高层建筑地下室边区逆作法设计与施工技术研究

王树贵 （山东省郓城县环境卫生服务中心，山东 菏泽 274700）

0 引言

由于城区土地资源的稀缺性以及人口密度的不断增加，导致地表空间十分拥挤，极大地限制了城区商业发展，也使得居住环境不断恶化[1]。以城市停车为例，地表匮乏的土地资源不能满足日益增长的汽车保有量，在城市土地开发过程中，为减少地表停车位，修建的高层建筑一般会配备地下停车场，发展地下空间成为解决停车难和缓解人车矛盾的有效途径[2]。在传统的地下室修建工法中一般采用明挖顺作法，这种工法适用于施工场地较好、工期较为宽松和无周边环境影响的条件[3]。为了在经济发达的中心城区更好地保护周边环境、提高基坑刚度、加快建设进度以及节约工程造价，在全逆作法的基础上发展出了边区逆作法，以施工的地下室楼板结构作为基坑横向支撑，大大地提高了基坑刚度和稳定性，达到了良好的经济效益[4]。本文尝试结合实际工程案例，对高层建筑地下室边区逆作法施工过程进行研究，并采用有限元模拟的手段对超挖深度和单侧楼板宽跨比的影响进行分析。

1 工程概况

山东省郓城县某商住一体化项目位于城区东北角，项目四周均为城市主干道，交通方便，规划用地面积52434.66 m2，总建筑面积约为226243.87m2，其中地上建筑面积为180603.13m2，地下建筑面积为45640.74m2。包含6 栋住宅、1 栋3 层幼儿园、1 栋19 层办公楼、1栋32 层办公楼及地下车库，其中1#、2#、5#、6#住宅楼33 层，3#住宅楼22层，4#住宅楼34 层。住宅、办公楼均为装配式建筑，装配率均不低于50%。一期总建筑面积124852.03m2，其中地上建筑面积为93246.62m2，地下建筑面积为31605.41m2。包含6 栋住宅、1 栋3层幼儿园及地下4 层车库。具体的建筑设计概况如表1所示。

表1 建筑设计概况 （单位：m2）

2 场区工程地质条件

研究区所分布的地层及主要特征如表2所示。

表2 场区各岩土层分布及主要特征

图1 山东省郓城县某商住一体化项目地下室基坑

3 高层建筑物地下室边区逆作法的施工过程

边区逆作法作为一种新型的基坑工程开挖方法，是在全逆作法的基础上发展而来，结合了逆作法和明挖顺作法两者共同的优点[5-6]，在基坑支护桩或者围护墙完成后，通过在基坑周边一定宽度范围内采用逆作法施作永久结构，形成闭环以替换横向临时混凝土支撑或者临时钢支撑，达到提高基坑支护刚度的目的。而在基坑的中间区域则采用大面积的明挖顺作法（正作法），以提高出土效率和提供施工空间。结合山东省郓城县某商住一体化项目地下室基坑工程实例，将逆作法和明挖顺作法的平面区域划分如图2 所示，这种以逆作法换取中间区域明挖顺作法的方式，极大地提高了施工效率，同时不受基坑周边环境的影响，能满足基坑周边建筑物密集或者管线众多的施工要求[7]。

图2 工程实例中逆作法和明挖顺作法的平面区域划分

结合山东省郓城县某商住一体化项目地下室基坑工程实例，对边区逆作法的施工过程进行分析。在施工初期，首先对场区的土地进行平整，并对基坑周边进行支护灌注桩的施工，支护灌注桩的直径为600mm、间距为800mm，将冠梁将基坑周边的所有支护灌注桩围成整体，形成密闭的挡土结构，如图3（a）所示；施工阶段2，按照设计位置对施工逆作边区范围内的竖向承载构件钢管柱进行放样和施工，一般钢管柱也可以采用混凝土柱进行替代，混凝土柱在施工阶段为临时承载构件，在使用阶段则变成结构柱，达到永临结合的目的，但这种方法对混凝土柱的竖向偏角控制较为严格，施工难度也较大，如图3（b）所示；施工阶段3，开挖基坑土体，将土体开挖至高层建筑物地下室顶板以下50cm，如图3（c）所示；施工阶段4，浇筑边区范围内的高层建筑物地下室顶板，形成一定宽度的封闭水平支撑板，并将其与钢结构临时连接，形成竖向和横向相互结合的支撑体系，如图3（d）所示；施工阶段5，在高层建筑物地下室顶板达到一定强度后，继续开挖基坑土体，直至地下一层底板以下50cm，如图3（e）所示；施工阶段6，浇筑边区范围内的高层建筑物地下一层底板，形成一定宽度的封闭水平支撑板，并将其与钢结构临时连接，形成竖向和横向相互结合的支撑体系，如图3（f）所示；施工阶段7，重复施工阶段5和施工阶段6 的步骤，依次施作开挖土体、地下二层底板、开挖土体、地下三层底板、开挖土体，直至挖到地下室底板以下20cm，采用素混凝土对基坑底板进行封闭；施工阶段8，浇筑底板，待底板达到设计强度后，自下而上完成中间区域明挖顺作法的地下室楼板，最后封顶形成完整的地下室结构。

图3 高层建筑物地下室边去逆作法施工过程

应用边区逆作法对高层建筑物地下室施工最大的优点就是充分利用了地下室结构的水平抗力，提高了基坑的水平刚度并减小了土体变形，另一方面减少了临时水平混凝土支护的施工，达到了低碳施工、装拆支撑的目的[8-10]。为了更好地说明边区逆作法对基坑的扰动程度，在基坑围护结构A-A 断面和B-B 断面布置了桩体深层水平位移监测点，在基坑的3 个角点上分别布置了YL1、YL2、YL3 楼板应力监测点，监测断面和监测点的平面布置如图2 所示。A-A 断面和B-B 断面桩体深层水平位移监测点的实测曲线如图4所示。

图4 A-A断面和B-B断面桩体深层水平位移监测点的实测曲线

从图4 中可以看出，在A-A 断面和B-B 断面中的桩体深层水平位移曲线均表现出抛物线形，其最大值均在桩体中间部位且深度约16.00m 位置。其中，A-A 断面中的桩体深层水平位移最大值为49.07mm，而B-B 断面中的桩体深层水平位移最大值为43.99mm，桩顶和桩底的位移远小于中间的水平位移峰值。A-A 断面中的桩体深层水平位移略大于B-B 断面中的桩体深层水平位移，是因为A-A 断面位置的桩体位于长直边，逆作结构的宽度较小，而B-B断面位置的桩体位于斜边，逆作结构的宽度较大，围护结构的刚度较大。无论如何，A-A 断面和B-B 断面中的桩体深层水平位移最大值均远小于规范中0.5%H（H 为基坑深度，换算为80mm）的要求，表明高层建筑地下室边区逆作法施工有效地控制了基坑变形。

表3 为YL1、YL2、YL3 楼板应力监测结果。从表中可以看出，随着逆作深度的增加，同一个监测点的楼板应力逐渐减小，且从顶板至负一层这个阶段的楼板应力下降迅速，表明在基坑工程边区逆作法施工过程中，对地下室顶板的应力控制最不利，应加强顶板的强度和刚度；在同一楼层，YL2 楼板应力监测点的应力最大，YL3 楼板应力监测点的应力次之，YL3 楼板应力监测点的应力最小。

表3 场区各岩土层分布及主要特征（单位：MPa）

4 基于数值仿真的高层建筑物地下室边区逆作法设计分析

基于迈达斯岩土分析有限元软件MIDAS GTS 建立地下室边区逆作法的数值仿真模型，计算时土体采用修正的摩尔库伦本构，土体的本构特征参数如表4 所示。围护混凝土灌注桩、地下室顶板、地下室楼板等混凝土结构均采用C40 混凝土浇筑，弹性模量取值为32500MPa，容重取值为25kN/m3，泊松比取值为0.20。

为了更为安全和经济地对地下室边区逆作法进行设计，选取超挖深度和单侧楼板宽跨比2 个指标进行研究，模拟时设置3 种超挖工况，分别为超挖100cm（工况1）、超挖200cm（工况2）、超挖300cm（工况3）；3种单侧楼板宽跨比工况，分别为宽跨比为l/b=2.0（工况4）、宽跨比为l/b=3.0（工况5）、宽跨比为l/b=4.0（工况6），其中l 为边区逆作的楼板跨度、b为边区逆作的楼板宽度。

图4 为不同超挖深度对逆作法基坑围护桩体深层水平位移的影响，从图中可以看出，对于不同超挖深度而言，其基坑工程围护桩体的水平位移均为抛物线型，随着超挖深度的增加，主要改变的是桩体上部水平位移，桩顶位移随着超挖量的增加而不断增加，而曲线峰值以下的水平位移值基本不变。

图5 为不同宽跨比对逆作法基坑围护桩体深层水平位移的影响，从图中可以看出，对于不同的宽跨比而言，其基坑工程围护桩体的水平位移均为抛物线型，随着宽跨比的增加，主要改变的是桩体水平位移的峰值，位移峰值随着宽跨比的增加而不断增加，而围护桩顶和桩底部的水平位移基本不变。

图5 不同超挖深度对逆作法桩体深层水平位移的影响

图6 不同宽跨比对逆作法桩体深层水平位移的影响

5 结论

以山东省郓城县某商住一体化项目地下室施工为研究对象，对边区逆作法的施工过程进行分析，考虑超挖深度和单侧楼板宽跨比的影响，采用有限元模拟的手段进行设计分析，得到以下三个结论。

①A-A 断面和B-B 断面中的桩体深层水平位移最大值均远小于规范中0.5%H（H 为基坑深度，换算为80mm）的要求，表明高层建筑地下室边区逆作法施工有效地控制了基坑变形。

②随着逆作深度的增加，同一个监测点的楼板应力逐渐减小，且从顶板至负一层这个阶段的楼板应力下降迅速，表明在基坑工程边区逆作法施工过程中，对地下室顶板的应力控制最不利，应加强顶板的强度和刚度。

表4 土体本构特征参数

③桩顶位移随着超挖量的增加而不断增加，而曲线峰值以下的水平位移值基本不变；随着宽跨比的增加，主要改变的是桩体水平位移的峰值，位移峰值随着宽跨比的增加而不断增加，而围护桩顶和桩底部的水平位移基本不变。