局部半逆作法施工技术在超大深基坑中的应用研究

摘要：大型深基坑的支护方法很多，每一种基坑支护都有各自的适用条件和一定的局限性。在高层建筑多层地下室和有特殊要求的地下结构基坑支护中，逆作法可以立体交叉施工，又能有效的保护周边的既有建筑物，本文结合地下工程中逆作法施工的发展现状，以昆明螺蛳湾中心项目超大深基坑工程为研究背景，介绍了逆作法与顺做法相结合的半逆作法施工技术及其基坑监测，并针对半逆作法施工中的几项关键环节，进行了详细的分析和研究，得到了一些可用于指导施工实践的结论。

关键词：半逆作法；超深基坑；超高层建筑；施工技术；基坑监测

1前言

逆作法作为基坑支护技术在建筑工程的应用越来越广泛，它既能降低工程造价、缩短工期，又能保证施工安全。实践证明，逆作法在带有多层地下室的高层和超高层建筑及其它多层地下结构工程施工中是十分有效的。逆作法作为一项基坑的支护技术，适用于建筑密集地区、施工场地有限、工期要求紧张、地基软土层厚、对坑外地表及邻近建筑物沉降变形要求比较高等工程情况。逆作法具有经济性好、工期短及环保等优势。因此，在国内外均得到了快速的发展和广泛的应用。

2局部半逆作法超大深基坑支护工程实例

建筑物深基坑支护方法和地下工程施工可以总结为顺作法（敞开式开挖）和逆作法施工两种。此外，在逆作法施工基础上发展来的半逆作法以及局部逆作法都可以纳入逆作法的范畴。本章以昆明市螺蛳湾中心项目的超大深基坑工程局部半逆作法为背景，对半逆作法施工中关键施工技术和施工难点进行阐述分析和研究。

2.1案例工程概况

案例项目在云南省昆明市一环和二环之间，位于昆明市环城南路与南坝路交汇处，本工程地上部分为3栋184.30m～217.80m的主楼、4栋8～12层裙楼，地下共4层地下室，整个基坑南北长约320m，东西长约200m，单层地下室面积约为5.7万㎡，开挖面积约为67814㎡（含南面大放坡面积），土方开挖平均深度约19.6m，塔楼位置处土方开挖深度为24.8m，整个基坑土方开挖总量约为130万m³。案例工程由昆明市螺蛳湾投资发展股份有限公司投资，云南省设计院设计，中建三局集团有限公司承建。

2.1.1基坑周边环境条件

方位

建筑物描述

与地下室外墙线最小距离

备注

基坑东侧

18～21层天城大厦，沉管灌注桩基础，且紧邻基坑有一个消防水池（水池深为4.8米，宽5.5米，长11.8米，容积约为500m3）。煤气加压站：一层建筑物。

距离消防水池最近约为7.58m，距离天城大厦最近约为17.3m，距离煤气加压站最近距离为13m。

设计重点考虑

基坑南侧

空地（拆迁用地，为二期建设用地）

基坑西侧

西南角有一栋7层建筑，浅基础

最小距离约12.9m

基坑北侧

无

2.2.2地质概况

根据勘察单位提供的地勘报告，基坑开挖深度范围内的地质土层分布为表部由第四系全新统人工堆积（Q4ml）杂填土组成，以下依次为第四系全新统冲、洪积（Q4al+pl）层及第四系冲湖积官渡组（Q3g）层地层组成。

2.2.3水文地质条件

场地各钻孔均见地下水，地下水稳定水位埋深0.70～7.10m，稳定水位标高介于1884.52～1890.36m之间，高差5.84m，具有统一地下水位，略具东高西低、北高南低的特点。场地地下水类型主要为孔隙水及潜水，主要赋存于粉土层、粉砂层及圆砾层中，微具承压性，在上部杂填土及粘性土层中有少量上层滞水。地下水主要由大气降水、生活污水入渗及东侧盘龙江水补给（场地距离盘龙江约50m），并与盘龙江形成互补现象，雨季盘龙江水位升高，地下水部分受盘龙江补给，枯季地下水向盘龙江径流排泄补给。地下水位随雨、枯季有一定升降变化，变化幅度高达0.50～2.00m。

2.2基坑支护方案选择

2.2.1基坑支护方案选择依据

深基坑围护结构设计方案的选择，既关系到深基坑围护结构本身的安全，又涉及到邻近建筑物与周围环境的安危，同时还直接关系到工程造价与施工进度。所以，深基坑围护设计方案选择的合理具有重要意义。对于支护结构应该与其他建筑设计一样，要求在规定的时间和条件下完成各项预定的功能：

（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种问题的功能；

（2）在正常情况下，具有良好的工作性能；

（3）在偶然的不利因素发生时或发生后，支护结构仍能保持局部和整体稳定。

2.2.2基坑支护方案

根据现场情况，基坑北侧为城市道路，南侧及北侧为空地和浅基础建筑，而基坑东侧为一栋超高层建筑，整个基坑支护的重点是基坑东侧天城大厦段。本着“安全、经济、可行”的设计原则，案例项目除基坑东侧天城大厦段外基坑总体支护方案为：“一桩一锚”的支护结构。

基坑东侧的天城大厦地下室深度为6.6m，基础为振动沉管灌注桩复合地基，桩径为500mm，桩间距在1.5～2.0m之间，该沉管灌注桩复合地基边线距离基坑边线水平距离约为13m，如若选择桩锚体系进行支护，预应力锚索会不可避免的与天城大厦基础工程桩产生冲突。在与主体结构设计单位协商后，确定该位置采用半逆作法的内支撑结构支护体系进行基坑支护施工。即先行完成旁边位置地下室结构施工，然后将地下室结构作为该区域基坑支护内支撑系统的传力体系，待内支撑体系施工完毕后，从底板开始逐层进行该区域地下室结构施工。

另在基坑坑顶及冠梁上设置排水沟，坑底设排水沟、排水盲沟以及集水井、降水井共同形成整个基坑的排水系统。

图2.1" 案例项目基坑整体支护方案平面示意图

图2.2" 案例项目基坑东侧支护结构剖面示意图（左侧）

2.3竖向支撑体系施工关键技术

在逆作法施工中，立柱及立柱桩构成了地下结构的竖向支撑体系。其作用是在逆作法施工期间，在地下室底板未浇注之前与地下连续墙一起承受地下和地上各层的结构自重和施工荷载；在地下室底板浇注后，与底板连接成整体，作为地下室结构的一本分将上部结构及承受的荷载传递给地基。

钢立柱和立柱桩的位置和数量，要根据地下室的结构布置和制定的施工方案经计算确定，其承受的最大荷载，是地下室已修筑至最下层，而地面上已修筑至规定的最高层数时的荷载。一般地，立柱的平面布置，首先选择在地下室结构柱的位置上，如现有柱子数量不能满足承载要求，应再选取地下室纵横墙交接处、剪力墙暗柱处的适当位置。

逆作法中，立柱和立柱桩可采取不同的形式。立柱有时仅作为临时立柱，在逆作施工过程中起临时支撑作用，当逆作施工完成后，利用主体结构柱托换临时立柱；有时立柱与主体结构柱相结合，此时，立柱可采用角钢格构柱、H 型钢柱、钢管柱或钢管混凝土柱等。采用角钢格构柱、H 型钢柱时，通常在基础底板施工完成后再外包混凝土形成结构柱。立柱桩通常与主体结构工程桩相结合，有时也设置一些临时立柱桩。

2.3.1竖向支撑柱定位及垂直度控制

案例工程逆作法施工时，支承垂直力的是由工程桩接高的型钢格构柱，将来在钢格构柱外再包裹混凝土作正式地下室柱，所以其轴线位置与垂直度必须正确，要求偏差在20mm以内，否则会影响正式结构柱子位置的正确性，这在施工工程桩时，就要特别注意提高精度。

图2.3" 竖向支撑柱大样示意图

（1）施工工序

竖向支撑体系主要包括钢立柱和立柱桩两部分，上部钢立柱为钢构件，下部立柱桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，施工工艺如下：

钻架定位→钻孔→第一次清孔→测孔深→孔口夯实→用两件方木垫两侧、两件工字钢作为偏单在左右两侧→安放钢筋笼→固定安放格构柱→下导管→第二次清孔→测孔深（合格后）→安放钢护桶→安放钢钢筋（成笼）→临时悬挂（成笼）措施→格构柱窜入（成笼）→按设计要求尺寸将格构柱与（成笼）用支撑固定为一体→用钢卷尺测量中心线→调整中心→焊接牢固→拆出临时悬挂（成笼）措施→格构柱与（成笼）一次性放入孔中→全站仪两台、水平仪一台、测量格构柱柱顶标高及左右轴线→临时悬挂格构柱及（成笼）措施→固定牢固→汽车泵灌注混凝土混凝土→回填砂→跟踪灌注混凝土及回填砂调整格构柱格左右轴线及标高误差→清理现场机具卫生。

（2）竖向支撑柱定位

格构式钢柱由在现场加工制作完成后吊装采用25t汽车吊车，整体悬垂吊入，两台经伟仪双向控制垂直度及定位准确性。采用纠正架法对其进行定位和调垂，并调整钢柱的定位及垂直度，有效地解决了钢柱定位及垂直度偏差控制问题。支承桩和钢柱的定位及垂直度偏差的有效控制，是施工工艺的一项重要突破。具体如下：

纠正架采用型钢焊接而成，钢筋笼安放到孔口固定牢靠后，格局型钢格构柱设计方向对准桩位中心点进行安放定位，用调直架的对中刻度和地面上的墨斗线调整，使钢构柱校正架中心与桩位中心保持一致，校正架本身的垂直度由两台经纬仪进行垂直度和中心点控制，发现偏差时，采用调节螺丝的方式进行校正。

将用定位的四个点引测至型托梁上，垂直方向用两台经纬仪进行位置控制，标好位置，同时报请监理人员根据引测记录再次进行复核，在钢筋笼入孔后，格构柱位置安装定位导向架，架体为20#槽钢对拼接，导向架中部定位孔每边与格构柱大5mm，格构柱顶至导向架设置与格构柱同规格导柱，导柱与下部格构柱四边通过Φ16钢筋限位连接，格构柱在下落过程中用靠尺进行检测，最终保证格构柱中心及方位符合设计要求，然后在格构柱内向下浇筑混凝土。

图2.3" 竖向支撑柱吊装定位示意图

采用25t汽车吊车将格构柱整体吊放入孔，按两点吊，将吊点绑系在格构柱端部两对应缀板中心位置（偏差在±5mm内），并缓慢起吊；将吊起的格构柱缓慢放孔内，尽量避免碰撞钢筋笼，待吊至钢筋笼顶端时停止放下，使其处于静止自由悬吊状态，并用经纬仪校对格构柱悬吊垂直度（偏差在±1/1000H）。。

格构柱与钢筋笼焊接：垂直度满足要求后，缓慢深入钢筋笼内3米处，采用“井字形”钢筋与钢筋笼加强箍筋焊接连接，焊接时应反复校正垂直度和中心吻合度；无加强箍筋部位采用就近增加拉筋的方法与钢筋笼主筋连接，并将钢筋笼主筋顶部10cm与格构柱角钢焊接，焊缝满足前述要求。同时格构柱四个面分别采用2根Φ16钢筋斜向与钢筋笼主筋焊牢，钢筋具有一定的长度形成柔性连接，以便能使格构柱作相对微量调整。同时在格构柱每边的钢筋笼主筋上各焊接2根Φ16水平钢筋，距格构柱每边有10—20mm的活动量，使格构柱位于钢筋笼中间，保证格构柱各面与钢筋笼间距均匀，以便吊装后能对格构柱位置进行微量调整，使其位置准确柱身铅垂。

固定时格构柱必须居于钢筋笼正中心。焊接过程中，吊车始终吊住格构柱，避免其受力。型钢中桩吊放时应精确定位，要求型钢中桩中心线与桩位中心线误差≤±5mm，垂直度偏差≤L/300且≤15mm。

将连接好的钢筋笼与格构柱整体缓慢吊装入孔，入孔过程采用经纬仪控制下放垂直度（偏差在±1/1000H且不大于20mm），并利用孔边定位点分段进行控制格构柱方位，每放入2m即对格构柱方位校正一次，当格构柱下放至设计标高位置，通过格构柱上焊接的四个 28钢筋吊耳将格构柱悬吊固定于孔口枕木上。

钢格构柱吊装就位后，将斜向调节丝杆和钢柱连接，调整钢格构柱安装标高在误差范围之内，然后调整支架上的水平调节丝杆，调整钢柱轴线位置，使钢格构柱四个面的轴向中心线对准地面测放好的柱轴线，使其符合设计及规范要求，将水平调节丝杆拧紧。

2.3.2竖向支撑柱外包混凝土“后浇层”工艺

中间临时支柱，随着逆作地下楼层施工，需外包钢筋混凝土形成框架柱。依据逆作工艺要求，采取每楼层框架柱分三次浇筑成型的作法。为解决下部后浇杠子混凝土与上部已浇混凝土之间的“顶紧接牢”问题，在案例项目逆作施工中研究制定了“后浇层”施工工艺。

（1）支模：在施工当层楼板时，为了下层柱浇筑方便，要在结点施工中从梁底向下多浇筑 500mm（此为第一步柱浇筑），用于下层柱接槎。下层柱施工到上次留槎 500mm 距离（此为第二步柱浇筑）。所以存在柱的顶紧接牢问题。支设模板要首先保证混凝土面比接槎处高出一定高度，保证混凝土压力；其次支设喇叭口，保证混凝土压力和方便砼浇筑振捣。最后，接头处混凝土要凿毛，冲洗于净，钢筋除浆（此为第三步柱浇筑）。

（2）第三步柱混凝土浇筑：

① 混凝土内掺 14％的 UEA 膨胀剂，并掺用磨细矿粉替代部分水泥，减少砼收缩。

② 两面振捣，初凝前要二次振捣。

③ 通过喇叭口处砼判断内部的浇筑情况。

④ 7 天后模板拆除，喇叭口形成的突出部分砼剔凿。

⑥ 振捣密实，无漏振烂根。其中第二步柱子混凝土也掺微膨胀剂，待其浇完混凝土满 7 天，使其充分完成自身的收缩后，再进行第三步后浇层混凝土的浇灌。

2.5 基坑监测与周边建筑物保护

工程中之所以采用逆作法施工，其中很重要的一个原因就是出于对周围建筑物及市政管线等保护的考虑。由于施工场地距周围建筑物或市政管线太近，无法开展正常的顺作施工，甚至由于土方开挖、降水等因素引起地面沉降而影响周围建筑物或市政管线的正常使用。在昆明螺蛳湾中心工程中基坑与临近的天成大厦距离较小，这就使天成大厦的保护成为一重要技术课题。逆作法施工技术对周边建筑物的保护作用也是逆作法相对于传统顺作法的最突出优点之。

案例项目选用局部半逆作法施工，避免了锚索成孔损伤或破坏天城花园振动沉管灌注桩基础情况的发生，又很好的解决了基坑东侧场地狭小的问题。

基坑工程施工监测是检验设计方案合理性最直接的手段，同时也是确保基坑周边建筑物正常使用的有效措施。根据监测资料的信息反馈，必要时可及时调整或修改施工方案。监测必须做到及时、准确，以供施工单位或相关决策者分析、判断与果断处置，监测工作的缓报、误报必然酿成严重的工程事故。

案例项目在基坑内支撑施工阶段监测内容有：周边建筑物、内支撑轴力监测。

（1）监测点布置

建筑物变形监测点，建筑物每边不少于3点，拐角处及沉降缝处均应设置监测点；

内支撑轴力观测点设置支撑端点1/3范围内，支撑梁钢筋上对称布置，每隔一根内支撑布置一组，上下3道内支撑均布置，共7个断面。

（2）基坑监测及预警值

施工前按规定进行初测，基坑开挖过程中（正常情况下），相邻两次的观测时间间隔不宜超过1天，基坑施工结束后一个月内每周监测一次，之后至基坑回填前每半个月监测一次；遇雨季施工应加强监测频率。监测频率按下表执行：

施工过程

监测频率

基坑开挖期间（d）

正常情况下

1次/d

有较大安全隐患或加固抢险时

1次/2～4h

底板浇筑后时间（d）

≤14

1次/d

gt;14

1次3/d

根据基坑工程安全等级，基坑预警值和控制值如下：

序号

监测项目

累计值（mm）

变化速率（mm/d）

1

支护桩顶水平位移

35

2～3

2

支护桩顶竖向位移

30

2～3

3

深层水平位移

50

2～3

4

基坑周边地表竖向位移

25

2～3

5

管线监测

20

2～3

6

市政道路沉降

20

2～3

7

锚杆内力

（70％）f2

8

天城大厦沉降

20

2～3

9

天城大厦倾斜

≤0.3％

10

地下水位变化

1000

11

坑顶建筑物倾斜预警值为3‰，控制值为2.5‰

12

混凝土内支撑轴力控制值为2500KN，预警值为2000KN

2.6逆作法施工管理建议

在技术上进行把关的同时，工程中大力加强施工管理。在施工之前，在技术上进行详细的交底，明确技术要求，并根据不同的工序、节点编制具体的施工作业指导书，做到施工方案人人明白，并在管理上落实到个人分工及相应的责任，切实有效地将方案落到实处，保证方案能得到认真执行。当施工中遇到疑难问题或与方案不符之处，及时反馈给技术部门，技术部门对反馈情况及检测数据认真分析，并据此对方案进行局部调整。通过这样的管理方式，从体制上保证施工始终处于可控状态。

3技术展望

逆作法施工速度快、施工工期短、施工成本低且对周围环境影响较小，是传统的施工技术不可比拟的。但由于工程的建设条件不同，场地条件及地质条件也各有差异，逆作法施工技术在某方面还不够完善，有一些问题还需进一步的研究。

（1）加强对逆作结构受力机理和变形特点的研究，加强设计施工一体化研究。目前对逆作施工的变形规律和受力机理还缺乏合理的计算模型和分析方法，对逆作法来说仍不能准确地预测基坑的稳定性、围护结构的内力和变形、周围地层的位移以及对周围环境的影响。在这种情况下对设计、施工一体化的要求将更加迫切，将设计和施工进行紧密的整合，以最优的方案完成工程的建设，最终达到建设成本、产品质量最优化的目的。

（2）应开发高效的地下土方开挖施工和运输设备。我国目前逆作法施工时，一般采用小型挖掘机进行挖土和坑内的水平运输，经过挖掘机多次转移后，将土方集中到出土口，然后通过各种垂直运输设备将士方装车运走。这种施工方法挖土速度慢、效率低，必须大力研发专门供地下狭小空间中使用，既操作简单又灵活高效的专用挖土设备，提高挖土效率。同时，还应研究开发配套的出土设备。

（3）加强逆作法施工组织管理。逆作法施工在高层建筑的基坑施工中比较成熟，但在单建式人防地下室的应用过程中，为加快施工进度，往往多个工作面同时施工，投入的施工单位多，施工工序交叉作业，组织协调工作量大，如何进行信息化的施工组织和管理是逆作法施工的重要课题。通过信息化管理化系统，不但可以对施工实时监测、动态管理，而且还可以预见和避免不必要的损失与浪费，改变传统施工粗放管理，实现集约化管理模式，确保按计划顺利进行施工，最大限度地降低成本、节约资源。