上海中心基坑施工方案探究(同济大学)

引言 城市中大量地铁工程和超高层建筑的建设 使得地下空间建筑越来越多 这 对大型深基坑工程支护结构选型 施工方法 施工工期 工程造价 周边环境保 护等提出了更高的要求 逆作法是近年来新兴的基坑支护技术 因其具备独特的 施工工艺 适用于深度较大且对围护结构水平变形有严格限制的基坑工程 尤其 适用于大跨度地下建筑工程施工 其具备对周边环境影响小 施工周期短 造价 较低 地下工程风险性小等优点 在国内多个大型深基坑工程得以成功实施 应 用前景十分广阔 逆作法与传统的施工方式不同 它是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 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 1 工程概况 上海中心大厦地处上海市浦东新区陆家嘴金融中心区 基地总面积约 3 04 万 主楼建筑高度 632 m 地上共 121 层 地下 5 层 裙楼地上 5 层 总建筑面积约 573 223 建成后将为中国第一高楼 场地北侧为花园石桥路 与金茂大厦相邻 西侧为银城中路 南侧为陆家嘴环路 东侧为东泰路 与上 海环球中心相邻 如图 1 上海中心大厦效果图 上海中心大厦基坑工程采用了塔楼区顺做裙房区逆做的方案 将基坑分为塔 楼区和裙房区 2 个分区基坑 基坑总面积约 34960 基地呈四边形 边长约 200 m 共设 5 层地下室 塔楼区基坑开挖深度为 31 2m 局部 33 2m 裙房区 基坑开挖深度为 26 7m 场地鸟瞰图如图 2 图 2 场地鸟瞰图 2 基坑施工方案 本工程首先明挖顺做施工塔楼区基坑 塔楼结构出 0 00m 后再逆做裙房区 基坑 主楼环形基坑直径 121 m 面积 11 500 开挖深度 31 m 围护形式采 用环形地下连续墙 开挖深度内设置 6 道环箍 地下连续墙墙厚 l200 mm 成槽 深度 50 m 共 65 幅 总成槽方量约 23400m 地墙接头形式为 V 型钢板柔性接 头 地墙设计强度等级 C45 水下混凝土按 C55 配制 塔楼区的采取顺做法施工可加快工程的施工进度 塔楼区基坑采用圆筒形无 内支撑结构形式 利用圆形均匀良好的受力性能 充分利用混凝土的抗压强度 基坑分区施工开始后 塔楼区顺作开挖时可利用裙房区域作为施工场地 裙 房区基坑逆作施工 可利用地下室顶板作为施工场地 分别解决了塔楼区和裙房 区基坑施工期间施工场地不足的问题 裙房逆作区域为一桩一柱 采用钻孔灌注桩内插格构式钢立柱形式 水平支 撑体系利用结构梁板兼作支撑 节省了临时支撑体系的工程量以及支撑拆除工程 量 同时大刚度的结构梁板体系作为基坑的支撑 有利于控制基坑围护结构的变 形 从而较好的保护周边环境 裙房逆作可减少施工噪音 扬尘等 避免支撑拆 除爆破 充分贯彻了绿色建造技术的要求 2 1 塔楼区施工工艺 针对上海地区软上的 时空效应 特点 为保证圆形基坑受力均衡和稳定以 及控制变形 开挖及环箍施工遵循分层 分块 对称 平衡 限时的总原则 具 体措施如下 1 塔楼区基坑开挖采用岛式挖土 首先均衡 对称 放坡开挖环边上体 基坑中部岛式露土形成坑内压载 提高坑内土体抗力 待环箍形成后再挖除岛式 留土 控制基坑变形 2 邻近地墙的土方 对称 均衡 分块开挖并及时形成环箍 以减少基坑 无环箍暴露时问 控制圆形围护的对称受力 均衡 稳定及变形 为便于开挖作 业 结台场地出土安排 在圆形基坑内设置了 4 个挖土平台 岛式开挖及挖土平 台布置详见图 3 地下室底板施工完毕后继续由下而上顺做地下室竖向结构 包括核心筒 地 下室外墙 结构柱 后做车道 楼梯以及其它混凝土板墙等 直到 0 00 标高开 始裙房区逆作法施工 对于无内支撑圆形基坑 安全实施的关键在于地下墙厦环箍的定位准确以满 足真圆度要求 同时各幅地墙间应紧贴接触 可靠传力 基坑开挖应分层 对称 均衡卸载以充分发挥圆形基坑的 圆筒 空间效应 将水土围压充分转化为圆形 围护结构的轴向力 确保塔楼基坑地墙整体均衡受力和开挖的安全稳定 图 3 塔楼区岛式开挖及挖土平台布置图 图 4 基坑开挖至坑底现场图片 2 2 裙房逆做区施工工艺 1 第一次土方开挖 盆边开挖至 3 80m 盆中开挖至 6 30m 临时边为 1 2 地下连续墙内侧导墙拆除及地下连续 墙泛浆混凝土凿除 主楼临时地下连续墙及环形围檩爆破拆除 至 6 30m 2 裙房 B0 层楼板结构施工 3 第二次土方开挖 开挖 2 1 2 2 层土体 开挖条件为 B0 层楼板 结构达到 100 强度 盆边开挖至 9 60m 临时边坡坡度为 1 2 4 盆边 200 厚 C35 垫层施工 5 裙房 B1 层盆边楼板结构施工 第三次土方开挖 开挖 2 3 2 4 层土体 盆中开挖至 11 60m 临时边坡坡度 1 2 主楼临时地下连续墙及环形围檩爆破 拆除至 11 60m 6 盆中 200 厚 C35 垫层施工 裙房 B1 层盆中楼板结构施工 7 依次循环施工各至各楼层指定标高 至基坑底部 27 2m 8 地下室底板结构施工 9 裙房 B4 层结构柱墙施工 封闭 B4 层楼板结构留设的取土口 裙房 B3 至 B0 层结构柱墙施工 封闭所有取土口 3 全逆作法施工方案 利用工程桩接升到地面的临时支柱与地连墙作为垂直承重结构 从地面向下 挖土并施工各层地下室楼板 此顶板又作基坑的水平支撑体系 同时也利用此支 柱承重 从地面以上施工各层上部结构 可实现地上地下二个方向同时进行施工 从当地的实际条件出发 并不完全从逆作法理论上去刻意安排士 0 000 为 分界线 而是根据工程特点 业主要求 以合理为原则 可以以地下室一层底作 为向上下施工的分界线的 这个顺序的最大优点是第一层土方可以大开口挖土 施工效率较高 第一层地下室一般深度 4m 左右 这时地下室外墙 地下连续 墙 是悬臂受力 可以采取盆式挖土的方法 以保留墙边土体的方式达到控制土 体变形与减少悬臂弯矩的目的 当地面浇捣后 再对称挖除地下墙边斜坡土并及 时浇筑垫层与第一层地下室底板 当形成二层楼板加外墙 中柱的箱形结构后 上部结构与地下室就可以同时向上下二个方向施工 因为此时结构有了巨大的刚 度 比较容易控制变形 可以保证施工安全 施工流程简图见下图 A 盆式挖土施工至地下一层底板 B 地下一层垫层施工及 0 00 楼板施工 C 地下一层楼板施工 D 地下一层楼板强度达到 100 进行地下二层挖土并同时可进行地上一层 结构施工 逆作法施工原理简单 效果明显 但施工控制不好会得到相反的结果 这里 以已建造工程施工工程的经验 说明必须注意的关键技术 1 支柱桩正确定位 逆作法施工时 支承垂直力的是由工程桩接高的型钢支柱 将来在立柱外再 包裹混凝土作正式作地下室柱 所以其轴线位置与垂直度必须正确 要求偏差在 20mm 以内 否则会影响正式工程柱子位置的正确性 这在施工工程桩时 就 要特别注意提高精度 立柱要按下部工程桩的种类 设计专用定位器与采取定位 措施 如钻孔灌注桩要适当扩大钻孔 钢筋笼固定立柱要全方位测量垂直定位下 放 再用支架临时固定后浇灌混凝土 如果是大口径钢管桩 可以在孔内埋设导 向定位锚板 测量控制垂直度 再用支架临时固定后浇灌锚固混凝土 2 坑内降水 深基坑施工在上海必须降水 而逆作法施工更加重要 上海软土地基在降水 后 土性指标大大提高 不仅能提高人员与机具在地下施工安全与效率 并且也 是地下室楼板支模之必须 所以挖土以前要安排足够的井点抽水 井点降水位置 要事先设计 认真实施 不能与结构梁相交 以避免给结构施工带来麻烦 对深井降水实施要动态控制 水位要定时观测 应始终让水位控制在挖土面 以下1 5m左右 3 逆作法施工中的挖土技术 挖土是逆作法施工的重要环节 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 而且挖土是产生变形的主要原因 也是施工安全的关键 上海的几只逆作法施工工程挖土均采用小型挖土机与人工挖土相结合 地下水平 运输采用人力拖车运输到出土孔下 出土吊运由专门设计的抓土行车完成 再由 卡车运出工地 4 跃层逆作法施工方案 通过对原有逆作法工程施工经验加以分析研究 并结合现场实际情况 可对 本工程地下室楼板的施工顺序等逆作法施工关键点上加以改进 在保证基坑安全 的情况下 确定 越层 施工方案 即先施工 B0 板 随后一次性开挖至 B2 板 施工 B2 板后再顺做 B1 板的施工方案 由于每次土体开挖深度一般在 8 m 以上 对于增大的围护结构内力可以通过 加强配筋的方式来解决 同时解决基坑可能出现的变形过大的问题 采用了留土 护坡的施工措施 沿坑边的留土不仅增大了基坑内被动土压力 土体本身也有一 定的结构抗力 对围护结构的水平位移起到限制作用 A 0 00 结构梁板施工养护 B 一次性开挖至 B2 底板标高 浇筑垫层 C 浇筑底下二层结构梁板 养护 D 向上顺做地下一层竖向结构及梁板结构 养护 跃层式逆作法的施工过程中存在众多施工重难点 主要控制要求如下 1 B0 层的设计刚度和完工程度以及混凝土龄期强度的实现情况 即跃层 的上一楼层的设计刚度 施工完成度和施工质量直接关系到跃层施工的成败和效 率 设计上需对 B0 层楼板进行加强 施工时加强养护 2 本工程中仅 B1 层为跃层 同理 B3 B5 均可作跃层施工 3 建议跃层施工挖土的深度 6 9m 约为 2 楼层的高度 若超过 10m 情 况施工 可能会超过围护结构的结构安全受力和允许位移 进而增加围护结构的 成本 得不偿失 4 跃层施工中应严格控制跃层上一楼层的设计刚度和施工进度 严禁在设 计强度不足或施工完成度 楼层梁板混凝土龄期强度未达标情况下进行跃层施工 5 逆作施工中 挖土施工需合理选用开挖工艺 严格控制跃层挖土施工的 质量 严禁过度超挖 切勿破坏 一柱一桩 结构 以免造成重大工程损失和事 故 5 结语 从以上工程实例可以看出 大城市地下空间施工 采取逆作法工艺在环境保 护 施工进度 社会和经济效益方面有着极大的优越性 这对于今后更为广阔的 地下空间开发有着推广运用的意义 但是 逆作法工艺发展至今 尽管一些关键 控制技术逐步得到攻克 但仍然存在一些施工或管理方面的问题需进一步解决 具体表现在 逆作法楼板封闭后 施工人员在下面操作将面临通风采光不足的施工环境 后做的竖向结构混凝土浇捣相对困难 逆作法出土相对较慢 逆作法要求设计单位投入较大设计力量 施工图的早期就要完成上下部的计算 和部分图纸 其中包括部分水 电 煤 各类管道设备的系统策划 施工单位投人技术管理要求高 对施工各阶段要通过结构计算预测过程中的沉 降量 桩的承载能力 节点构造 监测的方式方法 有时需要专业人员与设计对 口等等 另外 我们也注意到逆作法施工同时也存在着一定的局限性 主要表现在缺乏 强有力的理论支持 经验目前还在起主要作用 比如地下室施