负七层地下室“先封顶、后结底”全逆作法施工项目

陈浩1、龚湘军1、钟凌宇1、胡昊璋1、黄涛2、左朝晖2、周建发1、高博1、刘晶1、袁翀昊1、周琴1、周立民1、皮远凡1、钟林林1、周栋1、谭宇2、唐伟军2

（1. 湖南建工集团有限公司， 湖南 长沙 410002；  2. 湖南建工集团工程设计研究院有限公司，湖南 长沙 410002）

摘要：为解决岩质地层超大型深基坑施工难度大、施工效率低等难题，结合湖南旺旺医院医疗大楼扩建工程（二期）面临的施工场地狭小、业主要求最大化利用地下空间等特点，研发了岩土地质条件下深基坑"先封顶、后结底"全逆作法关键技术。包括“两墙合一”地下连续墙、“先封顶、后结底”竖向支撑体系、水平支撑体系、医疗建筑管道外置等设计技术，以及桩柱承载体系垂直度控制、钢管柱梁节点连接、基坑联合开挖及快速出土、施工安全分析及监测等施工技术。工程实践表明：该技术能有效控制地面沉降，减小对临近建筑物的影响，并解决临时用地紧张问题，有效提高施工效率，免去了大量临时支护，节省了造价。

关键词：岩质地层；先封顶；后结底；设计；施工

中图分类号： U 45　　　　　文献标志码：A　　　　　　　　　　　

0.引言

地下结构常用的施工方法有顺作法和逆作法两种。在建筑群密集、相邻建筑物较近、地下室埋深较大和施工场地狭小的情况下，采用顺作法施工，支护费用大、施工周期长、施工现场无法满足临时设施搭建和材料堆放要求等，且面临较多安全隐患。

在上海、广州等沿海城市，地质结构多为陆相或陆相与海相交互沉积淤泥质软土，高层和超高层建筑的地下结构施工大量采用了逆作法[1]，形成了成熟的经验，取得了良好的经济效益和社会效益。但对于内陆地区，上层沉积覆盖土层较薄，中风化、弱风化岩覆盖层较厚，岩质地层逆作法施工案例还比较鲜见。

本文依托湖南旺旺医院医疗大楼扩建工程（二期），结合工程特点及重难点研发了"先封顶、后结底"全逆作法关键技术，有效解决了岩质地层超大型深基坑施工难度大、施工效率低及危险性高等难题，通过全逆作法关键技术的实施，在工程项目安全、周边环境安全和工期控制等方面取得了良好的综合效益[2]。

1.依托工程概况

湖南旺旺医院医疗扩建工程（二期）位于长沙市人民东路，总建筑面积为16.9万m2，地上建筑高度77.3m，地上部分建筑面积约11.5万m2，地下建筑深度30.7m，建筑面积约5.4万m2。建成后，医院整体规模将达到2000床的规模，日门诊量可达6000人次以上，大楼侧视如图1所示，功能分区如表1所示。

图1 大楼侧视图

Fig. 1 Side view of the building

本项目基坑开挖深度大于30m，基坑面积约10000㎡，开挖量约30万m3，地下连续墙施工深度大于42m，桩基施工深度大于43m，工程场地上层覆盖砾石砂土层约12m、下层全部为中风化或弱风化岩层。面临以下工程难点（如图2所示）：

1）基坑开挖深，体量大；

2）基坑边线紧贴红线，周边建筑物密集；

3）周边管线密集；

4）需最大化利用基坑作为地下空间等。

表1 医院功能分区

Table 1 Functional division of the building

图2 场地工程概况

Fig. 2 Site Engineering Overview

2.关键技术

本项目岩质地层深厚，基坑开挖难度高、开挖量大，如果采用顺作法，地下结构施工将大幅延长总工期。“先封顶、后结底”全逆作法技术可以充分利用岩质地层承载力高、变形小的优势，上下部同时施工，避免了岩质地层难于开挖造成的工期延误，突破“结底先于封顶”的技术定势，封顶后加快内部装修，使本项目可大幅缩短工期。

“先封顶、后结底”全逆作法技术的原理包括如下要点：

（1）施工起始阶段即建立竖向支撑体系：钢管混凝土柱永久支撑体系、钢格构柱临时支撑体系、剪力墙托换体系；

（2）随地下室楼板施工推进，施工钢管柱外包混凝土，形成钢管混凝土叠合柱永久支撑体系；

（3）全部叠合柱外包混凝土完成后，拆除剪力墙下及临时支点处格构柱，相应荷载转移至永久支撑体系，实现承载体系转换；

（4）以地下室梁板结构代替基坑临时水平支撑。

本项目以EPC模式建造，为全面实施“先封顶、后结底”全逆作法技术创造了条件。实践中设计队伍与施工队伍密切配合，解决了诸多难题，形成了设计、施工两方面关键技术。

2.1 设计关键技术

为解决结构水平和竖向受力、传力及减少管道维护对运营影响的要求，确保“先封顶、后结底”全逆作法技术顺利实施，设计采用了“两墙合一”地下连续墙作为围护结构并形成开挖干作业环境；以桩柱体系作为竖向支撑；梁板在承受本层竖向荷载的同时作为地下连续墙水平支撑结构；管道置于建筑外部平台，大幅减少各类管道维护对医院日常运营造成的影响。

2.1.1 “两墙合一”地下连续墙设计[3]

采用地下连续墙作为地下室结构外墙，又作为基坑维护结构起到挡土和止水作用。通过理论分析、设计计算，在保证地下连续墙整体稳定、坑底抗隆起和抗倾覆等各项稳定性满足规范要求时，确定地下连续墙基底以下深度。对地下连续墙施工、竣工和使用期间荷载作用状态和结构状态进行12种工况分析，确保最不利工况下，满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，同时遵循安全、经济、合理的原则。

2.1.2 “先封顶、后结底”竖向支撑体系设计

在逆作施工阶段，在每根结构柱位置设置一根钢立柱和立柱桩，钢立柱设置在地下室的结构柱位置，钢立柱和立柱桩共同承担相应区域的荷载，待逆作施工至基底并浇筑基础底板后逐层在钢立柱外围浇筑外包混凝土，与钢立柱形成永久性的钢管混凝土叠合柱，此桩柱联合承载转换体系构造形式简单、施工便捷。

项目负一层以上剪力墙采用顺作法施工，负一层以下剪力墙待基础完成后由基础顺作至负一层，在一层剪力墙下设置托梁及竖向支承钢立柱与立柱桩，逆作施工期间上部剪力墙部位的荷载由托梁承担，传递给竖向支承系统；一层以下剪力墙上荷载由该层临时转换梁承担，传递给竖向支承系统（图3）。

2.1.3 水平支撑体系设计

利用地下结构的梁板等内部水平构件作为逆作期间基坑施工期间的水平支撑，并在局部结构开洞区域设置钢筋混凝土临时支撑或临时封板，与结构梁板共同形成水平支撑体系。一方面利用地下结构梁板结构刚度大的特点，有效控制基坑开挖阶段围护体的变形；另一方面，节省大量临时支撑的设置和拆除，有效避免了临时支撑拆除过程中围护墙的二次受力和二次变形对环境造成的影响。

图3 格构柱临时支撑

Fig. 3 Welding system

2.1.4 医疗建筑管道外置设计

考虑医院管道的维护与管理满足现代化医院的需求，通过对整个建筑水平管道的梳理，给水管、雨水回水管、消防管、空调热水管、空调冷水管、空调回水管、空调冷凝水管、热回收管等主管沿建筑外墙四周外置水平安装，呈环状布局，根据功能需求确定管沟大小，造型要求确定管沟细部尺寸和形状。建筑整体风格采用水平线条组合，结合立面幕墙处理，做到整体水平舒展，韵律丰富、虚实有度，符合绿色建筑理念。

2.2 施工关键技术

在施工上，“先封顶、后结底”全逆作法技术需解决桩柱垂直度控制、梁柱连接、快速开挖、体系转换等关键问题。为此，采用了一体成型桩柱承载体系垂直度控制施工技术以满足桩柱垂直度要求；研发了复杂应力状态下钢管柱环梁节点连接施工技术解决梁柱连接；以全逆作工况下岩质地层超深基坑联合开挖及快速出土技术实现基坑安全、快速开挖；通过竖向承载体系转换与水平支撑体系协同工作安全性分析及监测技术把握体系转换实施方案和安全。

2.2.1 一体成型桩柱承载体系垂直度控制施工技术[4]

垂直度是影响一体成型桩柱承载力的重要因素，施工中采用多种措施确保桩柱垂直度满足要求。

以大口径钢管柱轮式自动焊接接长技术保证钢管柱加工精度。现场利用钢管断面圆弧形特性进行了专项工艺设计，采用走轨式电动滚轮架、十字焊接操作中心组成专业钢管自动焊接技术，保证了钢管柱通长直线度，确保了一级焊缝质量要求（图4）。

通过可视化技术进行钢管柱安装的导向、定位与调垂。在格构柱底部设置榫结构，并在井底处设置1个漏斗形导向定位卯结构和1个摄像头，然后，基于可视化视频辅助对中就位，将格构柱底部榫结构精准插入漏斗形卯结构咬合。

水稳料回填空桩，实现桩柱侧向支撑强度与利于填料清除之间的平衡。空桩回填8%水泥稳定碎石，强度与桩周软岩相近(6-8MPa)，既可以满足桩柱侧向支撑要求，也便于逆作开挖过程中填料凿除。

图4 焊接系统

Fig. 4 Welding system

2.2.2 复杂应力状态钢管柱梁节点连接施工技术

钢管柱低应力节点处采用钢环板进行连接。根据地下室每层的梁板标高位置，在工厂加工时将4块12mm圆弧外贴钢板焊接好，并将抗剪钢筋箍、抗剪栓钉焊好。现场将加工好的环板与钢管柱外贴板连接成一体，构成钢管柱的传力端（图5）。

图5 钢环板节点

Fig. 5 Joint of steel ring plate

钢管柱高应力节点处采用钢筋环梁进行连接。施工要点是在环梁底支模完成后，绑扎钢管外包柱悬挂钢筋并安放环梁箍筋，腰筋连接后进行梁底支模，绑扎梁钢筋和环梁拉钩，完成钢筋环梁节点安装（图6）。

图6 钢环梁节点

Fig. 6 Joint of steel ring beam

2.2.3 岩质地层超深基坑联合开挖及快速出土技术[5]

采用“松、挖、运、吊”四机（重型钩机、挖机、推土机、装载机）无死角联合开挖。负一层人工填土和黏土层明挖，采取分层、盆式开挖方式。负二层逆作根据土层特性，上砂砾层采用了“装载机直接开挖”、下软岩层采用“重型钩机破岩+推土机转土”组合模式。负三层及以下逆作，采用了“重型钩机破岩+挖机打堆、上车+装载机转土”一种新的组合模式，解决了软岩地层逆作开挖、转运难的问题。

通过门式起重设备快速出土。在裙楼设两个逆作大出土孔，利用裙楼柱网设计出跨越两个出土孔、直接支撑在结构柱的大型钢桁架，桁架上安装三台60t的直线移动式起重机，渣斗可直接卸在外运渣土车辆上，一台起重机还可将渣土卸至集土场，解决不可外运时段出土问题（图7）。

图7 出土系统

Fig. 7 Transport earth system

2.2.4 施工安全分析及监测技术

应用有限元程序建立了结构整体分析模型，考察了各施工阶段桩柱承载转换体系、梁柱水平支撑体系等的受力情况，皆处于规范控制范围以内且有较大安全冗余，并与结构持续监测结果吻合较好。

基坑工程数值模拟采用岩土工程有限元分析软件进行建模，本构模型选择既可适用于软土也适用于较硬土层的等向硬化弹塑性模型。模拟各邻近管线位移值与实测值最大误差≤8%且偏保守。

3.结论与建议

在岩质地层应用“先封顶、后结底”全逆作法技术，通过工程实践得出以下结论：

1）城市中心能有效控制地面沉降，减小对临近建筑物的影响，并解决临时用地紧张问题。

2）有效解决了桩柱承载体系垂直度控制、钢管柱梁节点连接、超深基坑联合开挖及快速出土岩土、施工安全分析及监测等难题，提高了效率，保证了工程质量。

3）地下室梁板兼作基坑水平支护，免去了大量临时支护，节省了造价。上下部结构同时施工，工期节约效果显著。

在超深基坑的施工中，“先封顶、后结底”全逆作法技术优势明显，但桩柱连接、竖向承载体系转换等技术还比较复杂，具有研究与改进空间。

参考文献（References）：

[1]王允恭，王卫东，应惠清. 逆作法设计施工与实例[M].中国建筑工业出版社，2011，70-290.

WANG Yungong, WANG Weidong, YING Huiqing. Design and construction examples of reverse method [M]. China Construction Industry Press, 2011,70-290.

[2] 陈浩，张明亮，陈维超，宋祉辰，王江营. 湖南旺旺医院(二期)深基坑全逆作法施工技术[J]. 施工技术，2020，49(20):76-79.

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[3] 戴清峰，谭宇，黄涛，左朝晖. 中风化岩超深基坑“两墙合一”地下连续墙设计研究与实践[J]. 建筑结构，2020，50(20):133-137.

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[4] 陈维超，黄伟，张倚天，周建发. 湖南旺旺医院(二期)“一柱一桩”中格构柱导向、定位、调垂施工技术[J]. 施工技术，2020，49(20):104-107.

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