高层建筑的地下室和用于平战结合的单层或多层地下广场以及地下设施的深度, 少则10几米多则几十米, 若这类工程的地下部分采用常规的施工方法, 则需要敞开挖很深的基坑, 然后再分层由下向上浇筑底板和各层柱梁、墙板、楼板直至地面。这样的施工方法所带来的问题是施工工期长, 占地面积大, 施工费用增高;而采用封闭和由上而下分层施工的特殊工艺“逆筑法”, 则可缩短工期, 少占施工场地, 不受外界天气与环境的影响, 减少施工费用。尤其是人流、车流密集的公共场所的地下工程, 采用“逆筑法”, 可使地上占用部分的地面尽早投入正常使用。而且在高层建筑的地下工程, 特别是邻近有建筑物不能采用大开挖式施工的工程, 如采用“逆筑法”施工更能显示其工艺的优越性。
由于逆筑法施工不同于一般深基坑支护方法, 施工难度很大, 对建筑结构的影响也较大, 施工控制要求严格。因此对逆筑法施工影响因素进行分析, 寻求安全可靠、有序的施工程序, 采取有效的控制方法, 运用信息施工方法指导施工, 具有十分重要的意义。
采用逆筑法施工, 在基础大底板浇捣之前, 全部的结构、施工荷载主要靠中间支撑柱及基础桩和周边地下连续墙入土部分的摩擦力来承担。逆筑法施工期间, 随着上部结构施工层数的增加中柱桩和地下墙的荷载也相应增加。同时, 由于地下室开挖深度的逐层增加, 中柱桩和四周地下墙与土的摩擦接触面减少, 而使其承载能力降低。值得注意的是上述荷载增加和支承能力降低对整个平面来说不是均匀的, 从而使柱与柱之间、墙与墙、柱与墙之间产生差异沉降, 尤其在我国沿海深厚软土层时, 地下墙往往是“悬浮”在软土层中, 而主楼的桩基往往采用长桩基础, 支承能力较强, 地下墙的沉降值往往超过主楼桩基的沉降值。这种差异沉降超过某一限值后就会使结构产生裂缝, 造成结构破坏。因此, 差异沉降的控制是逆筑法施工的关键技术措施之一。
地面临时荷载一般包括各种建筑材料, 基坑开挖过程中待运的弃土以及施工机械3类。对于临时荷载, 在设计阶段无法预估其数量与范围, 如果施工过程中对临时荷载的增加估计不足将会对围护结构以至基坑的安全稳定性产生危害。例如, 开挖过程中待运的弃土, 原则上不允许堆放在坑旁, 但在实际工程中, 由于施工条件的限制, 很容易出现利用坑旁空地作为转运点的情况, 有时弃土堆放高度较大, 当弃土高度达到3m时, 相当于基坑开挖深度增加3~4m, 这是非常危险的。实际工程中偶有因临时弃土违规堆放引起基坑破坏的例子, 因此需要考虑地面临时荷载引起的土压力的影响, 并且严格控制现场堆土。
挖土是逆筑法施工的一个重要环节, 在有顶盖的地下挖土难度大、周期长, 不仅是影响工期的关键因素之一, 而且是建筑结构产生变形的主要原因, 因此是施工控制的关键之一。挖土时一方面随地下室开挖深度的增加, 中柱桩和地下墙的竖向支承能力降低, 同时由于卸载作用又会引起坑底土体回弹, 且下部支承力下降、土体回弹以及上部荷载的增加都是不均匀的, 从而使结构产生一定的差异沉降。另一方面, 土方开挖将会引起四周土压力的变化, 尤其在浇筑第一道支撑之前, 地下墙呈悬臂状态, 随着开挖深度的增加, 墙后侧主动土压力不断增大, 墙体顶部将产生较大的位移, 即使浇筑了第一道支撑, 但由于混凝土的收缩, 在第一道支撑实际工作以前, 地下墙在墙后土压力作用下, 其内侧土体一直在蠕变, 使得墙体一直向内变形, 从而加大墙顶位移量。随着开挖深度的增加, 考虑墙体位移和支撑变形后, 墙体计算内力将会增大, 支撑力也会出现上升的现象。
按场地的工程地质条件和周边环境的差异, 逆筑法又可分为整体逆筑法、半逆筑法、分层逆筑法、局部逆筑-局部顺筑法。具体的逆筑方法选用要根据场地条件、基坑深度和周边环境等来决定。
逆筑施工第一层土方开挖, 地下墙处于悬臂状态, 当层高不大, 造成的悬臂位移可以满足工程要求时, 可以一次开挖到地下一层梁底适当位置。否则, 应采用“盆式”开挖, 即开挖中间部分的土方到地下一层梁底适当位置, 周围留足被动三角土, 待地面层楼板浇筑完成并具有90%的强度后再开挖被动区三角土。采用“盆式”开挖方法, 关键是留足被动区土方, 使之形成对四周围护结构的被动土反压力区, 以平衡围护结构侧压力和减小臂位移及内力。逆筑施工中常用的“中心岛-局部逆筑法”, 也是基于预留四周被动区土方以保证结构的稳定。
最早高层建筑与地基基础共同作用理论限于高层建筑与地基基础 (包括天然地基和桩基) 。逆筑法施工技术同样适用共同作用理论。逆筑法施工的主要特点是无基础底板一项, 所以对地下连续墙作承重结构的共同作用理论稍加修改, 即可以用于逆筑法的设计和施工中。
高层建筑与地基基础共同作用的总方程式为:
式中:{Sb}———上部结构 (包括基础的梁、板和柱) 凝聚后的等效边界荷载列向量;
{Kb}——上部结构 (包括基础的梁、板和柱凝聚后的等效边界刚度矩阵;
{Ub}——等效边界位移列向量;
{Kr}———基础底板的整体刚度矩阵;
{Pr}———基础底板本身所受的节点力列向量;
{Kpsw}———桩土体系 (包括地下连续墙) 共同作用的刚度矩阵。
共同作用理论在逆筑法中的具体表现在:
(1) 对于地下连续墙两侧摩擦力的处理, 开挖后, 地下室的开挖面以上连续墙两侧的摩擦力, 只余下外侧摩擦力, 处理时, 将墙外侧摩擦力作为节点荷载, 反向作用在墙上。
(2) 对于上部结构和地下室刚度的处理, n层上部结构的刚度形成需要一定的时间, n层荷载全部考虑, 而刚度则滞后一层形成;同理, 地下室m层的荷载全部考虑, 而刚度则考虑m-1层。
(3) 对基础底板刚度的处理, 当基础底板浇注前, 取[Kr]→0, 此时, 认为基础底板与地基土脱开。
(4) 当基础底板浇筑前, 上部结构 (包括箱或筏基) 荷载主要由立柱桩和连续墙承担, 刚度矩阵叠加时不考虑地基土节点的刚度, 这样前面的式 (1) 变为:
式中:[Kb (m+n-2) ]———上部结构n-1层和地下室m-1层结构刚度凝聚的边界刚度;
[Kpw]———基础板下的立柱桩和连续墙体系的刚度矩阵;
{Ub}———节点位移列向量;
{Sm+n}——凝聚到基础节点上的边界荷载列向量;
{P′r}———立柱桩和地下连续墙的本身节点荷载列向量。
利用上式, 编制相应程序, 可以提出在软土地区逆筑法施工中, 采用共同作用理论控制差异沉降的设计方法。
现场监测作为确保施工安全可靠进行的必要和有效手段, 对于验证原设计方案或局部调整施工参数、积累数据、总结经验、改进和提高原设计水平具有相当的实际指导意义。一般基坑工程现场监测内容分为两大部分, 即围护结构本身和相邻环境。为了确保基坑开挖安全与上部施工顺利进行, 逆筑施工需进行以下8项监测: (1) 连续墙顶点位移监测; (2) 连续墙内外侧土压力监测; (3) 连续墙墙身变形监测; (4) 连续墙钢筋应力监测; (5) 各层支撑梁钢筋应力监测; (6) 中间柱及连续墙沉降监测; (7) 孔隙水压力监测; (8) 邻近建筑物沉降观测。
在软土地基中单桩承载力普遍较低, 因而影响逆筑法施工中上部结构可施工的层数, 使其缩短工期的特点难以发挥。目前往往通过加大灌注桩直径, 尽量采用一桩一柱的设计方案。当上部结构荷载较大, 一桩一柱设计方案不能满足时, 可采用多桩方案, 但桩数应尽量少, 否则会影响中间支承柱的施工。中间支承柱多为灌注桩方法进行施工, 亦有用挖孔桩方法进行施工的, 而地下室底板以上部分的桩身, 多为钢管或H型钢, 利用其断面小而承载力大的特点, 既便于与地下室的梁、板、墙连接, 又解决了高层建筑地下结构断面大, 配筋多的问题。当采用多桩方案时, 利用钢管或H型钢作为逆筑法施工期间的临时支承柱, 待永久性的支承柱施工完后, 再逐步拆去钢管柱或H型钢柱。
中间支承柱是以柱四周与土的摩擦力和柱底的端承力两者平衡其承受的上部荷载, 因此, 中间支承柱的计算应分析底板浇捣前和底板浇捣后两种情况分别进行计算, 当地下室施工至最底一层, 而底板尚未浇捣前, 此时中间支承柱仍以单桩单柱的形式受力, 它所受的弯矩、剪力和轴力均很大, 往往对截面配筋起控制作用, 而当地下室底板浇捣完毕后, 中间支承柱以群桩的受力状态出现, 此时的不利工况往往出现在工程结顶以后, 而此时轴向力成了起控制作用的因素。当柱网尺寸不大时, 为了土方开挖方便, 在底板浇筑前可以抽掉若干柱形成大柱网。此时上部结构的施工高度及荷载因素受中间支承柱承载能力限制, 应对中间支承柱进行计算机模拟施工验算。
逆筑法施工时地下室是由上往下施工的, 节点的处理应满足结构在使用阶段和施工阶段的受力要求, 可随地下室结构形式的不同灵活运用不同的节点形式。
(1) 中间支承柱与梁的连接:在中间支承柱施工时, 事先在地下室楼板梁位置处预埋钢板环套, 当往下施工至此层楼板时再把钢板与楼板梁进行可靠连接, 此时钢板预埋位置必须准确到位。当底板以上中间支承柱为钢管柱或H型钢柱时, 则连接较为方便、可靠。
(2) 地下连续墙与梁、板的连接:在地下连续墙施工时, 事先在地下室楼面梁、板的相应位置预埋钢板或钢筋, 待逆筑法施工至该层位置时, 利用钢筋联结器将地下连续墙与楼面梁、板作可靠连接。同样, 此种连接对地下连续墙的施工及钢筋预埋位置的要求也较高。
(3) 地下室底板与地下连续墙的连接:在地下连续墙施工时, 也在相应的底板标高位置埋置了预埋钢板或锚筋, 待地下室挖土至底板标高后, 即与底板钢筋连接成一个整体。为了使连接处不出现渗透水现象, 应对局部区域作二次振捣混凝土。
基坑开挖及围护是整个逆筑法施工的关键。地下开挖施工的难度大, 合理地控制施工工期, 一方面可提高上部结构施工的速度, 另一方面可防止由于基坑暴露时间过长而产生的基坑围护变形 (即所谓“时间效应”) 。
(1) “开矿式”挖土:当地下结构各层施工时, 需预留两个或以上的上下贯通孔洞, 作为地下施工的垂直运输通道, 设计时往往布置在建筑的楼梯间处或无楼板处。在空洞上方均设置专用钢架提升设备, 将集中到通道口的土方作垂直提升, 然后水平输送到基坑边上, 由专门的运土车辆拉到场外。而各楼层间的土方主要靠人力开挖, 挖出的土方用小车运到各层通道口处。从外到里, 逐步开挖, 工艺简单, 操作方便, 对基坑没有大的扰动, 便于地下楼层的施工。
(2) 基坑围护:逆筑法施工时, 楼层也是由上往下施工的, 每施工完一层楼板, 即可作为地下连续墙的支承体系, 省去了原有的支撑体系, 不但降低了费用, 而且楼层结构的刚度比原有支撑要大, 与地下连续墙、中间支承柱形成一个整体后, 大大减少了基坑的变形, 使围护结构更加合理。
(1) 逆筑法施工中结构必须满足稳定性和变形两方面的要求, 应该严格控制差异沉降。
(2) 上层施工应满足下部结构在强度、变形和支承能力等方面的要求;下部施工除了对下部结构本身有影响外, 同时还要考虑对上部结构的影响。
(3) 采用共同作用理论设计逆筑法施工与一般的顺筑法施工其优点主要体现在一个“小”字:位移小, 差异沉降小, 隆起小, 应力小, 弯矩小等。
(4) 建立完备的现场监测制度, 对监测信息进行分析与反馈, 将能够有效地使施工在安全有序的状态下进行。
摘要：本文笔者对逆筑法施工对结构的影响因素进行了探讨, 并针对这些影响因素提出了具体的结构分析方法和控制措施, 可供今后的逆筑法施工参考。
关键词：结构,逆筑法,影响因素,控制措施
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