全逆作法在城市核心商圈的工程应用*

谭 宇, 黄 涛, 左朝晖, 戴清峰

(湖南建工集团工程设计研究院有限公司，长沙 410004)

0 引言

随着我国城市建设的高速发展,城市核心商圈高层及超高层建筑鳞次栉比,其地下室因结构稳定及功能需要,地下层数不断增加,地下室通常深达几十米;同时城市核心区地价飞涨,土地有效利用率越来越高,地下室无限贴近用地红线建设,施工场地狭小[1]。为解决类似工程的经济、安全、质量、合理的工程进度以及周边环境的保护等问题,住建部颁布的《建筑业10项新技术》(2017版)[2]推广逆作法的应用。近年来大量的工程采用此技术,获得了较好的社会和经济效益[3-6]。

本文针对湖南旺旺医院二期医疗大楼所处环境和地质水文条件,通过计算分析比较全逆作法与顺作法;接着介绍全逆作法地下连续墙、水平支撑、竖向桩柱转换体系的设计分析及技术措施;并针对全逆作法施工工艺存在的一些共性问题提出解决方案并在工程中设计实践;最后,总结全逆作法的应用范围及技术措施,以期为同类工程参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

湖南旺旺医院位于长沙市芙蓉区万家丽路与人民东路交汇处的东南角,长沙地铁5、6号线交汇于此。医院整体规划规模达到2 000床,日门诊量10 000人次以上。医院二期医疗大楼总建筑面积约180 000m2,地下建筑面积约60 000m2,地下室平面长约150m、宽约750m,地下6层,基坑开挖深度达32.1m;地上20层,建筑面积约120 000m2。

1.2 环境概况

项目地下室紧贴用地红线建设,四周建(构)筑物密集。北侧一期医疗大楼距基坑仅5.5m;东侧综合楼地下室紧邻本项目基坑,本项目建成后与之联通;南侧市政支路路边距基坑不足10m;西南角正在使用的地下污水站距基坑仅1.5m;西侧是万家丽路,其上是高架,其下是地铁5号线,最近处距基坑仅20m。四周各类管线密集,最近处距基坑距离小于2m。

1.3 水文地质概况

根据钻探揭露,本场地分布有人工填土层、植物层、第四系冲积及残积层、下伏基岩为第三系泥质粉砂岩。

场地地表水主要为地表大气降水及邻近建筑生活用水,场地内无明显的地表径流。地下水主要为上层滞水和潜水。上层滞水主要为赋存于人工填土及第四系地层中,受大气降水和地表水补给,水量不大,未形成连续稳定的水位面;潜水主要赋存于粉砂、中砂和圆砾中,受大气降水及周边生活用水的下渗补给,水量较大,水位随季节变化而变化,一般春夏季地下水位较高,秋冬季地下水位较低。水位变化幅度一般可按1～3m考虑。场地内基岩裂隙水未形成连续水位面,水量小,本次勘察未测得基岩裂隙水。

根据室内渗透试验及抽水试验结果,结合地区经验综合判定,场地内除粉砂、中砂和圆砾为强透水性地层外,其他各地层均为弱透水性地层。

2 工程特点及难点分析

(1)基坑开挖深度大,达32.00m以上,属超深基坑。坑周建(构)筑物及管网密集,环境保护要求高。基坑施工必须确保周边场地变形满足建(构)筑物及管网的正常使用要求。

(2)用地率高,基坑占地面积大,边线紧贴用地红线,施工场地狭小,四周无可用场地供基坑支护设置外锚等构件。

(3)场地覆盖层中地下水水量大,且大部分土层为强透水层,施工期间不宜大面积抽排水,可能导致地下工程渗漏,影响周边环境的安全。

(4)基坑土石方量大,约40万方,且大部分为石方,项目地处闹市区,开挖运输均有严格的时间限制,外加考虑天气因素,实际可施工时段非常有限。因此,需尽量减少土方工程对项目施工总工期的影响。

(5)项目紧邻医院一期住院楼且基坑面积超1万m2,需要将土石方施工期间产生的扬尘及噪音控制在最低水平。

3 解决方案

3.1 全逆作法与顺作法的比较分析

本工程设计时针对支护体采用壁式地下连续墙的内撑逆作法与顺作法进行了分析比较,拟采用的全逆作法和顺作法的施工流程分别如图1、2所示。

图1 全逆作法施工流程

图2 顺作法施工流程

对比图1、2的施工流程可见:顺作法施工时地下工程完工是地上工程开始施工的先决条件;全逆作法施工时地上地下是同步施工,互不牵制。已有工程的实施效果表明,当建筑规模大,地下地上层数多时,采用全逆作法大约可缩短施工总工期的1/3[1,3-6]。按照本工程的工期安排,采用全逆作法,地上建筑竣工时地下工程施工完毕,地下工程几乎未占用一天关键工期。

为比较两种施工方法的经济效益以及对环境的影响等,采用有限元软件建立了的基坑三维模型,按照全逆作法及顺作法进行了基坑支护整体及单元分析计算,计算结果见表1。由表可得,无论是全逆作法还是顺作法,由于采用了刚度较大的壁式地下连续墙加内支撑的形式,地下连续墙水平位移及坑外场地沉降值均能满足安全及环境保护的需要;由于拆换支撑的二次受力影响,顺作法的地下连续墙水平位移及坑外场地沉降值比全逆作法稍大一点。顺作法时需要设置大量的钢筋混凝土临时支撑,并且需要拆换两道工序,耗时费力,这就增加了工程的投资并影响了施工进度,同时这些临时支撑拆除后就是建筑垃圾又增加了环境保护的负担。因此本工程采用全逆作法相较顺作法具有明显的优势。

表1 三维基坑模型计算结果对比

3.2 全逆作法在本工程中的优势

经过前面的分析对比,结合本工程建筑结构及基坑特点、场地工程地质水文条件等因素,本工程采用全逆作法基坑围护设计方案[7]。结构设计根据全逆作法实际工序,考虑多种工况建模分析对比,以地下1层结构板为界面,地下室结构每完成1层,上部主体结构施工5层;同时运用BIM建立出土工况模型,对关键工序进行施工模拟,优化开挖过程中人、材、机布置,从前期直观高效地完善项目的施工组织管理,有效避免了多重交叉施工条件下的作业冲突,确保施工进度及过程中的可靠性和准确性。全逆作法施工方案有以下优势。

(1)缩短总工期:在地下结构完工的同时完成地上20层结构,实现地上、地下同步施工,可大大加快地上结构的施工进度,节省总工期;同时地下1层以下土方开挖时地下室首层结构已施工完成,可实现全天候施工,减小了恶劣天气对土方开挖和地下结构施工的影响,为施工工期的加快进一步创造了条件。

(2)环境保护:考虑利用主体水平结构作为支撑,相较于顺作法采用钢筋混凝土支撑体系,地下室结构梁板刚度大于临时支撑体系,可有效控制基坑变形和提高基坑的稳定性,对周边环境保护较为有利;相较于锚杆支护体系,避免了因锚杆进入周边建筑基础下方桩群内而对周边建筑物产生不利影响。

(3)经济性:本工程基坑开挖深度深,采用地下室结构梁板代替水平支撑体系,可节省大量临时围护结构的工程量,具有较为明显的经济优越性;同时本工程地下连续墙、立柱桩、钢立柱设计时考虑与正常使用阶段的地下室外墙、工程桩及框架柱合二为一的设计形式,具有明显的经济性。

(4)施工场地:本工程地下室紧邻用地红线,且基坑处于周边建筑及市政道路的合围之地,基地周边施工场地极为狭小,本工程将地下室顶板加固作为施工平台和材料堆场,可有效解决基地周边施工场地狭小问题。

(5)工地文明形象好:本基坑工程位于医院内部,采用全逆作法,地下结构先行施工,地上结构也很快进入施工状态,工地形象好,而且全逆作法施工时,大量施工设备均在地下室顶板之下作业,对外界噪音降至最低,从而大幅降低扰民程度。

4 技术措施

4.1 地下连续墙连接及防渗漏技术措施

4.1.1 墙身防水

本工程地下连续墙混凝土强度等级为C35,抗渗等级为P12。设计中采取以下措施提高墙身施工质量,保证墙身自身防水能力:1)地下连续墙正式施工前,先试成槽以确定合理的施工参数;2)适当提高护壁泥浆比重,有效提高槽壁的稳定性;3)在地下连续墙两侧设置水泥土搅拌桩加固槽壁,加固范围为自然地坪至强风化岩面顶,以防止塌槽,提高地下连续墙成槽及浇筑质量。

4.1.2 槽段接头设计

本工程槽段两端采用工字形接头并配合设置圆形锁口管的形式,这种接头设计能够增加墙段接头处可能出现的地下水的渗流路径,提高接头处防水能力;同时提高接头的刚度及地下连续墙的整体性。

4.1.3 槽幅分缝位置连接构造及内衬墙防水

本工程在地下连续墙槽幅分缝位置设置截面尺寸为450mm×1200mm的扶壁柱,扶壁柱通过预先在地下连续墙内预留的钢筋与地下连续墙形成整体连接,从而增强地下连续墙接缝位置的防渗性能。同时平齐扶壁柱内侧设置通长的内衬墙,车道板区域设置钢筋混凝土内衬墙,其余区域设置砖砌内衬墙。钢筋混凝土内衬墙通过预先在地下连续墙内预留的钢筋与地下连续墙形成整体连接;砖砌内衬墙厚为200mm,砖墙内壁做防潮处理,内衬墙与地下连续墙之间形成250mm空腔,在每一楼面空腔处设置导流沟,各层导流沟用竖管连通,使用阶段如局部地下连续墙有细微渗漏时,可通过导流沟和竖管引至积水坑排出,以保证地下室的永久干燥。

4.1.4 地下连续墙与地下室各结构层连接及防水

(1)地下连续墙与顶板连接

地下连续墙顶部设置贯通、封闭的压顶圈梁,该圈梁与地下连续墙二次浇筑,又与1层结构梁板二次浇筑,因此地下连续墙与1层结构存在两个二次浇筑施工缝。为确保二次浇筑施工缝位置的防水可靠性,在墙顶位置留置通长的凹槽以增加连接部位的渗透路径,同时在槽内放置遇水膨胀止水条;压顶圈梁与1层结构梁板浇筑接缝处,提前凿除如图3所示阴影部分,并在阴影部分的平面及立面加设遇水膨胀止水条,再与1层结构梁板共同浇筑。

图3 地下连续墙与压顶圈梁关系

(2)地下连续墙与中间楼板连接

地下连续墙内预留插筋和剪力槽,与地下室各层环梁进行有效连接,环梁再与各层梁板进行连接,如图4所示。

图4 地下连续墙与楼板环梁关系

(3)地下连续墙与底板连接

地下室底板处地下连续墙预留插筋、接驳器及剪力槽,插筋锚入底板,底板钢筋接入地下连续墙接驳器;连接部位考虑埋设两道遇水膨胀止水条,底板与地下连续墙连接处设置嵌入地下连续墙中的底板环梁,将各幅地下连续墙槽段连成整体并与底板可靠连接,如图5所示。

图5 地下连续墙与底板环梁关系

4.2 结构梁板代水平支撑体系的计算分析与构造措施

4.2.1 计算分析

本工程利用地下结构的梁板等内部水平构件作为全逆作期间基坑工程施工阶段的水平支撑,并在局部结构开洞区域设置钢筋混凝土临时支撑或临时封板,与结构梁板共同形成水平支撑体系[1,8-9]。

为分析全逆作施工过程中作为水平支撑体系的结构梁板的受力变形性状,本工程采用ANSYS对全逆作施工的结构梁板进行有限元分析,根据实际的支撑结构形式建立考虑围檩、主梁、次梁和楼板的有限元模型,设置必要的边界条件并施加荷载进行分析,结构参数取值如下:1)采用4节点空间板单元模拟逆作楼板(Shell43);2)主梁、次梁、环梁、围檩、托换梁和出土口边梁均采用2节点空间梁单元(Beam4);3)楼板周边设置土体弹簧,采用弹簧单元(Comb14)。

地下1层楼板整体模型和相应变形云图分别如图6、7所示。

由图7可知,在基坑开洞并设置临时支撑的区域变形较大,总体计算变形均在可控范围之内。结果表明在逆作区域利用结构梁板替代支撑作为水平受力构件是可靠的,由于结构体系的刚度较大,整体变形较小,而且结构板上的开口不影响结构整体受力,只需对开口增设边梁加强即可。

图7 地下1层楼板变形云图/m

4.2.2 构造措施

为了保证水平力的有效传递,根据具体的结构高差情况,在结构框架梁和板加腋,结构梁板高差位置加腋示意图见图8。

图8 结构梁板高差位置加腋示意图

车道区域高差处理须兼顾结构受力和施工车辆通行两个方面的因素,本工程车道临地下室外墙设置,为确保将水平推力传至楼层梁板采取了以下两种措施:一是在高差处设置斜撑构件,让水平土压力可以通过斜撑有效传递至楼面梁板;二是利用车道旁的采光通风井设置竖向梁式构件,土压力通过此构件传至框架梁柱节点,再由框架柱通过水平梁板传递水平力[8]。

4.3 先顶后底竖向支承系统计算分析与构造措施

4.3.1 计算分析

本工程采用桩柱联合承载体系作为竖向支承构件,竖向支承系统由钢立柱和立柱桩组成。由于框架柱网规则,单柱荷载较大,本工程的钢立柱采用钢管混凝土柱,内插入其下的灌注桩内一定长度。施工时首先将立柱桩钢筋笼及钢管置入桩孔之中,再浇筑混凝土依次形成桩基础与钢管混凝土柱。

计算时参考《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188∶2005)[10]6.2.3条,根据不同类型立柱在不同逆作阶段进行分析,不同阶段所对应的钢立柱计算跨度按实际情况分别取值,计算得出各类型钢立柱的承载能力设计值。再把钢立柱在不同阶段的承载力最小值与最不利工况下需承担的结构荷载值进行对比,对钢立柱的承载力及稳定性进行验算以保证结构安全的可靠性。

4.3.2 构造措施

构造措施包括钢立柱稳定性提升措施及梁柱节点。

(1)钢立柱稳定性措施

本工程灌注桩混凝土只浇灌至底板底面,底板底面以上桩孔内没有浇灌混凝土,如果不采取措施,直径不到750mm的钢立柱高达27m,其稳定性极低,为保证其稳定性,在地下1层梁板面标高以下的钢立柱与桩孔间采用8%水泥稳定碎石(无侧限抗压强度为6MPa)回填,并分层对称夯实,以保证钢立柱的稳定性,同时在分区域分层计算钢立柱的承载力时,柱有效长度适当考虑加高。

(2)梁柱节点形式

在本工程中,根据楼层梁柱节点应力情况设计成两种连接节点形式:高应力区采用环梁节点,低应力区采用传力钢环板节点。

环梁节点在施工现场支模制作,在钢立柱的周边设置一圈刚度较大的钢筋混凝土环梁,形成一个刚性节点区,利用这个刚性区域的整体工作来承受和传递梁端的弯矩和剪力,钢筋混凝土环梁与钢立柱通过环筋、栓钉或钢牛腿等方式形成整体连接,如此以来框架梁主筋锚入钢筋混凝土环梁,而不必穿过钢立柱。

传力钢环板节点的钢环板、剪力环、栓钉要求在工厂焊接,在结构梁顶和梁底第一排钢筋标高处,钢管设置两个方向的四块环形加劲板,双向框架梁顶部和底部第一排主筋遇钢管阻挡处钢筋断开并与加劲环板焊接。

5 结论

(1)在城市核心商圈区域,施工场地狭小且环境保护要求较高的情况下,采用全逆作法不仅可以缩短总工期,还有较大经济性,且工地形象较好,有利于环境保护、减少施工扰民。

(2)本工程对地下连续墙墙身、槽段接缝、地下连续墙与压顶圈梁、各层结构梁板及基础底板接缝防水以及内衬墙等防水薄弱环节进行了专项的防水设计,实施结果表明防水效果良好。

(3)利用地下室结构梁板替代支撑的设计体系,其结构体系的刚度较大,整体变形较小,节省了大量临时支撑的施工与拆除,对周边环境保护较为有利,且通过有限元分析及后期实施效果表明方案及设计的可靠性。

(4)竖向支承构件采用桩柱联合承载体系,梁柱节点采用环梁节点形式和传力钢环板节点形式,通过前期计算分析及后期现场实践对比,其竖向支承体系是安全可靠的。