随着深基坑建筑工程管理实践经验的不断积累，深基坑建筑工程的项目设计管理原则和工程施工管理技术也日趋成熟。但在实际施工过程中，要根据不同的建筑工程项目，制定一套相应的工程施工设计方案，不能盲目性地依赖传统施工实践经验，不能机械化地照搬传统书本上的施工理论知识和运用计算机的方法。因此，我们必须对深入的基坑保护工程工作有一个系统的深入认识，并充分运用基础理论技术知识和并结合资深工程师的实践经验案例来正确处理每一个工作环节。为保证基坑变形、土体位移、支护结构的应力变形等，采用基坑支护方法，在原有设计支护条件下，采用水平梁板支护代替临时支护，建立深基坑工程。基坑开挖方法施工方案的研究对类似的深基坑工程具有重要意义。

3.1 顺作主楼后逆作裙楼的施工方案

超高层建筑一般可分为两部分：主楼和裙楼。目前，超高层建筑采用主楼、裙楼的施工方法。如果按照常规的方法进行施工，施工难度大，工期长，对施工现场周围的管线影响较大。但如果只采用逆作法施工，主楼主体结构的质量难以保证，因此，应该运用科学、合理的方法和策略有效控制施工工期。

本文作者结合一个专业工程的实例，进行了一个有针对性的实际应用案例分析。超高层建筑主体楼高490m，地面100层，裙房楼地面3层，地下结构3层，最深部分为-20m，基坑总面积20000m2。基坑工业矿区基地周围环境复杂，对加强基坑矿区环境安全生产保护意识总体要求高，施工期要求严格，考虑到主楼是超高层建筑，最终确定将在主楼之后再进行裙楼施工。主体建筑结构支护结构采用直径100m的圆柱形地下连续墙和环形挡土墙，按施工方法开挖，满足设计标高要求后进行主体建筑地下室部分施工。在保持连续墙的同时，采用分层拆除的方式进行施工。裙房逆作法施工时，以核心筒结构作为其梁、板的支撑点，自上而下施工，完成地下结构的施工。

3.2 逆作裙楼后顺作主楼的施工方案

为了缩短裙楼的施工周期，一般需要在中心区域设置开挖效率高的开挖口。裙房部分区域可采用全逆作法施工。地下地上结构工程施工后，地上地下结构的高层商业楼和主体建筑可同时进行施工，缩短过程工期。对于采用自上而下法施工的群体建筑，可采用结构梁板代替支撑结构；该方法不仅提高了支护的刚度，而且有效地控制了基坑的变形，从而降低了施工成本。

结合工程实例进行了有针对性的应用分析。超高层建筑群高度55m，主楼50层，高度245m。裙楼与主楼共设四层整体地下室。主楼和裙楼的开挖深度分别为21m和20m，基坑面积为160000m2。

由于本工程靠近地铁，施工场地复杂，环境控制要求高。考虑到前期工程实施工期短的要求，最终会议确定设计方案方式为先裙楼后二层主楼的总体施工设计方法。地下室主体外墙与地下主体连续墙之间连成两个一体，形成地下主体围护结构，地面建筑主体围护结构在2016年裙楼工程施工时停止施工，缩短裙楼工程建设工期。地下室层完成后，通过主体建筑大面积开挖洞口进行施工，从而完成整个主体部分。

项目地处市中心，总建筑面积为43905m2，地上27层，建筑面积为29333.7m2，建筑高度为99.55m；地下4层，建筑面积为14571.8m2，深度为20.4m；裙楼：地上6层，高度为20.4m。属于一类高层公共建筑，地上建筑耐火等级为一级，地下室耐火等级为一级，抗震设防烈度为七度。项目施工工艺为“逆作法+全钢结构”，基坑周边普遍采用1000mm厚“两墙合一”。

3.3 中心顺作周边逆作的施工方案

对于对环境保护要求较高的特大型基坑工程，可在周围环境中设置高刚度的环形结构梁和楼板，然后在基坑内的被动土压力区中保留足够的土来承受土压力。

以某大型超市为例，基坑工程占地面积50000m2，开挖深度13m。有五层地上空间和三层地下空间。在对基坑面积方面进行考虑的过程中，经过相关的分析以及思考获得之下的结论：如果仅仅使用顺作法开展施工，需要比较多的临时支撑，这样就会导致成本相对比较高，所以，使用顺作法开展施工并不是很合适。仅仅使用逆作法开展施工的时候，所挖开的土方量会相对比较大，这样就会导致设置出相对比较大的桩柱，所以，这样的方式并不可取。运用中心岛开挖的方式不仅能够有效的缩短施工的工期，降低施工成本，但是很难能够对其加以变形控制，无法保证其安全性。综上分析，这个项目可使用顺作中心而逆作周边的方式开展施工。这种施工方案可以降低边坡高度，控制围护结构变形和环境稳定性，是众多方案中最合适的施工方案。

4 深基坑逆作法施工质量控制措施

4.1 合理定位立柱桩

在“一柱多桩”或“一柱一桩”工程中，高工程桩钢柱作为正式的地下室柱采用混凝土包裹。施工时，垂直度和轴线位置必须准确，误差应合理控制在规范标准范围内。在竖向桩的设计中，结合其类型，采用专用定位仪适当扩大钻孔桩的孔，并通过对钢筋笼进行垂直测量定位以此下放立柱，采用支架临时固定后浇混凝土。

4.2 严格控制施工沉降差

深基坑逆作法施工会产生沉降差。在施工过程中，应采取以下两种措施控制沉降：① 在开挖过程中，可以计算建筑物的墙和柱的应力，并结合基桩的施工地质和荷载参数来估计沉降差。高层建筑自上而下施工的极限沉降差通常由设计商定，一般为20mm；② 在深基坑逆作法施工中，有必要对基坑开挖条件、地下水文、水平和竖向变形、柱桩和地下墙等施工参数进行综合监测。结合具体的测量结果，计算高层建筑深基坑土的相关力学参数，结合沉降差的预警值，如局部加速开挖或减慢施工速度，对施工方案进行修正，高层建筑施工中的沉降差也可以通过局部加固或灌浆施工进行动态控制。

4.3 动态观测控制坑内水位

一些施工项目属于软地质，在自上而下的深基坑施工之前，应设置多个井点进行抽水。自顶向下施工采用深井点，避免与结构梁相交，同时，有必要动态控制深井降水，定期观测水位，使其保持在深基坑开挖面下方1.5m以下。

5 结语

综上所述，随着中国主义市场经济的快速健康稳定发展和新型工业城市化工程建设工作进程的不断深入有效推进，大规模大型城市道路地下通道建设工程超大型深井开挖掘进和基坑基底开挖建设工程越来越普遍。然而，由于城市地下环境相对复杂，采用简单施工法和逆作法施工难以满足大型地下工程建设的需要。在开展一些施工难度相对比较大、要求比较高、环境比较复杂的工程过程中，应该运用顺逆作法相结合的方式。虽然经过多年的研究发展，与大型基坑基础工程建设相关的科学理论体系相对成熟，积累了一些新的建设实践经验，但很难有效地将相关理论与建设实践相互地结合合并应用于基坑工程建设实践。因此，运用顺逆作法相结合的方式有效的改善了工程当中存在的一些实际困境，促进工程更好的开展。