科威特某政府大楼采用逆作法施工的可行性分析
陈俊
(葛洲坝集团国际工程有限公司)
1 工程概况
科威特某政府大楼地面建筑由6层的办公大楼和5层的试验大楼组成，地上部分为框架结构，总高度34.2m，总建筑面积为101344m2，其各层的建筑面积见表1。地下2层地下室，平面形状为五边形，最大轴线尺寸为163.90m×154.54m，地下室平面面积为23550m2，地下室底板设计深度为13.5m，底板为2m厚钢筋混凝土筏板，基坑开挖总量311430m3。项目建设工期为36个月。
表1 项目各层建筑面积汇总表
2 施工方案的选择
根据当地地质资料推断，本工程0～5m为砂质黏土，5m以下为胶结状砂质粉土，可能在5m以下有地下水。参照当地的有关经验做法拟定了常规的施工方案，即基坑采用工字钢+木挡板+锚杆的支护方式分层设台阶开挖，共分3层，每层层高和台阶宽度均为4.5m。开挖到底后浇筑钢筋混凝土筏板，然后由下而上逐层施工各层地下结构，待地下结构完成后再逐层进行地上结构的施工。此方案的工期计划见表2。
表2 采用常规施工方案的工期计划参考表
考虑本工程上部为悬挑结构和异形扭面结构，结构型式比较复杂，装饰装修要求较高，工期很紧，如不能按期完工将会遭受严厉罚款，必须采取措施确保工期，为此，提出了采用逆作法施工的方案。
3 逆作法的设计与施工
3.1 逆作法的流程设计
设计作为地下室边墙的地下连续墙和中间的195根钻孔灌注桩，共同承受上部结构及基础结构平行立体作业时的总荷载，参照类似工程经验，在底板施工前，地上结构施工至地上3层。从地下室顶板底面开始由上向下分阶段开挖，并浇筑纵横支撑（包括圈梁）及底板，然后在底板上完成底层支撑结构。设计施工程序如下：
（1）先完成地下连续墙，作为地下室的外墙及基坑的围护结构。同时在建筑物内部的有关位置打下中间柱下的钻孔灌注桩作为支承系统。
（2）首先施工地下室的顶板结构（包括顶圈梁、纵横水平支撑梁和楼板），然后开挖土方至下一层地面标高，并完成地下一层的梁板楼面工程和该层内的柱子或墙板结构的浇筑。
（3）施工地上1～3层框架的柱、梁、板结构。同时利用已完成的顶板结构和地下一层结构作为地下连续墙刚度很大的支撑，地下第二层土方开挖。
（4）第二层土方开挖完成后，进行浇筑垫层、钢筋混凝土底板及分隔墙工程。
（5）在基础底板养护期间，接高施工地面以上4～6层柱、梁、板，并进行基础内部隔墙等结构工程施工。
（6）地面以上及地面以下水电装修工程同时并进。
3.2 地下连续墙的设计与施工
地下室外墙采用地下连续墙，两墙合一。国内外类似工程的地下连续墙墙厚一般为600～800mm，本工程虽然地面楼层不多，但地下室较大，故墙厚取800mm，墙深取2倍基坑深度，暂定为27.0m。考虑基坑较大，在地下连续墙顶部预留100cm，加设1道刚度较大的圈梁，与地下室内的楼盖梁板连接在一起，施工时形成具有足够刚度的水平支撑。
地下连续墙墙体采用钢筋混凝土，混凝土标号为C30。地下连续墙与地下结构内部梁板等构件的连接，按整体连接刚性构造考虑。
由于本工程采用两墙合一，地下连续墙不仅作为基坑围护结构，还要作为主体结构的一部分，除了要求接头抗渗挡土外，还要求接头具有抗剪能力，故地下连续墙的槽段连接采用刚性接头。刚性接头推荐采用钢筋搭接接头型式，这种接头的结构连接刚度和接头抗剪能力均很优越，工艺成熟，可以实现完全刚性连接。钢筋搭接接头平面型式见图1。
根据本工程地层特点，为减少接头数量，单槽长度为13.50～15.50m（施工时可根据情况进行调整），墙面倾斜度不宜大于1/300。地下连续墙拟采用“两钻一抓”法施工，尽量使用抓斗作业，对于比较坚硬的地层则采用冲击钻进行钻进。
3.3 中间支承桩的设计与施工
图1 钢筋搭接接头构造简图
中间支承桩在施工阶段承受两种荷载：其一是承受作为支撑结构的梁板体系的自重；其二是承受在设计中预定好的若干层数的上部结构传下来的结构自重及施工荷载。采用一柱一桩作为施工竖向承重构件，国内外类似承重桩大多采用φ700～900mm的钻孔灌注桩，立柱多为钢管、格构钢柱和H型钢柱。本工程拟采用φ900mm钻孔灌注桩作为支承桩，桩深取2倍基坑深度，暂定27.0m。鉴于本工程地下室主体结构设计中共有大小立柱390根，施工期间取一半作为临时支承柱，故布置195根钻孔灌注桩。施工阶段采用角钢格构柱作为临时支承，底板施工后，再浇筑混凝土形成钢骨混凝土柱。
中间支承桩的桩体为钢筋混凝土，混凝土标号为C30。采用正循环潜水电钻成孔，混凝土浇至底板面以上300～500mm，将格构钢立柱插入底板底面以下2m，使钢立柱底端锚固于灌注桩中。
由于钻孔桩内混凝土并未浇到地面，孔的上部存留钻孔泥浆，可在泥浆中掺加10%水泥，用空气压缩机送风进行搅拌，使孔内混有水泥的泥浆自凝结硬。
3.4 地下室底板设计
采用逆作法施工设计后，由于增加了地下连续墙和桩基，故可以取消筏板，参照类似工程经验设置钢筋混凝土底板，一般类似工程的底板厚度为1.4～1.5m，本工程底板厚度取1.4m，这样基坑开挖深度也可以减少0.6m，底板钢筋用量比筏板钢筋用量暂定减少20%。
3.5 地下连续墙结构钢筋和内部结构钢筋连接
为保证地下连续墙墙体与墙外结构的圈梁、中间梁、隔墙、底板等连接的整体性，在地下连续墙的钢筋笼上，按照与地下室楼板、底板等结构对应的位置预留连接钢筋埋件，以便于与地下结构连接形成整体，接头处钢筋采用焊接或机械连接。待地下连续墙施工完毕凿出预埋钢筋，即可与顶部圈梁、杯口的钢筋焊接。地下连续墙与地下室纵横梁钢筋的连接，采用预埋螺栓连接法。
地下连续墙墙体与地下结构底板连接处，以及地下连续墙墙体内有预埋件及连接地下结构的预埋锚筋处，均设置止水构造。
3.6 垂直运输及施工窗口
逆作法施工是在顶部楼盖封闭条件下进行的，在进行地下各层地下室土方开挖、结构施工时，需要进行施工设备、土方、模板、钢筋、混凝土等的上下运输，需要预留一定数量的上下贯通的垂直运输通道或其他通道和考虑通风换气问题。
本工程的第一层地下室，在主楼和试验楼部位均有车道可下到地下室，第二层地下室在试验楼也有车道相通，因而，可以先把车道修好，利用车道直接作为土方开挖和主要的材料、设备等的运输通道。另外，两层地下室在主楼和试验楼部位各有3个电梯井，在地下室的外边缘各有两个较大的楼梯通道，在主楼和试验楼部位还各有2个步行楼梯间，均可以作为垂直运输通道和通风井。
由于地下室的立柱间距一般为18m左右，地下室的高度为5～6m，因此，地下土方可直接用凯斯CX55B型无尾回转式小型挖掘机为主进行挖土，用人工配合。该挖掘机功率大、体形小，斗容0.2～0.28m3，特别适合狭窄的作业空间，具有杰出的挖掘和破碎锤工作表现，且自带推产，方便集土。直接用挖掘机进行装车，用8t翻斗车进行装运。混凝土浇筑时，小量的可以通过电梯井用串桶或溜槽进行运输，现场用手推车转运。底板大方量的混凝土浇筑则用8t翻斗车运输入仓。施工期间的大物件和施工设备也可以通过车道直接用汽车运输。零星物件可以通过电梯井运输。
鉴于地下室平面空间较大，可以多开作业面进行土方开挖，多开工作面进行地下结构施工，以提高施工效率。
4 技术经济分析
（1）逆作法施工的工期分析。采用逆作法施工，地下连续墙、中间桩柱的施工和地面层梁、板施工是要占用直线工期的，且这些也基本是主体结构的组成部分，预计2个月完成，之后，地下地上同时施工。采用逆作法施工的工期计划见表3。
表3 逆作法施工工期计划表
续表
从表中可以看出，采用逆作法施工所用工期比采用常规方法施工所用工期（表1）要缩短5.5个月。主体结构工期的缩短，不仅工程形象进度好，还可以为后续装饰装修提供足够的施工时间，甚至缩短施工总工期，避免合同工期延误而被罚款（合同规定的最少罚款额为24000KD，最多为合同总价的10%），也可以节省大量的基坑支护维护费用约5万科威特第纳尔、管理费用和设备租赁费、人工费等约38万科威特第纳尔。
（2）由于采用逆作法施工，虽然增加了地下连续墙和中间支承桩，但是总体上节约了采用常规施工方法的支护费用，节约了地下室土方开挖14130m3，节约了筏基混凝土14130m3，增减费用相抵后，总体节约近100万科威特第纳尔。
（3）由于地下连续墙是地下室的一部分，使地下室外墙的厚度减少40%～50%，另一方面在浇筑地下室外墙时因单面支模，还可节约模板费用，故逆作法在地下室外墙上至少节约费用50%左右。本工程地下室外墙长约636m，高11.5m，厚度按700mm计，约为5120m3混凝土，按节约一半混凝土计，混凝土按90KD/m3，共节约23万科威特第纳尔。
（4）采用逆作法施工，地下室顶层和地下室中间层、底板都采用土胎膜进行施工，可以节约大量的模板和支撑材料，也可节省大量的支模时间，同时因为在地面作业可以极大地提高施工效率。
综上所述，采用逆作法施工，地下连续墙同时作为围护墙和结构外墙，不需另外设置水平临时支撑，立柱即为主体竖向构件也不存在拆除问题，经济效益是显而易见的，因总工期缩短而创造的经济效益则更为可观。同时，结构水平构件替代支撑，刚度大，围护体变形小，有利于周围环境的保护；采用封闭、逆作施工，施工现场文明，利于城市建设和环境保护。且逆作法施工技术成熟、可靠，在本工程中使用逆作法施工，技术上可靠，经济上合理，具有明显的可行性，建议在下一步施工设计时推荐采用，并进一步把主体结构与逆作法相结合进行细化设计，研究和优化逆作法施工的技术措施，为项目采用逆作法施工创造有利的条件。