浅谈逆作法技术在地下空间建筑中的应用

地下建筑工程理论及设计1浅谈逆作法技术在地下空间建筑中的应用在近十年内随着经济的迅速发展，大中城市的地下空间随着地铁人防和城市隧道的建设得到了飞速的发展。在多数地下工程的施工中，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。一、国内外的研究现状逆作法在西方一些国家称之为top－downmethod或者up－downmethod意为从上往下施工的方法，在日本称之为逆打工法(SlabSubstituteShore简称SSS法，意思是指用楼板代替支撑的方法)，在我国铁路系统又称之为盖挖法。自1933年日本首次提出逆作法施工的设想，随后试用于地下工程之后，逆作法施工工艺经过70多年的研究和工程实践，在理论和工程实践中都取得了一定的成果，日前在国外已经在一定规模上应用于高层和超高层建筑的多层地下室、大型地下商场、地下车库、地铁、隧道、大型污水处理池等结构的施工。日本是目前逆作法应用最为广泛，也是工法和技术应用最为成熟的国家。我国于1955年在哈尔滨地下人防工程中提出应用逆作法施工技术，自此国内工程界开始了对逆作法施工技术进行探索和研究。到1958地下建筑工程理论及设计2年，地下连续墙在我国得到应用。从1976年开始，上海比较系统地研究地下连续墙在工业与民用建筑的地下工程中的应用。90年代，随着我国高层建筑的发展与地铁工程的大规模建设，地下工程逆作法的应用逐渐在全国推广开来。黑龙江省逆作法施工技术水平处于全国先进水平，黑龙江省建工集团施工的秋林商厦采用地下三层逆作，航天大厦采用地下5层逆作，深度达到－31.5m，创造了当年全国逆作法施工之最，获得国家级建筑业新技术应用示范金牌工程奖项。紧靠3条轨道交通线贴着内环高架，由上海建工第二建筑公司承建的亚洲商业“航母”上海月星环球商业中心工程，利用“逆作法”施工，有效保护了周边环境。430000m2的总建筑面积，使它成为目前亚洲最大的“逆作法”工程。二、逆作法施工技术的原理及分类将高层建筑地下结构自上往下逐层施工，即沿建筑物地下室四周施工连续墙或密排桩，作为地下室外墙或基坑的维护结构，同时在建筑物内部有关位置，施工楼层中间支撑桩，从而组成逆作的竖向承重体系，随之从上向下挖一层土方，一同土模浇筑一层地下室梁板结构，当达到一定强度后，即可作为维护结构的内水平支撑，一满足继续往下施工的安全要求。与此同时，由于地下室顶面结构的完成，也为上部结构施工创造了条件，所以也可以同时逐层向上进行地上结构的施工。根据对四周围护结构利用的结构可以将逆作法分为四类：1、全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板对四周围护结构形成水平支撑。楼盖混凝土为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外运土并向下运入建筑材料。常用于地下层数多于3层的地下建筑工程理论及设计3地下工程，围护结构采用地下连续墙，地下中间支承柱在基础底板封底之前，能够足以承受地下各层与地上预加控制的最多层数的结构自重与施工荷载。2、半逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期浇筑的交叉格形肋梁，对围护结构形成框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。适用于建筑规模较大的地下室工程。3、部分逆作法：用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵挡，抵消侧向压力所产生的一部分位移。适用于建筑规模较大的一至二层地下室工程。4、分层逆作法：此方法主要是针对四周围护结构，是采用分层逆作，不是先一次整体施工完成。分层逆作四周的围护结构是采用土钉墙。三、逆作法工艺施工步骤第一步，按照基础外围面积，先施工四周的支护结构，支护体系采用地下连续墙或排桩支护，排桩采用冲孔桩、钻孔桩或挖孔桩等。第二步，按照设计图施工中间支承柱和基础，若有地下水可做降水处理后再施工，基础若是桩基采用上述排桩施工桩的方法，基础若是天然地基可采用挖孔墩。中间支承柱目前在逆作法施工时大部分是临时采用钢管柱或型钢柱支承，挖土完成后再作外包混凝土。当采用挖孔桩时可支模采用钢筋混凝土柱。第三步，利用地模或其他支撑方法浇筑地下一层的顶盖梁板混凝土;顶盖支撑于临时立柱上并通过边梁与四周的围护结构连结，形成第一道水平内支撑。地下建筑工程理论及设计4第四步，进行逆作一层土方的推土、挖土和运土到室外卸土区。第五步，利用地模或其他支模法浇筑地下二层的顶盖梁板混凝土，顶盖支撑于临时立柱上，形成第二道水平内支撑。第六步，进行逆作二层土方的推土、挖土和运土到室外卸土区。第七步，若地下室仅两层，则浇筑底板混凝土，然后浇筑侧墙混凝土和叠合柱子的外包混凝土，完成地下结构施工;第八步，若有多于两层的地下室，则按本方法第5和第6条的步骤继续往下进行逆作业。逆作法施工工序四、逆作法的工艺条件和技术优势虽然逆作法的施工工艺和相关理论都取得一定成果，应用也有一定的普及，但目前仍作为一种特殊施工方法应用，主要用于对工程有特殊地下建筑工程理论及设计5要求，或用传统方法施工满足不了要求而又十分不经济的情况下。1、逆作法施工技术顺序。逆作法是相对于建筑物施工的常规顺序而言的。建筑物施工的常规顺序是先开挖基坑，然后从基础开始，逐层向上施工，基坑开挖所需的支护，属于施工的措施，与建筑物的地下结构各不相干。而地下室逆作法施工是利用地下室的楼盖结构、梁、板、柱和外墙结构作为基坑围护结构和基础施工的支撑结构，在坑内的水平支撑体系和围护体系由上而下进行地下室结构的施工，与此同时可进行上部结构的施工。所以其施工顺序是自上而下进行，地下结构、基坑支护以及因逆作而带来的特殊要求，都需要在结构设计中加以解决。2、采用逆作法施工技术可以节约建筑成本。采用逆作法，一般地下室外墙与基坑围护墙采用两墙合一的形式，一方面省去了单独设立的围护墙，另一方面可在工程用地范围内最大限度扩大地下室面积，增加有效使用面积。此外，围护墙的支撑体系由地下室楼盖结构代替，省去大量支撑费用。而且楼盖结构即支撑体系，还可以解决特殊平面形状建筑或局部楼盖缺失所带来的布置支撑的困难，并是受力更加合理。由于上述原因，再加上总工期的缩短，因而在软土地区对于具有多层地下室的高层建筑，采用逆作法施工具有明显的经济效益。一般可节省地下结构总造价的25%~35%。3、采用逆作法施工可以减少噪音和扬尘。首先，由于逆作法在施工地下室时是采用先表层楼面整体浇筑，再向下挖土施工，故其在施工中的噪音因表层楼面的阻隔而大大降低，从而避免了因夜间施工噪音问题而延误工期。其次，在扬尘方面通常的地基处理采取开敞开挖手段，产地下建筑工程理论及设计6生了大量的建筑灰尘，从而影响了城市的形象；采用逆作法施工，由于其施工作业在封闭的地表下，可以最大限度的减少扬尘。4、采用逆作法施工可以减少传统施工方法带来的缺陷。传统的深基坑顺作法施工往往会产生两种不良后果。一方面由于设计施工处于不定状态造成深基坑支护结构失效，25%以上的基坑发生工程事故，损失很大；另一方面，由于过分保守，将基坑支护的临时结构按永久性结构进行设计，造成较大的浪费。采用逆作法施工技术，可以弥补顺作法的上述缺陷。5、采用逆作法施工避免交通堵车的损失。由于逆作法的采取表层支撑，底部施工的作业方法，故在城市交通土建中大有用武之地，它可以在地面道路继续通车的情况下，进行道路地下作业，从而避免了因堵车绕道而产生的损失。6、采用逆作法施工具有广泛的社会效益。采用逆作法施工，地下连续墙与土体之间粘结力和摩擦力不仅可利用来承受垂直荷载，而且还可充分利用它承受水平风力和地震作用所产生建筑物底部巨大水平剪力和倾覆力矩，从而大大提高了抗震效应。我国是个地震多发区，对地震的防治是必不可少的，从建筑业角度来说，采用适宜的施工工艺便可将地震带来的危害降低到最小，逆作法施工便具有这样的优点，所以在深基坑支护中大量运用逆作法具有广泛的社会效益。总之，对于基坑较深对工期要求较紧、相邻建筑物对变形非常敏感、恢复地表设施时间要求较严的地下工程采用逆作法可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业、受力良好合理并且施工可少地下建筑工程理论及设计7受风雨影响，从而大约可节省大量工时、减小围护结构变形量。另外，一层结构平面可作为工作平台，不必另外架设开挖工作平台与内撑，这样大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了施工费用。由于开挖和施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。五、逆作法现阶段所存在的问题逆作法施工的关键技术逆作法施工很好地解决了施工工期长、对周围环境影响大、工程费用高的现状，但逆作法本身也存在许多亟待解决的问题。1、差异沉降问题。在施工基础底板前，全部的结构和施工荷载主要依靠中柱桩和地下连续墙承担。但是，随着上部结构施工层数的增加，对中柱桩和地下连续墙的荷载也增加，而中柱桩和地下连续墙的承载能力在减少，势必导致相邻中柱桩之间的差异沉降，这种差异又反过来改变上部结构和地下室的内力分布，引起附加应力。因此，逆作法施工中，在地下室基础底板完成前，地下连续墙和中柱桩直接受力，未直接受力的工程桩之间的相互影响依然存在，如果各根中柱桩之间或地下连续墙之间有较大的差异沉降，已浇筑的楼板与梁系就会产生裂缝,将危及上部结构的安全。所以，逆作法设计和施工中，必须计算中柱桩间和边桩与地下连续墙间的沉降，以及如何通过实测控制他们的差异沉降。2、桩承载力问题。当前高层建筑桩(筏)基础与地基工同作用的理论可分为，高层建筑桩箱(筏)基础的常规设计理论-强度设计理论和高层建地下建筑工程理论及设计8筑桩(筏)基础变形控制设计理论。逆作法施工期间基坑开挖土体应力释放，坑内土体回弱，带动立柱桩上移:地下室及上部结构施工后，桩身承担的向下荷载增加。整个过程中，桩身所承受的荷载包括桩身自重、上部荷载、正摩阻力、负摩阻力、桩端阻力，这些力共同作用的结果，使桩发生沉降与抬升的变形。这是一个复杂的受力过程，为分析方便，可将桩身受力分成2部分，即不考虑桩身自重及上部荷载的作用与只考虑桩身自重及上部外荷载的作用，然后运用叠加原理求得基坑开挖对立柱桩竖向位移的影响结果。不考虑桩身自重及下部荷载的作用，进桩好像“浮”在土中。基坑开挖后，坑底应力释放，坑内土体回弹，带动听立柱桩上移，桩身上部承受向上的正摩阻力，桩被抬升，桩身下部土体阻止桩的上移，对桩产生向下的负摩阻力，正、负摩阻力最终达到平衡。桩在正、负摩阻力的作用下，产生弹性伸长。下部土体对桩产生向下的负摩阻力，由反作用力，桩对下部土体有向上的作用力，致使桩周与桩端土体垂直应力减小，导致桩端土体应力释放，产生膨胀，桩也随之上升。3、“盆”边土宽度问题在地下连续墙边需留设合理的土体宽度,采用盆式开挖可提高机械挖土效率，减少人工挖土量，是加快挖土速度、控制地墙变形的有效方法。在盆式开挖阶段地墙的变形增量并不大，但是在盆边抽条挖土时，变形要比盆式开挖阶段的变形值大，发展速率快。另一方面，在挖土施工时在坑内部留有足够宽度的盆边土，坑内局部留土的合理分布可以有效增大被动区的被动土压力，可用此部分土体产生的被动土压力来平衡基坑外部的主动土压力。要在理论上计算出合理的地下建筑工程理论及设计9留土宽度，并分析盆中土和留土开挖对两边管道及地铁等的影响，对比在目前留土宽度的情况下计算结果与实测结果，计算出留土宽度的变化规律，这些都是值得考虑的问题。4、在逆作法设计和施工的配合方面。目前设计单位不直接参与逆作法施工过程的结构受力分析和设计，只能依靠施工单位自身的力量进行研究分析，而施工单位由于人员配备的局限性，往往没有强大的结构分析设计队伍，因此在进行逆作法的分析和设计时只能半经验半理论，没有正规的理论设计依据:同时设计单位也不参与工程的施工组织设计，因此设计单位和施工单位常常因为设计思路和