“逆筑法”施工工艺原理及优缺点浅谈

“逆筑法”施工工艺原理及优缺点浅谈 【内容提要】伴随着城市轨道交通工程建设一轮又一轮的高潮，其施工工艺及与周边的的影响等各 方面因素也在不断提升和显现， “逆筑法”之所以脱颖而出，与其自身的施工工艺特点及优越性是分不 开的。 【关键词】逆筑法 工艺 优缺点 “逆筑法”是施工高层建筑、多层地下室和其他多层地下结构的有效方法。传统的施工多层地 下室的方法是开敞式施工，即大开口放坡开挖，或用支护结构围护后垂直开挖，挖至设计标高后浇 筑钢筋混凝土底板，再由下而上逐层施工各层地下室结构，待地下结构完成后再进行地上结构施工。 对于深度大的多层地下室，用上述传统方法施工存在一些问题。首先支护结构的设置存在一定 困难，由于基坑很深，支护结构的挡墙长度很大，费用增加，尤其是基坑内部支护结构的支撑用量 大，一方面需用大量大规格的钢材，另一方面也增加了地下结构施工的难度；其次如用井点设备降 低地下水时，水位的降低会引起土体固结，使周围地面产生降沉，如不采取特殊措施，亦会危及基 坑附近的建筑物、地下管线和道路。深基坑的开挖，基坑的变形和周围地面的沉降是施工中急待解 决的问题之一。 实践证明，利用“逆筑法”施工开挖深度大的多层地下结构是十分有效的。 “逆筑法”的工艺 原理是：先沿建筑物地下室轴线(地下连续墙也是地下室结构承重墙) 或周围(地下连续墙等只用作支 护结构) 施工地下连续墙或其他支护结构，同时在建筑物内部的有关位置( 柱子或隔墙相交处等，根 据需要计算确定)浇筑或打下中间支承柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工 荷载的支撑。然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为地下连续墙刚度很大的支撑，随后逐层向下 开挖土方和浇筑各层地下结构，直至底板封底。与此同时，由于地面一层的楼面结构已完成，为上 部结构施工创造了条件，所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。这样地面上、下同时进行施 工(图 4-2-18 )，直至工程结束。但在地下室浇筑钢筋混凝土底板之前，地面上的上部结构允许施工 的层数要经计算确定。 图 4-2-18 “逆筑法”的工艺原理 1-地下连续墙；2-中间支撑柱；3-地面层楼面结构；4- 底板 “逆筑法”施工，以地面一层楼面结构是封闭还是敞开，分为“封闭式逆筑法”和“开敞式逆 筑法” 。前者可以地面上、下同时进行施工；后者上部结构不能与地下结构同时进行施工，只是地 下结构自上而下逐层施工。 与传统施工方法比较，用“逆筑法”施工多层地下室有下述优点： 1. 缩短工程施工的总工期 带多层地下室的高层建筑，如采用传统方法施工，其总工期为地下结构工期加地上结构工期， 再加装修等所占之工期。而用“逆筑法”施工，一般情况下只有-1 层占绝对工期，其他各层地下室 可与地上结构同时施工，不占绝对工期，因此可以缩短工期的总工期。如日本读卖新闻社大楼，地 上 9 层，地下 6 层，用“封闭式逆筑法”施工，总工期只 22 个月，比传统施工方法缩短工期 6 个 月。又如有 6 层地下室的法国巴黎拉弗埃特百货大楼，用逆筑法施工，工期缩短 1/3。地下结构层 数愈多，用逆筑法施工则工期缩短愈显著。 2. 基坑变形小，相邻建筑物等沉降少 采用“逆筑法”施工，是利用逐层浇筑的地下室结构作为周围支护结构地下连续墙的内部支撑。 由于地下室结构与临时支撑相比刚度大得多，所以地下连续墙在侧压力作用下的变形就小得多。此 外，由于中间支承柱的存在使底板增加了支点，浇筑后的底板成为多跨连续板结构，与无中间支承 柱的情况相比跨度减小，从而使底板的隆起也减少。因此， “逆筑法”施工能减少基坑变形，使相 邻的建( 构) 筑物、道路和地下管线等的沉降减少，在施工期间可保证其正常使用。表 3-7 是用“逆 筑法”施工的德意志联邦银行大楼与相同深度、用地下连续墙作支护结构、用五层土锚拉结的以传 统方法施工的原联邦德国国家银行总部大楼的施工变形比较，由此可以清楚地看出，用“逆筑法” 施工的结构变形小得多。 表 4-2-2 “逆筑法”施工与传统方法施工的变形比较 变形量(mm)施工方法 地下连续墙的水平变 形 底板隆起 邻近建筑物的沉 降 “逆筑法” 传统施工方法 2635 2060 18 60 412 2550 3. 使底板设计趋向合理 钢筋混凝土底板要满足抗浮要求。用传统方法施工时，底板浇筑后支点少，跨度大，上浮力产 生的弯矩值大，有时为了满足施工时抗浮要求而需加大底板的厚度，或增强底板的配筋。而当地下 和地上结构施工结束，上部荷载传下后，为满足抗浮要求而加厚的混凝土，反过来又作为自重荷载 作用于底板上，因而使底板设计不尽合理。用“逆筑法”施工，在施工时底板的支点增多，跨度减 小，较易满足抗浮要求，甚至可减少底板配筋，使底板的结构设计趋向合理。 4. 可节省支护结构的支撑 深度较大的多层地下室，如用传统方法施工，为减少支护结构的变形需设置强大的内部支撑或 外部拉锚，不但需要消耗大量钢材，施工费用亦相当可观。如上海电信大楼的深 11m、地下 3 层的 地下室，用传统方法施工，为保证支护结构的稳定，约需临时钢围檩和钢支撑 1350t。而用“逆筑 法”施工，土方开挖后利用地下室结构本身来支撑作为支护结构的地下连续墙壁，可省去支护结构 的临时支撑。 “逆筑法”是自上而下施工，上面已覆盖，施工条件较差，且需采用一些特殊的施工技术，保 证施工质量的要求更加严格。 二、 “逆筑法”施工技术 根据上述“逆筑法”的工艺原理可知， “逆筑法”的施工程序是：中间支承柱和地下连续墙施 工地下室-1 层挖土和浇筑其顶板、内部结构 从地下室 -2 层开始地下室结构和地上结构同时施工 (地下室板浇筑之前，地上结构允许施工的高度根据地下连续墙和中间支承柱的承载能力确定) 地 下室底板封底并养护至设计强度继续进行地上结构施工，直至工程结束。 地下连续墙前面已详述，此处只简单介绍中间支承柱和地下室结构的施工特点。 (一) 中间支承柱施工 中间支承柱的作用，是在“逆筑法”施工期间，于地下室底板未浇筑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；在地下室底板浇筑后，与底板连接成整体，做为地下室 结构的一部分，将上部结构及承受的荷载传递给地基。 中间支承柱的位置和数量，要根据地下室的结构布置和制定的施工方案详细考虑后经计算确定， 一般布置在柱子位置或纵、横墙相交处。中间支承柱所承受的最大荷载，是地下室已修筑至最下一 层、而地面上已修筑至规定的最高层数时的荷载。因此，中间支承柱的直径一般比设计的较大。由 于底板以下的中间支承柱要与底板结合成整体，多做成灌注桩形式，其长度亦不能太长，否则影响 底板的受力形式，与设计的计算假定不一致。亦有的采用预制桩(钢管桩等) 作为中间支承柱。采用 灌注桩时，底板以上的中间支承柱的柱身，多为钢筋混凝土柱或 H 型钢柱，断面小而承载能力大， 而且也便于与地下室的梁、柱、墙、板等连接。 由于中间支承柱上部多为钢柱，下部为混凝土柱，所以，多采用灌注桩方法进行施工。 在泥浆护壁下用反循环或正循环潜水电钻钻孔时(图 4-2-19 )，顶部要放护筒。钻孔后吊放钢管， 钢管的位置要十分准确，否则与上部柱子不在同一垂线上对受力不利，因此钢管吊放后要用定位装 置调整其位置。钢管的壁厚按其承受的荷载计算确定。利用导管浇筑混凝土，钢管的内径要比导管 接头处的直径大 50100mm。而用钢管内的导管浇筑混凝土时，超压力不可能将混凝土压上很高， 所以钢管底端埋入混凝土不可能很深，一般为 1m 左右。为使钢管下部与现浇混凝土柱能较好的结 合，可在钢管下端加焊竖向分布的钢筋。混凝土柱的顶端一般高出底板面 30mm 左右，高出部分在 浇筑底板时将其凿除，以保证底板与中间支承柱联成一体。混凝土浇筑完毕吊出导管。由于钢管外 面不浇筑混凝土，钻孔上段中的泥浆需进行固化处理，以便在清除开挖的土方时，防止泥浆到处流 淌，恶化施工环境。泥浆的固化处理方法，是在泥浆中掺入水泥形成自凝泥浆，使其自凝固化。水 泥掺量约 10%，可直接投入钻孔内，用空气压缩机通过软管进行压缩空气吹拌，使水泥与泥浆很好 地拌合。 图 4-2-19 泥浆护壁用反循环钻孔灌注桩施工方法浇筑中间支承柱 (a)泥浆反循环钻孔；(b) 吊放钢管、浇筑混凝土；(c) 形成自凝泥浆 1-补浆管；2- 护筒；3- 潜水电钻；4- 排浆管；5-混凝土导管；6-定位装置；7-泥浆；8-钢管；9- 自凝泥浆；10-混凝土桩 中间支承柱亦可用套管式灌注桩成孔方法(图 4-2-20 )，它是边下套管、边用抓斗挖孔。由于有 钢套管护壁，可用串筒浇筑混凝土，亦可用导管法浇筑，要边浇筑混凝土边上拔钢套管。支承柱上 部用 H 型钢或钢管，下部浇筑成扩大的桩头。混凝土柱浇至底板标高处，套管与 H 型钢间的空隙 用砂或土填满，以增加上部钢柱的稳定性。中间支承柱亦有用挖孔桩施工方法进行施工的。 图 4-2-20 中间支承柱用大直径套管式灌注桩施工 (a) 成孔；(b) 吊放 H 型钢、浇筑混凝土； (c) 抽套管、填砂 1-套管；2- 抓斗；3- 混凝土导管；4-H 型钢；5-扩大的桩头； 6-填砂；7-混凝土桩 在施工期间要注意观察中间支承柱的沉降和升抬的数值。由于上部结构的不断加荷，会引起中 间支承柱的沉降；而基础土方的开挖，其卸载作用又会引起坑底土体的回弹，使中间支承柱升抬。 要求事先精确地计算确定中间支承柱最终是沉降还是升抬以及沉降或升抬的数值，目前还有一定的 困难。 图 4-2-21 中间支承柱布置 图 4-2-21 为某工程“逆筑法”施工时中间支承柱的布置情况。其中支承柱为大直径钻孔灌注 桩，桩径 2m，桩长 30m，共 35 根。 (二 ) 地下室结构浇筑 根据“逆筑法”的施工特点，地下室结构不论是哪种结构型式都是由上而下分层浇筑的。 地下室结构的浇筑方法有两种： 1. 利用土模浇筑梁板 图 4-2-22 逆筑法施工时的梁、板模板 (a) 用钢模板组成梁模；(b) 梁模用土胎膜 1-楼板面；2- 素混凝土层与隔离层；3-钢模板；4- 填土 对于地面梁板或地下各层梁板，挖至其设计标高后，将土面整平夯实，浇筑一层厚约 50mm 的素混凝土(地质好抹一层砂浆亦可) ，然后刷一层隔离层，即成楼板模板。对于梁模板，如 土质好可用土胎模，按梁断面挖出槽穴(图 22b )即可，如土质较差可用模板搭设梁模板 (图 22a )。 至于柱头模板如图 4-2-23 所示，施工时先把柱头处的土挖出至梁底以下 500mm 左右处， 设置柱子的施工缝模板，为使下部柱子易于浇筑，该模板宜呈斜面安装，柱子钢筋通穿模板向下伸 出接头长度，在施工缝模板上面组立柱头模板与梁模板相连接。如土质好柱头可用土胎模，否则就 用模板搭设。下部柱子挖出后搭设模板进行浇筑。 图 4-2-23 柱头模板与施工缝 1-楼板面；2- 素混凝土层与隔离层；3-柱头模板；4- 预留浇筑孔； 5-施工缝；6- 柱筋；7-H 型钢；8- 梁。 施工缝处的浇筑方法，国内外常用的方法有三种，即直接法、充填法和注浆法。 直接法(图 24a )即在施工缝下部继续浇筑混凝土时，仍然浇筑相同的混凝土，有时添加一些铝 粉以减少收缩。为浇筑密实可做一假牛腿，混凝土硬化后可凿去。 充填法(图 24b )即在施工缝处留出充填接缝，待混凝土面处理后，再于接缝处充填膨胀混凝土 或无浮浆混凝土。 注浆法(图 24c )即在施工缝处留出缝隙，待后浇混凝土硬化后用压力压入水泥浆充填。 图 4-2-24 施工缝处的浇筑方法 (a) 直接法；(b) 充填法；(c) 注浆法 1-浇筑混凝土；2-充填无浮浆混凝土；3-压入水泥浆 在上述三种方法中，直接法施工最简单，成本亦最低。施工时可对接缝处混凝土进行二次振捣， 以进一步排除混凝土中的气泡，确保混凝土密实和减少收缩。 2. 利用支模方式浇筑梁板 用此法施工时，先挖去地下结构一层高的土层，然后按常规方法搭设梁板模板，浇筑梁板混凝 土，再向下延伸竖向结构(柱或墙板 )。为此，需解决两个问题，一个是设法减少梁板支撑的沉降和 结构的变形；另一个是解决竖向构件的上、下连接和混凝土浇筑。 为了减少楼板支撑的沉降和结构变形，施工时需对土层采取措施进行临时加固。加固的方法： 可以浇筑一层素混凝土，以提高土层的承载能力和减少沉降，待墙、梁浇筑完毕，开挖下层土方时 随土一同挖去，这就要额外耗费一些混凝土；另一种加固方法是铺设砂垫层，上铺枕木以扩大支承 面积( 图 4-2-25 )，这样上层柱子或墙板的钢筋可插入砂垫层，以便与下层后浇筑结构的钢筋连接。 有时还可用其吊模板的措施来解决模板的支撑问题。 图 4-2-25 墙板浇筑时的模板 1-上层墙；2- 浇筑入仓口；3-螺栓；4- 模板；5-枕木； 6-砂垫层；7- 插筋用木条；8-钢模板 至于“逆筑法”施工时混凝土的浇筑方法，由于混凝土是从顶部的侧面入仓，为便于浇筑和保 证连接处的密实性，除对竖向钢筋间距适当调整外，构件顶部的模板需做成喇叭形。 由于上、下层构件的结合面在上层构件