全逆作法建造技术在城市核心区复杂环境条件下的应用

杨雪军 YANG Xue-jun

（上海久事北外滩建设发展有限公司，上海 200080）

0 引言

某工程项目地处上海市城市核心区域，毗邻黄浦江和外滩风貌保护区（全国重点文物保护单位），受多方面客观条件限制，环境条件异常复杂。通过反复比选和综合评估，采用了全逆作法建造方案。通过全逆作法方案的实施，在工程自身安全、周边环境安全和工期控制等方面取得了良好的综合效益。

1 项目背景

为服务国家重大会议活动，向世界展示城市形象，并配合城市更新与滨江贯通工程，充分挖掘历史建筑的深厚文化积淀和“一江两岸”的绝佳景观优势，相关部门决定在该区域打造国际级重大会议中心。因项目土地权属复杂，场地移交延迟、交付节点限定等因素影响，实际施工周期仅有23 个月，常规方案已无法满足工期要求。综合周边环境保护要求、工期要求、场地条件和技术可行性等方面实际情况，经过对顺作法、半逆作法、全逆作法进行了综合比选，采用了全逆作法建造方案。

2 项目概况

项目基地红线围合面积19562 平方米，基坑面积约1.4 万平方米，总建筑面积9.9 万平方米，地上5.7 万平方米，地下4.2 万平方米。地上4 层（部分区域设置夹层），地下3 层（部分区域地下2 层），建筑屋脊高度44.8 米。基坑开挖面深度为地下2 层区域12 至12.6 米，地下3 层大面积普挖深度为14.9 至16 米。

3 环境条件

工程东侧和南侧1h 开挖深度范围为在建新建防汛墙，防汛墙底板距基坑最近处约1.5 米。西侧1h 开挖深度范围内为两栋优秀历史保护建筑红楼和灰楼。其中，红楼为砖木结构，距基坑直线距离约7.6 米；灰楼为钢筋混凝土结构，距基坑直线距离约8 米。北侧1h 开挖深度范围内有众多城市管网，东北角有一栋8 层办公楼和一栋6 层宿舍楼，最小距离仅1.6 米（见图1）。根据上海地方标准《基坑工程技术标准》、市住建委文件《上海市基坑工程管理办法》（沪住建规范[2019]4 号）的规定，基坑安全等级属于一级基坑，环境等级也按照一级考虑。

图1 周边环境关系示意图

4 工程地质、水文条件

场地属于滨海冲积平原特征，地势较为平坦，高程介于2.70～4.03 米之间。

勘察揭示地表至95.0 米深度区间内主要由软黏土、粉土和砂土组成，成层连续分布。地基土受古河道切割影响，缺失⑥号土层，切割槽内沉积⑤3 层黏性土（局部分布⑤4 层次生硬土），可分为7 层，其中①、⑤、⑧及⑨层又可分若干亚层。

场地内的潜水与江水潮位有明显的水力联系，第⑦层和第⑨层为承压水层，水头埋深3.0～12.0 米。其中⑦层层顶最浅标高为-42.06 米。按3.0 米水头标高计算，开挖至16 米时，第⑦、⑨层承压含水层不会对基坑开挖面的稳定产生破坏。

5 总体技术路线

基坑施工基本方案分为顺作和逆作两种。所谓顺作法，是指先施工围护结构，随后从上向下分层开挖，按顺序设置水平向支撑，开挖到基底后，再从下至上施作本体结构。不同于顺作法，逆作法每开挖一层土方后，即安装模板并浇筑正式结构，用来替代常规顺作法施工的支撑系统，来平衡围护承受的横向水、土压力。当开挖完成时，地下结构同步完成。逆作下部结构的同时，进行上部主体施工的，称作全逆作法。仅逆作地下结构，上部主体工程待地面以下结构基本完成后再开始施工的方法，称为半逆作法。

本工程基坑平面范围较大、周边环境影响因素和条件极为复杂、可用场地局促，且需在较短的时间内整体投入使用，主体采用全逆作法方案。技术路线如下：将围护、支撑结构与正式结构进行融合设计，围护结构兼做地下室外墙，利用工程桩内插钢管形成“一柱一桩”作为永临结合竖向立柱，利用地下水平梁板结构作为支撑，首先完成地下室顶板，可兼作施工场地和材料的临时堆场，实现地下、地上建筑同步施工。

全逆作法方案的优势主要表现有：利用地下空间的横向结构作支撑，可显著控制围护水平方向变形，对周围复杂的环境可起到有效的保护。利用地下室首层楼板，作为材料、设备的堆放场地，并能为上部施工提供操作空间。利用“一柱一桩”与结构下插柱连接，实现地下、地上同步施工。

由于基坑西端头距离历保建筑仅7.6 米，东端头局部为地下2 层，与主体挖深不同，在此两处进行局部分区，采用顺作法结合轴力伺服系统，错时开挖，对周边环境保护更为有利。

将基坑西侧划分出宽约16 米的窄条1 号基坑，1 号坑采用顺作法，1 号基坑完成后再实施2 号基坑，2 号基坑逆作完成底板后，实施顺作3 号基坑。为保护历保建筑，在坑外设置一排隔离桩（MJS 套打Φ800@1100 灌注桩）。1 号基坑支护体系：1 米厚地下连续墙（结合槽壁加固）+4道水平支撑（1 砼+3 轴力补偿钢支撑）；2 号基坑支护体系：1 米/1.2 米厚地下连续墙（结合槽壁加固）+3 层梁板作水平支撑；3 号基坑支护体系：直径1 米咬合桩（结合止水帷幕）+3 道水平支撑（砼支撑）。

6 主要技术方案

6.1 基坑围护

主体围护墙采用地下连续墙，围护及永久内衬墙两墙合一，厚度为1 米（南侧局部厚度为1.2 米）,连续墙两侧设置槽壁加固。施工顺序为先施工邻近红楼灰楼的隔离桩，然后施工1 号基坑围护，顺作进行基坑开挖，待1 号基坑出地面后再逆作开挖2 号基坑，2 号基坑完成底板后，顺作实施3 号基坑。

地下连续墙插入基底以下21 米，混凝土采用水下配置，强度为C35，采用工字型刚性接头，在槽段分缝外侧设置MJS 旋喷桩以提高抗渗能力。墙身内预设注浆管，达到规定强度并确保劈通后进行墙趾注浆。地下连续墙顶部设贯通的压顶冠梁，压顶圈梁与主体结构整体浇筑或设置预留钢筋，墙身预埋插筋（直螺纹连接器）和剪力凹槽与各层边梁、内衬墙进行有效连接。

6.2 水平支撑系统

1 号基坑采用顺作法，采用一道砼支撑+三道轴力补偿钢支撑。钢支撑采用直径609、壁厚16 钢管，第二、三、四道支撑轴力分别为1200kN、1200kN、1500kN，分两阶段施加，采用轴力自动补偿系统控制基坑变形。

2 号基坑采用全逆作法，逆作区域利用结构梁板代替水平支撑体系承受水平力，各层结构梁板预留多个出土口作为出土和小型机械吊装通道，对施工荷载和土方运输路线进行结构验算，对结构进行加强处理，对永久开口、楼梯间位置采用临时封板或设置支撑等方式处理（见图2）。

图2 B0 层梁板与出土口平面布置图

根据一柱一桩承载力计算结果，上部结构对下承载力要求较高的立柱采用钢管内填混凝土立柱，为保证主框架梁钢筋的连接和贯通，连接方法采用环梁节点或者宽梁节点。

局部荷载不大的位置以及托梁位置采用角钢格构柱，采用宽扁梁便于梁钢筋的通过，也可采用局部加腋的方式确保框架梁的整体受力性能。

结构梁板作为施工阶段的水平支撑体系，高差过大对逆作时水平力的传递十分不利，结合实际结构差别情况，对框架梁端部和板端部采取加腋的方式予以处理。加腋混凝土在逆作施工完成后可根据建筑、管线和设备安装等实际要求确定是否拆除。

6.3 竖向支承系统

框架柱下方使用工程桩设置“一柱一桩”竖向支承体系，桩基形式为1 米和1.2 米直径的钻孔桩。竖向立柱桩主要利用底板下永久工程桩。一柱一桩格构柱在基础筏板浇筑完毕后，外侧另行浇灌混凝土形成正式框架柱，临时格构柱待结构施工完成后拆除。

钢立柱采用φ550×18 和φ600×20 钢管内填C50 高强混凝土的钢管混凝土柱以及由等肢角钢和缀板焊接组成的4L200×20、4L200×24 和4L160×16 焊接格构柱，钢材牌号为Q345B，钢立柱深入立柱桩的桩顶以下不小于3 米。一柱一桩在穿过底板的厚度范围内设置止水钢板。

6.4 地基加固

为防止地下连续墙成槽时槽壁坍方，槽壁内侧采用单排直径850@600 三轴搅拌桩，北侧坑外采用TRD 工法水泥土搅拌墙，南侧坑外采用SMC 铣削水泥土搅拌墙。

在长边被动区设置墩台式土体加固，采用格栅式布局。1 号基坑采用直径2000@1500MJS 满堂加固，加固体插入基底面以下5 米，基底面以上水泥掺和量为15%，基底以下水泥掺和量不小于40%。2 号坑被动区土体加固采用直径850@600 的三轴水泥土搅拌桩，加固体宽度为7.85 米，加固体深入基底以下5 米，基底以上为弱加固，水泥掺和量为15%，基底以下水泥掺和量不小于20%，三轴搅拌桩与围护墙间的空隙采用直径800@600 的高压旋喷桩充填。局部深坑采用直径850@600 三轴水泥土搅拌桩进行加固。

6.5 基坑开挖与降水

逆作法开挖前，在首层结构楼板上合理布置车辆行走路线，结合结构梁、柱分布特点和开挖实际方案，合理设置出土口。坑内布设充足的照明设施，保证暗挖回转、运输的顺利进行。首层结构梁板行车通道上存在高差，采用轻质材料铺垫，并浇筑整体路面层。土方应及时外运，严禁在首层结构堆积土方。对出土口预留结构插筋以及各层结构构件预留钢筋采取保护措施。坑内开挖需遵照“分区、分层、分块、对称”的方式，开挖区域采取盆式开挖方式，基坑内临近的多个区域不得大范围同时开挖，各区开挖至控制标高后及时浇筑混凝土垫层、结构梁板及基础筏板，以减少基坑无支撑暴露时间，必须在上一层结构浇筑后养护至不低于规定强度80%时，方可开始开挖下一层土方。基坑土方必须分段、间隔、对称开挖，每分段不大于30 米，各段开挖至坑底后需立刻浇捣砼垫层，具备一定强度后才可开挖邻近段土方。各分区开挖并浇筑完成楼板结构后再开挖下一分区土方并浇筑梁板结构。

土方开挖应在地下水位及坑内加固体强度符合要求后进行。坑底需预留0.3 米采用人工开挖并整平，避免基底受到扰动。砼垫层必须随挖随浇，具备一定强度后再进行桩头破除和钢筋安装工作。在开挖过程中，采取破边留土的措施确保边坡稳定，土坡坡度一般不超过1∶1.5，挖土高度差异不超过3 米。基坑边地面附加荷载应控制在20kPa 以内。

基坑降水采用真空管井对潜水进行疏干，预降水时间不少于4 周。高出的井管随开挖面降低予以割除，降水深度控制在坑底以下1.0 米。施工底板前，根据实际需要可预留少量管井穿过底板，做好止水措施后，待底板浇筑完成后进行封闭。

6.6 信息化监测

本工程基坑范围大、开挖深，周边环境因素复杂，施工全过程采用信息化监测手段，全面掌控围护结构自身和周边环境的变化情况，根据监测情况不断调整施工节奏，优化施工顺序。监测主要分为两大类：①基坑围护监测：围护冠梁顶位移与沉降、墙体测斜、梁板应力、支撑轴力、一柱一桩沉降、钢立柱隆沉、坑底隆起等。②基坑环境监测：建、构筑物的沉降、倾斜和裂缝开展、管线变形、坑外深层土体变形、地表沉降、坑外潜水水位等。基坑监测由专业单位承担，监测数据达到或超过报警值时，各参建方将进行综合研判，及时调整施工方案和节奏。

7 实施情况

工程自2019年7月正式启动建设，2020年5月完成第一阶段围护和桩基工程，2020年6月完成B0 板，同步开始下部基坑开挖和上部钢结构吊装，2020年9月完成结构封顶，2020年11月基坑底板全部浇筑完成，17 个月完成上部和下部土建施工。室外幕墙、综合机电及精装修于2021年5月完成，总历时23 个月，基本具备交付使用条件。整个施工期间，基坑变形及周边建筑物变形均在可控范围之内，基坑未发生明显渗漏和异常险情，施工过程平稳有序（见图3）。

图3 全逆作法上下同步施工实景

8 结语

逆作法建造是一种超常规的施工方法，与常见的“明挖顺筑”有显著的区别。尤其是全逆作法建造，在永临结合、临时荷载选取、工况的结合、构件的节点处理等方面需提前进行大量的超前研究和设计深化，施工方面也存在施工条件差、作业难度高、安全风险高等方面的问题，对设计、施工都提出了较高的要求。通过本工程的施工实践，在工程面临周边环境保护要求高、场地受限以及工期紧张时，表现出了超越常规方案的显著优势。随着城市化进程的加快，尤其是一线城市土地集约化程度越来越高，本项目的成功实施，对在城市核心区建造类似项目具有借鉴意义。