浅论建筑深层基础逆作法施工技术_论文发表__墨水学术,论文发表,

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:242

副标题#e#
　　浅论建筑深层基础逆作法施工技术
　　胡喜平
　　湖南中天建设集团公司湖南株洲412000
　　摘要：逆作法施工技术是高层建筑物目前最先进的施工技术方法。本文主要是针对深层基础逆作法施工的缺点及工艺原理和关键技术的探讨。应用效果以湖南株洲的一目为例，仅供参考。
　　关键词：深基础施工跃层逆作法地下连续墙一柱一桩调垂系统土方工程
　　1概述
　　目前深基础工程施工工艺主要有三种：顺作法、逆作法和顺一逆结合法，三种施工工艺各有优缺点和适用范围，其中逆作法由于在变形控制、可持续发展等方面的诸多优点成为近年来深基础工程施工领域的一大研究热点。
　　尽管逆作法施工具有诸多的优点，但仍存在一定的不足之处：
　　(1)由于逆作法为封闭式挖土，施工人员是在地下各层基本处于封闭状态的环境下进行施工，因而作业条件较差。
　　(2)逆作法的土方工程施工较一般施工方法困难，一是因为大型设备难以发挥作用，因而只能采用小型设备或人工挖土：二是土方垂直运输不便，所以施工速度较慢。
　　(3)逆作施工中，控制中间支承柱的垂直度和承载力较难，因施工中动、静荷载均作用在中间支承柱上，所以逆作法中间支撑柱的垂直度控制是逆作施工难点。
　　(4)逆作施工中每层土体开挖前需等待上层楼板施工完毕并达到设计强度后方可进行，严重制约土方开挖工期。在多层地下结构深基坑施工中，为了解决传统逆作法的缺点，特别是地下暗挖施工环境较差、土方施工机械化利用率较低和实际施工中工期受土方工程限制等缺陷，本文提出了跃层逆作工艺，该方法对上述缺点加以改进和优化，较传统逆作法而言，在施工工期、环境保护及经济效益方面均有所提高。
　　2跃层逆作施工工艺
　　2．1跃层逆作工艺原理
　　跃层逆作工艺的基本原理是在适当的地质环境条件下，根据设计计算结果，通过局部楼板加强以及适当的施工措施，在确保安全的前提下实现跃层超挖。跃层逆作法在传统逆作法基础上重点解决了地下暗挖施工环境差，出土效率低，挖土工期较长的弱点。
　　2．2跃层逆作工艺特点和优势
　　2．2．1设计和施工上的特点逆作法是一种支护结构与主体结构相结合的施工方法，因此在设计上相比常规顺作法而言更为复杂，尤其是跃层逆作工艺。
　　首先，跃层超挖后部分楼层的地下结构梁板需要后施工，这就相当于在基坑开挖过程中水平支撑道数减少了，作为水平支撑体系的地下结构梁板则受力更大，导致需要在更多的地方进行结构抗压与抗弯验算，并做楼板局部加强设计。楼板加强的方法主要包括施工阶段局部加大主体结构梁的尺寸与配筋、增设临时水平支撑和封板等。其次，在超挖过程中，应采取留土护坡措施，防止一次性开挖过大，引起围护结构及周边环境产生过大的变形。基坑围护结构的变形必须根据拟定的工况进行严格的计算分析，使之在规范规定的允许范围内。同时，由于跃层开挖增大了一柱一桩的计算长度对一柱一桩施工过程中的调垂精度控制提出了更高的要求。
　　跃层逆作法在施工上同样也有一些自己的特性。跃层开挖必须制定合理的挖土方案，按照正确的挖土施工顺序，分皮分块开挖，尽量减少挖土对基坑变形的影响；由于基坑超挖，相同时间段内的土方量增大，必须采用特殊的、高效率的挖土出土方法。
　　2．2．2相比传统施工工艺的优势
　　逆作法的优点主要包括以下几方面：①支撑刚度大、围护结构变形小：②无需设置临时支撑，经济效益高；③上部结构可以与地下结构施工并行，缩短了工程的总工期。跃层逆作法除了继承以上传统逆作法的优点外还具有
　　一些独特的优势。
　　(1)经济效益比传统逆作法更好，地下结构施工工期进一步缩短。
　　(2)暗挖施工环境得到改善，操作空间变大，便于施工组织，便于大型机械或者更多的小型机械同时作业，提高了挖土出土#p#副标题#e#效率。
　　(3)可以辅助一些垂直运输土方和材料设备的专用设备，使挖土出土的速度进一步提高，工期更短，加强了逆作法的优势。
　　2．3跃层逆作工艺适用范围
　　跃层逆作法作为逆作法的延伸，其基本特点与逆作法相同，逆作法的一些适用范围也同样适用于跃层逆作法。首先，普通逆作法的施工是为了项目施工时减少对周边环境的影响，在一些环境比较好的地区，采用逆作法施工不能发挥其优势，反而增加施工措施费用；其次，逆作法施工适合在施工空间较紧张，周边道路和施工场地不宜布置的区域。
　　同时，跃层逆作工艺由于采用跃层超挖的方式，选用时也要考虑以下几个因素：
　　(1)地下室层数最好在二层以上较深较大的地下工程：
　　(2)拟建建筑物四周的环境特别复杂，施工难度较大，环境保护要求特别严格：
　　(3)工期要求紧，缩短施工工期对工程有特别重要的意义或有巨大的经济效益；
　　(4)基坑地下室面积较大，造型又复杂，采用一般的施工工艺，难以完成地下室工程的施工。
　　3跃层逆作施工工艺关键技术
　　3．1相配套的基坑支护设计方案
　　跃层逆作法一般适用于开挖深度在10m以上的深基坑工程，基坑开挖风险极大，并且有超挖情况发生，因此采用该施工工艺的基坑支护设计方案除了涵盖常规的围护结构型式比选、围护结构受力与配筋计算、降水设计等内容外，还需对下述几个方面进行详细的论证与分析。
　　3．1．1主体结构梁板支撑体系受力分析
　　采用逆作法的工程其水平支撑体系为正常使用阶段的主体结构梁板，结构平面复杂，梁板结构数量繁多，受力状态较复杂。而跃层逆作由于减少了水平支撑的道数，通过围檩传递到结构梁板上的围压更大。因此，为保证基坑开挖过程的绝对安全，必须分析主体结构梁板支撑体系的内力及变形情况，为基坑设计提供参考和校核。目前较多采用平面有限元的方法来进行梁板体系的受力分析，根据实际的结构平面布置与尺寸来进行有限元建模，设置必要的边界条件以及荷载进行计算分析。现在使用较广泛的大型通用有限元软件如ANSYS、MIDAS及SAP等，均可完成该项分析。
　　3．1．2留土护坡
　　由于跃层逆作法的一次土体开挖深度一般在8m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而围护结构变形控制的难度则要大得多。
　　留土护坡施工简便，且无需增加额外的施工费用，是一种比较有效的减少围护结构位移的方法。基坑开挖时，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。坑边留土的宽度和坡度大小对于减少基坑变形的效果有较大的影响，因此基坑设计方案中应对留土护坡进行计算分析，以找出最合理的宽度和坡度。不同地质条件下的留土护坡设计也有所不同，根据软土地区工程经验，一般坡宽宜在8m以上坡度不宜小于1：2。
　　3．1．3竖向支承系统
　　逆作法基坑的竖向支承立柱可以采用型钢格构立柱或钢管混凝土立柱。型钢格构立柱由于构造简单、便于加工且承载能力较大，无论在顺作法基坑还是逆作法基坑中都得到了广泛的应用。但是，由于常规型钢格构立柱的竖向承载能力值一般不超过6000kN，当地下结构逆作期间同时施工一定层数的上部结构时，单根型钢格构柱所能提供的承载力无法满足一个柱网内的荷载要求。其次，当采用跃层逆作工艺时，立柱的计算长度将由原来的一倍层高变成二倍甚至三倍层高，导致立柱的承载能力大大降低。如果单单依靠提高钢材标号的方法来提高立柱的承载力，则经济性较差。
　　高层建筑结构采用在钢管中浇筑高强混凝土形成钢管混凝土柱，施工便捷、承载力高且经济性好，基坑工程中立柱采用钢管混凝土的型式，可以弥补上述型钢格构立柱缺点尤其在跃层逆作法基坑中还可以避免采用“一柱多桩”的办法来提高竖向承载力，#p#副标题#e#是逆作法“一柱一桩”设计在技术上和经济上更为合理的方案。对于钢管混凝土柱与结构梁板的连接构造，可以采用双梁的办法来解决。
　　3．2钢立柱高精度调垂系统
　　一柱一桩的施工技术是整个逆作法施工水平的核心部分，其施工质量直接影响着逆作法施工的成败，尤其是跃层逆作法由于增大了立柱的计算长度，对垂直度要求更高。目前多采用校正架法进行一柱一桩调垂，但是该方法的调垂精度与调垂效率一般，无法很好地满足逆作法工程的要求。
　　随着数字传感技术在土木工程中的应用越来越广，出现了新型钢立柱高精度三轴自动无线实时调垂系统。该系统采用数字倾角传感器对钢立柱的倾斜度进行测量，并采用无线数传模块在传感器与控制站之间进行数据通信，经过控制计算机对数据进行处理后，用液压装置对钢立柱进行纠偏，以达到使钢立柱保持垂直的目的。该调垂系统相比校正架法具有可靠度高、自动化程度高、调垂精度高和调垂成本低的特点，在工程实践中已得到了较好的应用。
　　3．3岩石地层中地下连续墙施工方法
　　跃层逆作法适用于各种土质条件下的基坑工程，尤其适合在土层条件相对较好的岩石地层区域使用。随之而来的问题是跃层逆作法中最常用的围护结构——地下连续墙的施工难度大大增加。由于目前地下连续墙成槽机多适用于软土地区，因此在岩石地层中地下连续墙施工就不能仅依靠成槽机来完成。若使用铣槽机来解决这个问题，施工机械代价则较高。针对上述问题，可以采用泥浆护壁、钻、抓、冲、修、清相结合的特殊成槽工艺施工。泥浆由膨润士、黏结剂(CMC)、分散剂(纯碱)、自来水经合理配比而成，黏度适当、密度符合要求、稳定性好、过滤失水量小，泥皮形成时间短且薄而又有韧性。导墙施工好后，在每个槽段的两端和中间沿地下连续墙纵向采用钻机钻孔，钻孔深度至地墙底标高，再用液压抓斗成槽机挖掘至岩石层顶面。接下来用冲岩机冲岩，冲岩完毕后可将中锤换成方锤进行修槽。修槽合格后，清底换浆，安放钢筋笼。最后安放导管，进行水下混凝土浇注。该施工方法既保证了施工工期和质量，又节约了生产成本，是岩石地层中施工地下连续墙的一种行之有效的方法。
　　3．4高效率取土工艺及设备
　　常规逆作法工程中当地下室顶板施工完成后，基坑内的土多采用小挖机挖掘，翻运至出土洞口，然后由停在顶板上出土洞口边的长臂挖机作垂直提升并装车外运。当施工至地下三、四层，甚至地下五层时，停在顶板上的长臂挖机就不能满足提升高度的要求，而必须换成履带抓斗挖机。该取土方法挖土效率低下，出土洞口的设置影响结构本身的施工质量，而且由于在出土洞口边的长臂挖机或履带抓斗挖机的把杆在提升装土时需回转操作，因此需较大的运行空间，给逆作法地下、地上结构同步施工带来了非常大的影响。
　　跃层逆作法由于在基坑开挖过程中跳过部分楼层的施工，每皮土的开挖空问一般都能达到8m以上，使得较大的挖土机械能够进入开挖面进行施工，这就需要形成一整套适用于跃层逆作法的高效率取土工艺与设备。
　　钢筋混凝土坡道结合垂直升降机的取土方法在跃层逆作法工程中有较好的实用价值。土方车直接由钢筋混凝±坡道进入开挖面，钢筋混凝土坡道随着土方开挖而延伸分级通向开挖面，这样简化了土方外运流程，并且由于挖机直接装运土方车，土方外运速度成倍增长。钢筋混凝土坡道出土对上部结构同时施工影响很小，加快整个逆作法工程进度。当土方车满载后，由垂直升降机升入地面。垂直升降机的应用可以大量减少挖土机械，降低逆作法挖土成本，并能在后期钢筋混凝土坡道的收坡过程中起到重要作用，对土方工程工期起到控制性影响。
　　4工程应用效果：湖南省株洲市石峰区莱茵小镇三期工程位于株洲田心，主建筑总建筑面积33226㎡,为满足小区内住户停车要求#p#副标题#e#，开发商设计地下室为三层，基坑开挖深度为12m，本工程土质条件较好，但施工空间小，周边道路及施工场地不好布置。根据本工程地下室面积大，造型复杂且工期要求紧等特点，本深基础工程采用逆作法施工方法。应用效果评价见表1。
　　表1工程应用效果评价
　　评价项目 实施效果
　　地下连接墙 地墙外观质量平整，渗漏情况较少
　　一桩一桩 垂直度≤1/800的占72.2%；
　　垂直度在1/500~1/800之间的占26.9%
　　土方工程 每个土出口日均出土1500m3，较原取土方法提高3倍效率；
　　地下室单层面积1.3万m3，仅用2~3台挖土机在地下装车
　　工期 节约4个月
　　环境影响 围护结构最大位移在21mm左右
　　5结语
　　深基础工程跃层逆作工艺拓展了深基础施工工艺的种类和应用范围，相关的关键技术研究也使该工艺具有一定的实用性与安全性。通过工程实例的应用，表明跃层逆作工艺可以取得很好的经济效益和社会效益，有较好的推广价值和广阔的应用前景。
　　参考文献：
　　[1]白蓉，建筑深基础逆作法设计与施工技术研究，2005
　　[2]凌展翔，浅谈“逆作法”施工的原理与优缺点，2007-南方七省（区）硅酸盐学会第25界学术交流年会
　　[3]黄松华，浅谈逆作法施工的要点及其优、缺点，《科技资讯》，2009，19