[摘 要] 逆作法施工具有有效控制基坑变形、保护环境、占用施工场地少以及对地面交通影响少等优点。 逆作法不仅要考虑到施工中围护结构的内力、变形和稳定性，在软土地区还要考虑施工过程中结构差异沉降这一新问题。结构差异沉降的产生是因为土方开挖的卸载、结构自身刚度以及所受荷载的不同而引起的。文章对杭州地铁一号线武林广场车站端头井逆作法施工的实测资料进行了分析和归纳，对中间立柱之间以及立柱与围护地连墙之间在施工过程中的差异沉降进行分析和研究。

[关键词] 逆作法；差异沉降；实测研究

 

      逆作法是目前地下结构工程施工常用的一种方法。逆作法一大特点就是利用楼面永久结构代替临时支撑，以节约造价。逆作法首先施工地下连续墙，其次施工立柱桩及永久性钢管立柱或临时立柱，然后从上到下依次施工各层结构梁板，最后浇筑结构底板。由于地下连续墙、立柱和主体结构等各个体系的刚度以及受力状况的不同，因此在土方开挖卸载的过程中，结构之间的差异沉降是客观存在的。

      采用逆作法施工，在基础大底板浇捣之前，全部的结构、施工荷载主要靠中间立柱及基础桩和周边地下连续墙入土部分的摩擦力来承担。中间立柱和周边地下连续墙分担荷载不同，自身结构刚度也有很大差异。土方开挖时，坑底隆起带动墙柱一同向上位移，在向下荷载和向上隆起共同作用下，使立柱竖向下沉或上升，柱之间、柱墙之间差异沉降会导致地下主体结构的内力重分布，引起附加内力，严重的会导致结构开裂，对结构造成永久伤害，因此施工前必须根据施工流程进行详细的理论计算，施工过程中必须采取措施防止出现过大差异沉降。根据工程经验^[1]，逆作法的立柱以及立柱与地连墙之间的差异沉降不得超过20 mm，同时不得大于相邻柱距的1/400，可确保结构的安全。由此可见，对于软土地基，逆作法的设计和施工的关键就是如何设计和控制中间立柱桩之间以及地下连续墙与立柱桩之间差异沉降的问题。

 

      杭州市地铁一号线武林广场车站是地铁1号线与3号线的换乘车站，该车站为地下3层上下重叠的岛式站台，4柱5跨3层结构，标准段宽36.6 m。车站周边环境比较复杂，地下管线众多。该站东侧为浙江省科协大楼，距离车站基坑最小净距约10.8 m；西侧为浙江省展览馆，是重要保护建筑，距离车站基坑最小净距约8 m。车站采用全逆作法的设计和施工工艺，以地下连续墙作两墙合一的围护结构，以主体结构梁板和一桩一柱的的永久性立柱和立柱桩代替临时支撑体系。其中北端头井为4层地下结构，底板埋深约27 m，底板厚1.5 m。

      地下连续墙厚1.2 m，有效长度45.5 m，各槽段之间采用十字钢板刚性接头，可协调槽段间的不均匀沉降。地下连续墙采用Ф32受力主筋和C35混凝土；立柱桩采用直径1 600 mm的钻孔灌注桩，桩长16.76 m，采用Ф32的受力主筋和C35混凝土，受力主筋保护层厚度为70 mm。结构立柱采用直径900 mm、壁厚16 mm的钢管混凝土立柱。

      本文就北端头井逆作法施工过程中立柱桩和地下连续墙的差异沉降进行分析。表1为北端头井逆作法施工过程差异沉降分析的施工工况，图1为北端头井地下结构剖面图，图2为北端头井地下1层结构平面布置图。该端头井东西宽44.9 m，南北长42.4 m，为方便施工出土每层结构都预留了2个边长13.5 m的正方形出土口。

      拟建场区位于浙北平原区，为海积平原地貌单元，地貌形态单一。场地浅表层为厚2 m～5 m的填土，其下局部为厚0.5 m～2.8 m的粉土层；埋深4.3 m～26 m处为厚约20 m的高压缩性流塑状淤泥质粉质粘土；中部深度约26 m～40 m为厚10 m～14 m的软塑～硬可塑状粉质粘土，局部夹有薄层含砾细砂；下部为性质较好的细砂、圆砾层，圆砾层间局部夹粉质粘土层；底部为白垩系的凝灰质粉砂岩，场地南侧靠近体育场路附近为侏罗系的安山玢岩。场地等级为二级（中等复杂场地）。

      车站范围地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水、孔隙承压水和深部基岩裂隙水。根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，勘探深度内可划分为第四系松散岩类孔隙潜水、承压水和基岩裂隙水。基坑采用井点降水施工，施工单位于2009.1.1至2009.10.1期间对基坑进行采用井点降水，历时274 d。

 

      在逆作法施工期间，桩身所承受的荷载包括桩身自重、上部外荷载、正摩阻力、负摩阻力、桩端阻力等，这些力共同作用的结果，使桩发生沉降与抬升的变形。基坑开挖时，由于土体的卸荷,坑底应力释放，坑内土体回弹，带动立柱及立柱桩上移，桩身上部承受向上的摩阻力作用，使立柱产生隆起。地下主体结构梁板逐层施工后，由于上部结构、施工荷载的不断加荷，桩身承担的向下荷载增加，立柱就会沉降。立柱的隆起和沉降是交替变化的过程，该过程受力情况复杂，控制不好就会产生过大的不均匀沉降。具体来讲，立柱桩之间的差异沉降的原因主要有4个^[2]:

      （1）分担荷载的不同。

      （2）相连楼板的平面外刚度不均匀。

      （3）土质以及每根桩施工质量的差异，这些差异影响到每根桩的承载能力及土体和桩体接触面的摩擦阻力。

      （4）所处基坑内位置不同，越靠近基坑中部抬升量越大(或者沉降量越小)。

      地下连续墙墙体和立柱桩的差异沉降产生原因主要在于墙体自重较大,同时墙体空间整体连成一体，自身刚度较大。相对而言，立柱桩的自身抗上浮能力很小，一般地下室柱距都在8 m以上，柱网与楼板的共同刚度也十分有限。此外楼板荷载的不均匀分布以及车辆在楼板上的行走也是造成这些差异沉降的原因之一。

 

      图3为北端头井中间立柱和地下连续墙沉降观测点的布置图，其中LZ1和LZ2是立柱顶沉降观测点，两立柱之间距离为8.2 m。 Q1～Q7为地下连续墙顶沉降观测点。

      图4为中间立柱顶各测点的历时竖向位移。由于施工原因，结构B1板浇筑完成并且待混凝土达到相应强度之后，才获得中间立柱的沉降观测数据。由图中可以看出当结构B1板浇筑前,立柱顶的变形表现为下沉。B1板浇筑完到第2层土方开挖前，是结构混凝土养护期，由于楼板的约束调节作用，立柱成隆起状态。第2层土方开挖一直到B2板浇筑完，LZ1由隆起转为沉降，而LZ2持续表现为隆起。 B2板浇筑完毕后，立柱的隆起和沉降位移都变小，再一次说明了结构楼板对沉降和隆起的抑制作用。结构B3板浇筑完毕后，LZ1的累计变形趋于减小，而LZ2的累计隆起位移达到历史最大的1.9 mm。第4层土方的开挖过程中，由于土体卸载和立柱所受结构荷载的双重作用下，隆起位移量较大的LZ1开始持续下沉，这时由于主体结构大部分已完工，可以认为立柱所受结构梁板荷载对立柱的竖向变形起到主导作用。在这个过程中LZ2的累计变形量比较稳定，在地板浇筑过程中稍有隆起。

      逆作法施工过程中，立柱桩的隆起和沉降变形都很小。可以根据坑底土体的应力路径来加以解释^[3]：开挖过程中，作为支撑的各楼板荷载以及其上的其他荷载通过立柱桩传递到坑底土体，抵消了开挖土体卸荷的影响，使得坑底土体的应力尽量维持在初始应力状态附近。而土体在其初始应力状态附近是最安全，变形也小，从而使得立柱桩的隆起和沉降变形也小。该端头井立柱的最大隆起位移只有1.9 mm，说明了逆作法的施工工艺有利于控制变形。

      图5是地下连续墙的隆起或沉降位移图。基坑开挖初期，地下连续墙普遍表现为下沉，到结构B0板浇注完毕后沉降速率有所减小,可以看出楼板浇筑好对地下连续墙的沉降有抑制作用。B2板浇筑完成后，除Q6观测点的由于主体结构楼板的抑制作用，墙顶沉降观测点Q4至Q7的沉降变形速率趋于稳定，累计变形量也变小。但Q1、Q2、Q3这3个沉降观测点的累计沉降量持续增大。到结构底板浇筑完毕后，各沉降点累计变形量差异较大。由于端头井南侧正在进行地基加固，周边地表隆起量较大。使得相邻的地下连续墙也受到影响，由于土地上抬带动地下连续墙隆起，因此离地基加固区较近的Q4和Q5观测点持续表现为隆起，其中受影响最直接的Q5沉降点累计最大隆起位移达到6.9 mm，Q4最大累计隆起位移达到4.2 mm。 Q6和Q7两点的最终累计变形量趋于减小，接近于0 mm，说明底板有一定的约束作用。但Q1、Q2和Q3点的累计沉降量持续增大，其中Q3的最大累计沉降量达到9.6 mm。

      表2为相邻立柱桩及地下连续墙与中间立柱桩间在各个工况下的最大差异沉降统计结果。为了更加直观表达差异沉降的变化趋势，将表2中数据绘成曲线如图6。

异沉降(mm)

 

      由图6可以看出两相邻立柱桩间的差异沉降量一直很小，从开始观测到B2板浇注完毕，立柱间差异沉降量逐渐增大，一直增大到1.9 mm。其后随着第3层土方的开挖，立柱间差异沉降量逐渐减小，到第3层土方全部开挖完，差异沉降量达到开挖过程中的最小值0.4 mm。说明整个支护体系形成一个整体,有效地调节差异沉降。 B3板浇筑过程中，差异沉降有所增大，B3板浇筑完毕后差异沉降量增大到1.7 mm。从第4层土方开挖一直到结构底板浇筑完毕，差异沉降量的一直在1.7 mm左右变化，最后累计沉降量达到基坑开挖过程中的最大值2.3 mm。这个最大差异沉降值远远小于20 mm以及相邻柱距的1/400（20.5 mm）。

      由表2及图6可以看出，在逆作法施工过程中地下连续墙与中间立柱桩之间的差异沉降量比立柱之间的差异沉降量要大，并且两组数据的变化趋势也较为一致。从开始监测到B2板浇筑完毕，地下连续墙与立柱桩之间的差异沉降量一直较为稳定，LZ1和Q5的差异沉降从1.5 mm增大到3.4 mm，LZ2和Q3的差异沉降从2.8mm增大到3.2 mm。从第3层土方开始开挖到B3板开始浇筑前这段时间内，地下连续墙和中间立柱的差异沉降一直减小，LZ1和Q5的差异沉降量减小到整个施工过程中的最小值0.8 mm。随后一直到底板浇筑前，差异沉降量一直增大，底板浇筑前差异沉降量达到最大值，LZ1和Q5的差异沉降量达到8.0 mm，LZ2和Q3的差异沉降量达到11.1 mm。而在结构底板浇筑完毕后，差异沉降量又有所减小，LZ1和Q5的差异沉降量减小到7.9 mm，LZ2和Q3的差异沉降量减小到10.7 mm。可见底板浇筑后具有约束调节作用。