浅述逆作法在高层建筑中的设计应用.doc

摘要：随着广州经济的迅速发展，高层建筑如雨后春笋般纷纷涌起。在多数地下室的施工中，均采用传统的正作法程序，即：开挖基坑——施工基桩——施工底板——施工地下室竖向构件——施工地下室梁板。地下室施工耗费的时间占了整栋楼相当大的比例。近几年来，一种“逆作法”施工新技术正被逐渐运用并趋于成熟。该技术适用于市区建筑密度大，邻近建筑物及周围环境对沉降变形敏感，施工场地狭窄，施工工期紧张，地基软土层厚等工程情况，对于三层及以上的地下室效果尤为明显。本文就笔者设计的一个工程作为实例介绍逆作法的应用情况。
关键词：逆作法 高层建筑 设计
一、 工程概况
十甫名都商厦位于广州市第十甫路和第十八甫路交接处，地上十五层，地下三层，基坑深度14.3米，建筑平面约为长90米宽29米的矩形。由于场地西边为西关风情民居，距用地红线不足3米，北边为第十甫路步行街，距离约4米。规划部门明确指示，必须严格控制基坑水平位移及竖向沉降，绝不允许出现邻近房屋产生裂缝或路面开裂、下沉的情况。另一方面，甲方从商业角度出发也提出要求，一是地下室的边线应尽量贴近用地红线，以取得最大使用空间；二是要求尽量缩短工期，力求比邻近同类建筑先封顶，以便售楼。在这种情况下，逆作法施工技术便充分体现其优越性。
二、 地质情况
该场地地质分布情况自上而下大致如下：
1、 淤泥质粘土，流塑，饱和，平均厚度1.9米，c=10 KPaφ=6~8°；
2、 中粗砂及粉砂层，饱和，松散，平均厚度7.5米，c=0，φ=28~30°；
3、 粉质粘土层，饱和-稍湿，可塑-坚硬，平均厚度5米，可塑土c=30kPa， =14%26ordm;。硬塑土c=31kPa， =18%26ordm;；
4、 全风化泥质粉砂岩，平均厚度3米；
5、 强风化泥质粉砂岩，平均厚度5.5米；
三、 设计思路
针对工程设计要求和地质条件，工程师结合逆作法的特点，确定了以下几个重要设计措施：
1、 为了有效地控制基坑变形，采用地下连续墙作为基坑支护手段，可同时具备挡土和止水作用。利用地下室各层楼面的梁板体系作为水平侧向支撑，地下连续墙将与内衬墙一起构成地下室外墙，成为永久性构件。
2、 为了争取时间，最大限度缩短工期，从首层楼面开始，向上下两个方向同时施工，争取地下室与上部结构同时完工，具体施工步骤将在下一节介绍。
3、 出于逆作法施工需要，地下室竖向构件采用钢管柱。长度3层楼高，一次吊装到位。
4、 人工挖孔桩从现地面开挖，为了准确安装钢管柱，钢管柱底以上的空段部分应考虑工人到桩底定位钢管柱时的操作面，一般操作面不小于60cm，故空段部分桩径为钢管柱直径加上1.2米，而基桩部分直径按承载力要求确定。
当以上几个因素明确后，设计方案便基本明朗。
四、 逆作法步骤
1、 施工地下连续墙。经计算地下连续墙厚度800mm，标准槽段长度6米，深度18米左右，即到达基坑底面以下3-5米，且下端进入强风化层不少于1.5米，以确保止水效果。槽段之间采用工字钢刚性接头。
2、 施工人工挖孔桩。人工挖孔桩分为基桩部分与上部空段两部分。当基桩部分浇灌到桩顶设计标高以下1米时，便由工人下去安装定位环并调校水平，然后由工人在下面扶正，卡位，保证其垂直度后，在地面用十字架固定钢管柱上端，用高抛法浇筑管内高强混凝土。
3、 开挖至-4.5m标高。此时地下连续墙处于悬臂状态，现场监测得最大水平位移发生顶点处，约3.7mm,平面位置在矩形长边中部。施工首层楼面梁板及上部普通混凝土柱，在平面靠近第十八甫路处预留10米X10米出土口，方便运输。
4、 开挖至-7米标高，施工负一层楼面梁板及上部结构。在二层楼面梁安装吊车梁，设计该梁时应考虑吊运土方和机械时的最大荷载，负一层楼面出土口位置与首层一致。对于地下连续墙而言，首层和负一层楼面的水平刚度可视为两个铰支座。但是出土口处的槽段应设置腰梁和钢支撑。现场监测得最大水平位移发生顶点处，约5.3mm。此时上部结构施工至三层楼面。
5、 开挖至-14.3米标高（地下室底板底），从-9.5米开始即采用盆式开挖，即在周边留有4.5米左右的反压土，以控制连续墙的位移，保证基坑安全。此时地下连续墙可视为下部为连续的弹性支座，上部两个铰支座的连续梁，受荷形态简化为上三角形下梯形。现场监测得最大水平位移发生在-9.7米标高处，约13.2mm。此时上部结构施工至七层楼面。
6、 施工负二层楼面主梁梁格，即楼板及次梁暂不施工，以便吊土，通过主梁和腰梁系统为连续墙提供一定的侧向支承，其概念类似于对撑系统。
7、 完成其余土方工作，施工底板和负二层楼面，吊出挖土机，封闭出土口。至此地下室土建主体已完工，同时上部结构也已封顶。在整个施工过程中，地下连续墙最大位移为14.3mm，位置在-11.3米标高处，远小于规范限值。基坑周边场地未发现明显下陷，邻近房屋未见明显裂缝，保护效果非常理想。
五、 心得体会
在整个逆作法的设计与施工过程中，笔者从成功中获得很多经验，也碰到不少问题，现就这一工程几个关键技术问题的处理方法作了整理，以供参考：
1、 设计中应进行逆向思维。在正作法中，地下室的剪力墙如核心筒、人防墙及地下室外墙等作为竖向构件承担荷载。但在逆作法中，剪力墙是先施工上一层，再施工下一层，受力模式已发生变化，故建立计算模型时应按大梁输入。
2、 钢管柱与梁板的连接。本工程采用环梁节点，须预先在钢管上焊接抗剪环箍，且定位要求精确。当施工期间地下室标高发生改动时，其处理措施相当麻烦，因为现场补焊环箍操作困难，而且管内混凝土可能因温度过高而影响受力性能。
3、 钢管柱吊装的垂直度控制。由于逆作法的施工工艺的特殊性，决定了地下室的竖向构件必须采用钢管柱或格构式钢柱，而吊装这一竖向构件时如何控制垂直度成为关键因素，本工程先在桩顶标高以下1米处安设一定位钢板，定位钢板有三个调节螺栓，以调节钢板水平，钢管柱中部采用钢筋制成笼状定位架，在地面也设有井字形定位木架，实践证明，这种定位方法取得较高的精度，可以满足工程需要。
4、 地下室楼面梁与连续墙的连接。在逆作法工程中。内衬墙尚未完成，边跨的楼面梁一端支承在钢管柱上，另一端则必须支承在地下连续墙上。原设计思路在地下连续墙钢筋笼中预埋钢筋，地下室开挖后凿去砼保护层后，扳出钢筋与梁钢筋焊接即可，但由于施工误差及建筑方案修改，这些预埋钢筋位置偏差太大而失去作用，实际施工中采用植筋的办法解决，因连续墙中钢筋太密，将梁端弯矩适当调幅到跨中。
5、 底板周边连续墙连接处止水措施。这个部位的止水成功与否对整个地下室的止水乃至使用安全有着决定性作用。本工程地下连续墙钢筋笼中与底板位置预埋一竖向钢板，浇筑底板前焊接一水平止水钢板，实际效果非常理想，底板周边未发现渗漏现象。
6、 桩基类型的确定。从钢管柱安装定位的要求来看，人工挖孔桩是较好的选择，笔者曾在另一个工程中使用钻孔灌注桩，由于泥浆的扰动，钢管柱难以保证垂直度，开挖后发现偏心较大。就本工程的地质情况而言，淤泥层和砂层比较厚，本来并不适合采用挖孔桩。但是，笔者认为当连续墙进入不透水层（强风化层）并且围合之后，进行坑内抽水，在没有水压力的情况下挖桩发生涌土、流沙的可能性不大。事实证明，这一措施是有效的。

七、小结
十甫名都商厦已封顶并投入使用，从该工程实例看，逆作法与常规的施工方法相比有着不可替代的优势，例如：
1） 显著地缩短了工程施工的总工期，经计算，本工程采用逆作法比采用正作法缩短了至少两个月工期，取得巨大的商业效益；
2） 基坑变形小，相邻建筑物影响小，实测结果显示基坑顶点变形不足20mm，周边路面沉降量也极小，未造成不良影响；
3） 可最大限度地利用城市规划红线地下空间，在允许范围内尽量扩大地下室建筑面积。
但逆作法目前仍存在一些急待解决的问题，如连续墙与基础桩间存在着不均匀沉降，连续墙槽段间的渗漏等，有待通过工程实践取得改良措施。