王樹貴 （山東省鄆城縣環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，山東 菏澤 274700）

0 引言

由于城區(qū)土地資源的稀缺性以及人口密度的不斷增加，導(dǎo)致地表空間十分擁擠，極大地限制了城區(qū)商業(yè)發(fā)展，也使得居住環(huán)境不斷惡化[1]。以城市停車為例，地表匱乏的土地資源不能滿足日益增長(zhǎng)的汽車保有量，在城市土地開發(fā)過程中，為減少地表停車位，修建的高層建筑一般會(huì)配備地下停車場(chǎng)，發(fā)展地下空間成為解決停車難和緩解人車矛盾的有效途徑[2]。在傳統(tǒng)的地下室修建工法中一般采用明挖順作法，這種工法適用于施工場(chǎng)地較好、工期較為寬松和無周邊環(huán)境影響的條件[3]。為了在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中心城區(qū)更好地保護(hù)周邊環(huán)境、提高基坑剛度、加快建設(shè)進(jìn)度以及節(jié)約工程造價(jià)，在全逆作法的基礎(chǔ)上發(fā)展出了邊區(qū)逆作法，以施工的地下室樓板結(jié)構(gòu)作為基坑橫向支撐，大大地提高了基坑剛度和穩(wěn)定性，達(dá)到了良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工過程進(jìn)行研究，并采用有限元模擬的手段對(duì)超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目位于城區(qū)東北角，項(xiàng)目四周均為城市主干道，交通方便，規(guī)劃用地面積52434.66 m2，總建筑面積約為226243.87m2，其中地上建筑面積為180603.13m2，地下建筑面積為45640.74m2。包含6 棟住宅、1 棟3 層幼兒園、1 棟19 層辦公樓、1棟32 層辦公樓及地下車庫，其中1#、2#、5#、6#住宅樓33 層，3#住宅樓22層，4#住宅樓34 層。住宅、辦公樓均為裝配式建筑，裝配率均不低于50%。一期總建筑面積124852.03m2，其中地上建筑面積為93246.62m2，地下建筑面積為31605.41m2。包含6 棟住宅、1 棟3層幼兒園及地下4 層車庫。具體的建筑設(shè)計(jì)概況如表1所示。

表1 建筑設(shè)計(jì)概況 （單位：m2）

2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)所分布的地層及主要特征如表2所示。

表2 場(chǎng)區(qū)各巖土層分布及主要特征

圖1 山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑

3 高層建筑物地下室邊區(qū)逆作法的施工過程

邊區(qū)逆作法作為一種新型的基坑工程開挖方法，是在全逆作法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，結(jié)合了逆作法和明挖順作法兩者共同的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，在基坑支護(hù)樁或者圍護(hù)墻完成后，通過在基坑周邊一定寬度范圍內(nèi)采用逆作法施作永久結(jié)構(gòu)，形成閉環(huán)以替換橫向臨時(shí)混凝土支撐或者臨時(shí)鋼支撐，達(dá)到提高基坑支護(hù)剛度的目的。而在基坑的中間區(qū)域則采用大面積的明挖順作法（正作法），以提高出土效率和提供施工空間。結(jié)合山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑工程實(shí)例，將逆作法和明挖順作法的平面區(qū)域劃分如圖2 所示，這種以逆作法換取中間區(qū)域明挖順作法的方式，極大地提高了施工效率，同時(shí)不受基坑周邊環(huán)境的影響，能滿足基坑周邊建筑物密集或者管線眾多的施工要求[7]。

圖2 工程實(shí)例中逆作法和明挖順作法的平面區(qū)域劃分

結(jié)合山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑工程實(shí)例，對(duì)邊區(qū)逆作法的施工過程進(jìn)行分析。在施工初期，首先對(duì)場(chǎng)區(qū)的土地進(jìn)行平整，并對(duì)基坑周邊進(jìn)行支護(hù)灌注樁的施工，支護(hù)灌注樁的直徑為600mm、間距為800mm，將冠梁將基坑周邊的所有支護(hù)灌注樁圍成整體，形成密閉的擋土結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示；施工階段2，按照設(shè)計(jì)位置對(duì)施工逆作邊區(qū)范圍內(nèi)的豎向承載構(gòu)件鋼管柱進(jìn)行放樣和施工，一般鋼管柱也可以采用混凝土柱進(jìn)行替代，混凝土柱在施工階段為臨時(shí)承載構(gòu)件，在使用階段則變成結(jié)構(gòu)柱，達(dá)到永臨結(jié)合的目的，但這種方法對(duì)混凝土柱的豎向偏角控制較為嚴(yán)格，施工難度也較大，如圖3（b）所示；施工階段3，開挖基坑土體，將土體開挖至高層建筑物地下室頂板以下50cm，如圖3（c）所示；施工階段4，澆筑邊區(qū)范圍內(nèi)的高層建筑物地下室頂板，形成一定寬度的封閉水平支撐板，并將其與鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)連接，形成豎向和橫向相互結(jié)合的支撐體系，如圖3（d）所示；施工階段5，在高層建筑物地下室頂板達(dá)到一定強(qiáng)度后，繼續(xù)開挖基坑土體，直至地下一層底板以下50cm，如圖3（e）所示；施工階段6，澆筑邊區(qū)范圍內(nèi)的高層建筑物地下一層底板，形成一定寬度的封閉水平支撐板，并將其與鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)連接，形成豎向和橫向相互結(jié)合的支撐體系，如圖3（f）所示；施工階段7，重復(fù)施工階段5和施工階段6 的步驟，依次施作開挖土體、地下二層底板、開挖土體、地下三層底板、開挖土體，直至挖到地下室底板以下20cm，采用素混凝土對(duì)基坑底板進(jìn)行封閉；施工階段8，澆筑底板，待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，自下而上完成中間區(qū)域明挖順作法的地下室樓板，最后封頂形成完整的地下室結(jié)構(gòu)。

圖3 高層建筑物地下室邊去逆作法施工過程

應(yīng)用邊區(qū)逆作法對(duì)高層建筑物地下室施工最大的優(yōu)點(diǎn)就是充分利用了地下室結(jié)構(gòu)的水平抗力，提高了基坑的水平剛度并減小了土體變形，另一方面減少了臨時(shí)水平混凝土支護(hù)的施工，達(dá)到了低碳施工、裝拆支撐的目的[8-10]。為了更好地說明邊區(qū)逆作法對(duì)基坑的擾動(dòng)程度，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)A-A 斷面和B-B 斷面布置了樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在基坑的3 個(gè)角點(diǎn)上分別布置了YL1、YL2、YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖2 所示。A-A 斷面和B-B 斷面樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 A-A斷面和B-B斷面樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)曲線

從圖4 中可以看出，在A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移曲線均表現(xiàn)出拋物線形，其最大值均在樁體中間部位且深度約16.00m 位置。其中，A-A 斷面中的樁體深層水平位移最大值為49.07mm，而B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值為43.99mm，樁頂和樁底的位移遠(yuǎn)小于中間的水平位移峰值。A-A 斷面中的樁體深層水平位移略大于B-B 斷面中的樁體深層水平位移，是因?yàn)锳-A 斷面位置的樁體位于長(zhǎng)直邊，逆作結(jié)構(gòu)的寬度較小，而B-B斷面位置的樁體位于斜邊，逆作結(jié)構(gòu)的寬度較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度較大。無論如何，A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠(yuǎn)小于規(guī)范中0.5%H（H 為基坑深度，換算為80mm）的要求，表明高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工有效地控制了基坑變形。

表3 為YL1、YL2、YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。從表中可以看出，隨著逆作深度的增加，同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樓板應(yīng)力逐漸減小，且從頂板至負(fù)一層這個(gè)階段的樓板應(yīng)力下降迅速，表明在基坑工程邊區(qū)逆作法施工過程中，對(duì)地下室頂板的應(yīng)力控制最不利，應(yīng)加強(qiáng)頂板的強(qiáng)度和剛度；在同一樓層，YL2 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最大，YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力次之，YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最小。

表3 場(chǎng)區(qū)各巖土層分布及主要特征（單位：MPa）

4 基于數(shù)值仿真的高層建筑物地下室邊區(qū)逆作法設(shè)計(jì)分析

基于邁達(dá)斯巖土分析有限元軟件MIDAS GTS 建立地下室邊區(qū)逆作法的數(shù)值仿真模型，計(jì)算時(shí)土體采用修正的摩爾庫倫本構(gòu)，土體的本構(gòu)特征參數(shù)如表4 所示。圍護(hù)混凝土灌注樁、地下室頂板、地下室樓板等混凝土結(jié)構(gòu)均采用C40 混凝土澆筑，彈性模量取值為32500MPa，容重取值為25kN/m3，泊松比取值為0.20。

為了更為安全和經(jīng)濟(jì)地對(duì)地下室邊區(qū)逆作法進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究，模擬時(shí)設(shè)置3 種超挖工況，分別為超挖100cm（工況1）、超挖200cm（工況2）、超挖300cm（工況3）；3種單側(cè)樓板寬跨比工況，分別為寬跨比為l/b=2.0（工況4）、寬跨比為l/b=3.0（工況5）、寬跨比為l/b=4.0（工況6），其中l(wèi) 為邊區(qū)逆作的樓板跨度、b為邊區(qū)逆作的樓板寬度。

圖4 為不同超挖深度對(duì)逆作法基坑圍護(hù)樁體深層水平位移的影響，從圖中可以看出，對(duì)于不同超挖深度而言，其基坑工程圍護(hù)樁體的水平位移均為拋物線型，隨著超挖深度的增加，主要改變的是樁體上部水平位移，樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加，而曲線峰值以下的水平位移值基本不變。

圖5 為不同寬跨比對(duì)逆作法基坑圍護(hù)樁體深層水平位移的影響，從圖中可以看出，對(duì)于不同的寬跨比而言，其基坑工程圍護(hù)樁體的水平位移均為拋物線型，隨著寬跨比的增加，主要改變的是樁體水平位移的峰值，位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加，而圍護(hù)樁頂和樁底部的水平位移基本不變。

圖5 不同超挖深度對(duì)逆作法樁體深層水平位移的影響

圖6 不同寬跨比對(duì)逆作法樁體深層水平位移的影響

5 結(jié)論

以山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室施工為研究對(duì)象，對(duì)邊區(qū)逆作法的施工過程進(jìn)行分析，考慮超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比的影響，采用有限元模擬的手段進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得到以下三個(gè)結(jié)論。

①A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠(yuǎn)小于規(guī)范中0.5%H（H 為基坑深度，換算為80mm）的要求，表明高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工有效地控制了基坑變形。

②隨著逆作深度的增加，同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樓板應(yīng)力逐漸減小，且從頂板至負(fù)一層這個(gè)階段的樓板應(yīng)力下降迅速，表明在基坑工程邊區(qū)逆作法施工過程中，對(duì)地下室頂板的應(yīng)力控制最不利，應(yīng)加強(qiáng)頂板的強(qiáng)度和剛度。

表4 土體本構(gòu)特征參數(shù)

③樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加，而曲線峰值以下的水平位移值基本不變；隨著寬跨比的增加，主要改變的是樁體水平位移的峰值，位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加，而圍護(hù)樁頂和樁底部的水平位移基本不變。