逆作法在地下空间中的设计应用<br/>——以沈阳十三纬路项目为例

逆作法在地下空间中的设计应用
——以沈阳十三纬路项目为例

2023-01-07张树林

重庆建筑 2022年12期

张树林

（1 深圳市华阳国际工程设计股份有限公司，广东广州 510653；2 广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

随着城市用地开发，施工空间越来越小，给工程建设带来不小困难与挑战。地下室逆作法因具有施工周期短、占用空间小、安全富裕度高等优点，在超高层、地下空间、地铁市政等项目中得到广泛应用。但由于逆作法存在集成技术复杂、地下室施工难度大、土建造价增加、施工人员素质要求高等局限，阻碍了地下室逆作法的进一步推广应用[1]。本文基于实例讨论逆作法在地下空间中的设计应用，梳理总结项目节点连接、土方开挖、基坑支护、施工顺序等，供同类工程参考。

1 逆作法概述

1.1 起源与发展

逆作法于1935 年起源于日本，并在美国、德国等地区广泛应用。我国从1955 年在哈尔滨地下人防工程中首次采用逆作法施工以来，已在上海、广州、北京等地区大范围应用，技术日趋成熟。

1.2 分类及优缺点

按照构件施工次序，逆作法一般可分为全逆作法、半逆作法。全逆作法以首层为界面，地上地下土建同步施工，技术难度要求较高，施工效率高，主要应用于基础条件较好的场地；半逆作法是指待地下结构逆作施工完成后，再施工上部主体，技术难度降低，但会影响施工进度，主要用于软土场地桩基承载力低的地区。与传统施工方法比较，逆作法具有如下优缺点：优点是大幅缩短项目施工周期，降低基坑支护设计施工难度，保护环境、节约资源；缺点是对现场施工及管理水平要求较高[2]。

1.3 主要设计内容

逆作法工程的主要设计内容为：周边围护结构、水平结构体系、竖向传力结构体系以及施工工艺流程。围护结构应结合开挖深度、场地地质条件、工程经济性、施工可行性等确定，包括受力计算、稳定性验算、变形验算以及围护与主体的结合等；水平结构体系是主体结构的一部分，应综合主体、支护两个因素，以确保水平受力合理、逆作施工便利；逆作施工阶段的竖向支承系统是基坑逆作实施期间的关键构件，主要包含结构柱布置、基础桩的竖向承载力及沉降验算、结构柱与水平构件的构造节点设计等内容[2-4]。

本文结合沈阳市十三纬路逆作地下空间项目，分析逆作法在设计、施工中的技术特点。

2 项目概况

2.1 工程概况

华强金廊城市广场项目位于沈阳市沈河区金廊商务区青年大街西侧，地块占地面积约8.5 万m2，建筑面积约110 万m2，主要包含超高层办公、酒店以及大型商业综合体等，以十三纬路为界分南（一）、北（二）两期开发（图1）。十三纬路地下空间总土方开挖量约11.5 万m3，其中负二至负四层为连接一、二期的地下商业，负一层为市政管线、交通功能层，整个地下空间位于既有市级主干道十三纬路正下方，东至青年大街，西到南一经街，项目平面位置分区如图2所示。因市政交通需要，尽量减少因项目开挖施工造成的交通中断周期，综合考虑采用地下室逆作法施工方案。

图1 项目效果图

图2 项目平面分区图

2.2 设计参数

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（简称抗规）及项目地勘报告，该工程抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.4s。地震影响系数最大值Amax按照地震安评报告取0.1052m/s2，结构抗震等级从上至下依次为二～四级。

项目不考虑风荷载，地下商业、车库部分活荷载均按照5.0kN/m2预留；地面市政道路除覆土恒载外，考虑覆土折减后的活荷载，按照20kN/m2取值。地下室抗浮水位相对标高为-5.0m。

2.3 地质条件

根据地勘报告，地块周围无地质灾害、构造断裂等不良地质条件，场地稳定，较适宜新建项目。场地自上而下主要由杂填土、粉质黏土、中粗砂、砾砂、圆砾、碎石土和强风化、中风化花岗岩组成，场地无液化，其中粉质黏土层属于Ⅳ级强冻胀土。土层分布及其承载力参数如表1 所示。

表1 土层分布及承载力参数

3 逆作法结构设计

3.1 基础形式

地基基础等级均为甲级，根据项目地质情况及逆作法施工需要，采用旋挖灌注端承摩擦桩基础，桩身混凝土强度等级C40，桩径1400mm，以④圆砾层为持力层，单桩竖向抗压承载力特征值13000kN，单桩竖向抗拔承载力特征值3000kN，抗压、抗拔承载力均为桩身控制。

3.2 主体结构

该地下空间东西长约117m，南北宽约58m，呈长方形布置，东、西两侧设置永久地下室侧壁，南北两侧为开敞空间，后期与项目一、二期相连接，采用框架结构，纵横两方向均采用8.4×8.4m 标准柱网，综合逆作法施工期间的支撑以及后期受力需要，该项目竖向支撑柱选用钢管混凝土柱，钢管外径800mm，壁厚25mm，通高内灌C40 自密实混凝土，中间柱具有较高承载力，又便于与楼层板连接。各层楼盖均采用下平托板无梁楼盖结构，方便施工且能最大程度保证结构净高，结构平面布置如图3 所示。

图3 结构平面布置图

地下室负三、负四层层高4m，负二层层高6m，负一层市政管线及道路覆土厚度约6m，其中底板厚度为800mm，柱帽尺寸约2800mm，中间板厚250mm，顶板板厚1000mm。无梁楼盖内设置暗梁，以加强各框架柱之间的整体性，结构剖面如图4 所示。

图4 结构剖面示意图

针对工程特点，采用MIDAS/GEN 有限元软件，对结构进行整体建模计算。结构X、Y 两方向均按照柱上板带、跨中板带进行设计，有限元计算与手册算法结果较接近，如表2 所示。柱上板带弯矩差值在8%左右，主要是对柱帽刚度模拟的差异造成；跨中板带计算结果较接近，两者数值均可用于工程设计中。典型柱网弯矩计算结果如图5 所示。顶板、底板迎水面按照0.2mm 裂缝宽度限值进行设计，其余位置按照受力弯矩计算配筋。

表2 无梁楼盖标准跨板带弯矩（X向）

图5 顶板无梁楼盖弯矩图（kN·m）

3.3 节点设计

因钢管柱先于楼层施工，梁板与柱均采用抗剪牛腿或抗剪环板连接，钢筋采用搭接或焊接工艺，既不影响逆作法施工工序，带上下环板及节点加劲板的环板节点又能可靠地将楼板内弯矩和剪力传递给钢管混凝土柱，设计上需要根据楼板受力，灵活选择节点形式。钢管柱顶与柱帽连接处采用下部环形加劲板、上部抗剪栓钉的方式，柱顶与楼板顶预留300mm 的间隙，板面钢筋可自由贯通，防止柱顶位置开裂，如图6 所示。

图6 钢管柱顶板柱帽连接大样

钢管柱底与底板承台处作为柱、桩的过渡节点，同时受较大的底板水浮力作用，受力较为复杂，钢管柱在承台范围内自上而下设置抗剪环加劲板、钢筋连接板、栓钉等，底部伸入灌注桩内1.2m。该连接节点受力可靠、施工方便，如图7、图8 所示。

图7 钢管柱底板承台连接大样

图8 钢管柱现场施工照片

4 逆作法施工与土方开挖

4.1 逆作法施工

因首层为市政主干道，需尽快施工完成负一层并满足通车要求，结合图9 所示内容，该项目盖挖逆作法施工步骤如下所述。

图9 盖挖逆作法施工剖面示意图

（1）开挖土方至地下一层底板标高，以-6.4m 标高为逆作法施工基准面。

（2）进行灌注桩钻孔施工，桩底深度标高到达设计要求后，放置灌注桩钢筋笼，安装桩定位器，吊装钢管柱并调垂直，浇筑桩身混凝土至桩顶标高，填试块进行反压，浇筑钢管柱混凝土，钢管外围填砂土进行围密固定。

（3）浇筑地下一层的结构板及四周侧壁，待混凝土强度达到设计要求，防水等措施施工完毕后，铺设市政管道及路面，此时路面即可满足通车要求。

（4）开挖负二层标高范围内土方，进行地下二层底板浇筑。

（5）开挖负三层标高范围内土方，进行地下三层底板浇筑。

（6）开挖负四层标高范围内土方，进行地库底板及承台浇筑。

整个逆作法施工完成，步骤1～3 完毕后即可满足市政道路通行要求，节约大量时间，步骤4～6 可根据项目实际开发进度灵活进行施工，不受限于外部条件。

钢管混凝土柱作为逆作周期的支撑柱和后期永久结构柱，其施工质量、定位、垂直度是施工的关键，如图10、图11 所示。桩柱施工定位时采用钢管支架定位器，结合上、下共计8 个千斤顶进行垂直度调整，钢管柱的垂直度偏差控制在H/1000 内，且不大于10mm[5-6]，确保钢管柱可靠插入下部灌注桩。

图10 钢管柱调垂大样

图11 钢管定位器

4.2 场地土方开挖与基坑支护

因一、二期开发进度不同步，且一期范围内场地条件受限，需借用二期场地作为材料堆场，将十三纬路地下空间作为一期地下室临时施工道路。项目土方开挖以“先围护，再降水，后挖土”的顺序组织施工，地块南侧土方与一期同步开挖，无需支护，地块北侧土方采用自然放坡支护形式，东西两侧采用钻孔灌注桩+预应力锚索垂直支护体系（图12、图13）。结合实际土方开挖进度，对各土方开挖方案进行施工模拟，选择先中间、后周边的土方开挖方式，尽量减少对基坑支护的影响。基坑监测数据显示，土方开挖卸载过程中，中柱、边柱、侧壁间沉降差异较小，市政路面未见开裂等异常现象，围护桩最大水平位移为10.91mm，以上数据均满足相关规范要求,地下结构及支护整体稳定性较好[7]。