第三节 地下结构逆作法施工技术

一、主要技术特点

1．基本概念

建筑地下工程主体结构采用逆作法，是地面以下主体结构各层自上而下（相对于传统方法反顺序）施工法的简称。它借助于地下逐层形成钢筋混凝土梁板的水平强度和刚度，对周边围护结构产生各道支撑作用，来保证内部土方相应逐步下挖的施工方法。

2．逆作法施工分类

1）全逆作法

利用地下各层永久水平结构对四周围护结构形成水平支撑，自逆作面向下依次施工地下结构的施工方法。

2）半逆作法

利用地下各层永久水平结构中先期浇筑的肋梁，对四周围护结构形成水平支撑，待土方开挖完成后，再二次浇筑楼板的施工方法。

3）部分逆作法

基坑部分采取顺作法，部分采用逆作法的施工方法。部分逆作法一般有主楼先顺作裙房后逆作、裙房先逆作主楼后顺作、中间顺作周边逆作等。

4）分层逆作法

针对基坑围护采取土钉支护、土层锚杆等方式，由上往下进行施工，各层采取先开挖周边土方，施工土钉或锚杆后再大面积开挖中部土方，继而完成该层地下结构的施工方法。分层逆作法造价较低，施工进度较快，一般应用在土质较好的地区。

3．技术原理

逆作法是建筑地下主体结构的一种施工技术，它通过合理利用建（构）筑物地下结构逐层施工产生的自身抗体，达到后续开挖支护围护结构的目的。一般意义上的逆作法是指主体结构的逆作，即将地下结构的外墙作为挖土围护的挡墙（地下连续墙）、将结构的梁板作为挡墙的水平支撑、将结构的框架柱作为挡墙支撑立柱的自上而下作业的支护施工方法。根据对围护结构的支撑方式，逆作法又可分为全逆作法、半逆作法和部分逆作法三种。逆作法设计施工的关键是随着开挖深度的变化，各层梁板及柱墙受力不断变化。因此，其节点连接问题，即墙与梁板的连接、柱与梁板的连接，关系到结构体系能否协调工作、建筑功能能否实现。

4．逆作法技术特点

①适用性广，可在各种岩土工程和周边复杂环境条件下施工，节约城市有限的土地资源；

②可严格限制土层变形，对周边建筑物、管线及道路影响小，有利于环境保护；

③施工工序简化，效率提高，工期可缩短；

④主体结构代替支撑节约工程材料，设计合理，可节能减排；

⑤施工期间地质灾害发生概率大大降低，社会、环境及经济效益明显。

随着开挖深度的变化，各层梁板及柱墙受力不断变化，设计计算工况繁多，施工衔接要求非常严格。

二、主要技术指标

①围护桩（墙）水平变形最大值控制在20mm以内（软土地区可适当放松）;②钢管立柱垂直度应严格控制大于1/600；

③相邻两柱沉降差严格控制不大于0.002L（L为柱间距）；

④立柱沉降或隆起最大值控制在10mm以内（软土地区可适当放松）；

⑤周边地表下沉应控制在10mm以内；

⑥基坑周边地下管线沉降、建筑物沉降、倾斜及裂缝的最大值按权属单位要求进行控制。

三、施工技术应用

1．技术应用范围

适用于建筑群密集，相邻建筑物较近，地下水位较高，地下室埋深大和施工场地狭小的高（多）层地上、地下建筑工程，如地铁站、地下车库、地下厂房、地下贮库、地下变电站等。

2．施工技术要点

1）施工工艺流程

①沿建筑物地下室轴线或周围施工地下连续墙（或其他围护结构形式），作为地下室的边墙或基坑的围护结构。

②同时在建筑物内部的有关位置（如柱子或隔墙相交处，根据中间支撑柱设置方式及需要经计算确定）施工中间支撑柱。

③挖地下一层土方至地下一层楼板设计标高，支模浇筑地下一层顶面楼板和该层内的柱子及墙板结构的混凝土。楼板周围应与地下连续墙连成一体，作为地下连续墙的水平支撑系统。

④挖地下二层土方到地下二层楼板底面标高，浇筑该层纵横梁及楼板，作为地下连续墙的第二道水平支撑系统，如此逆序往下施工。

⑤完成地下一层楼板后即可同时施工上部楼层的主体结构。

⑥如此重复进行，直至基础底板施工完成，同时可继续施工上部几层的主体结构（上部结构可施工的层数由设计决定）。

逆作法施工示意如图1-15所示。

2）逆作法施工的优、缺点

与传统施工方法比较，逆作法施工有以下优缺点：

①逆作法施工最大的特点是可以地下、地上同时施工，充分利用空间，加快施工进度，缩短施工工期。

②充分利用了地下连续墙的挡土、防渗及承重功能，以及利用地下室结构作为临时支护结构，不必另作内支撑或锚杆拉结，节约了临时支护的大量投资。

③由于利用地下室结构作为水平支撑，其刚度远大于临时支护结构，因而基坑变形小，对相邻建筑物、构筑物影响小。

④用逆作法施工钢筋混凝土底板时，由于施工期间支撑点增多，跨度减少，从而使底板的隆起减少，较易满足抗浮要求，因而使底板设计趋向合理。

⑤逆作法施工当能批量采用土模时，可节省模板，减少土方开挖量。封闭式逆作法施工还具有施工安全、受外界气候条件影响小等优点。

⑥采用封闭式逆作法在地下施工时需加强通风、照明、通讯等施工措施以改善施工作业条件，满足施工需要。

⑦由于逆作法是利用地下结构本身作为施工时的临时支护结构，因而对挖土方案要求更严格，特别是不能采用机械大面积挖土，从而使土方开挖及运输更困难。

⑧地下结构墙柱的逆作法施工质量要求较高，混凝土搭接质量较难控制，如施工不力，易出现裂缝。

⑨当采用封闭式逆作法进行地上、地下立体交叉作业时，需合理解决劳动力、机械、材料等的调配及施工安全等问题。

3）逆作法施工中地下结构的施工技术

（1）逆作法施工中上部荷载的支撑方式

逆作法施工中上部荷载的支撑方式主要有利用中间支撑柱与挡土墙共同支撑、仅用挡土墙支撑以及利用施工挖方过程中形成的土柱支撑三种方法。

第一种方法的核心技术是中间支撑柱的设计与施工。在利用中间支撑柱和挡土墙共同支撑上部荷载的逆作法施工中，根据中间支撑柱的设置和作用可分为临时性中间支撑柱和永久性中间支撑柱。临时性中间支撑柱的作用是在施工期间，当地下室底板未达到设计强度之前与地下连续墙一起承受地下和地上各层的结构自重和施工荷载；而永久性中间支撑柱不仅在施工期间具有与临时性中间支撑柱同样的作用，而且可在地下室底板达到设计强度后，与底板连成整体作为地下室结构的一部分，将上部结构及承受的荷载传递给地基。中间支撑柱的位置和数量，要根据中间支撑柱的类型、地下室的结构布置和制订的施工方案详细考虑后经计算确定。中间支撑柱所承受的最大荷载，是地下室已修筑至最下一层、而地面上已修筑至规定的最高层数时的荷载。

第二种方法又称悬吊施工法，它是将施工中临时拼装的钢桁架斜撑与周围挡土墙连成整体，使上部荷载直接传至外部挡土墙上，不用中间支撑柱，因此，该法仅适用于地铁等狭长基坑施工或一些小规模的施工现场。当不能单用外部挡土墙支撑上部荷载时，可在中央适当部位架设支柱，由于使用斜撑，可以相应减少中间支撑柱的数量，便于挖土作业和地下室主体结构施工。实际采用这种做法时还需要加固地下室结构，并应考虑施工时架设桁架的工期和费用。

第三种方法仅适用于土质强度较高、地质情况很好的地区（如我国的华北、东北等部分地区）。这种施工方法可以充分利用土体强度，利用土方开挖过程中形成的土柱作为施工时的临时支撑，通过土柱与地下室外墙、柱子之间力的转换，达到逆作目的。因此该法不仅可以大大降低工程的直接费用，还可充分利用土体作为地下室结构构件施工时的胎模，节省大量模板。但此种做法对土方开挖程序要求极高，必须经过认真周密的设计，严格施工，确保每个土柱体的稳定性。

在施工期间，要注意观察中间支撑柱的沉降和抬升。由于上部结构的不断加荷，会引起中间支撑柱的沉降；而基坑开挖导致的卸荷作用又会引起坑底土体的回弹，使中间支撑柱抬升。要事先精确计算中间支撑柱最终是沉降还是抬升，以及沉降或抬升的数值，目前还有一定的困难。

（2）地下室结构的支模方法

根据逆作法施工的特点，地下室的内部结构构件墙、柱、梁等都是由上而下分层浇筑的，浇筑混凝土用的模板要支撑在刚开挖的土层上。因此，一方面必须设法减少支撑的沉降和结构的变形；另一方面则要处理好构件的上下连接和混凝土的浇筑方法。

为了减少支撑的沉降和结构的变形，施工时需对土层采取临时加固措施。常用的加固方法主要有：

①在土层上浇筑一层素混凝土，以提高土层的承载能力，减少沉降，待混凝土浇筑完毕，开挖下层土方时再随土一同挖去，这种方法会额外耗费一些混凝土。

②在土层上铺设砂垫层，上铺枕木以扩大支撑面积。采用这种方法时，上层柱子或墙中的钢筋可插入砂垫层，以便于钢筋的连接。

③采用悬吊模板。如采用钢平台吊模施工，将顶板及中楼板钢平台支撑在中间支撑柱和周边地下连续墙上。

下部混凝土的浇筑方法通常采用颚式浇筑和套筒式浇筑两种方法。颚式浇筑由于混凝土是从顶部的侧面入仓，为便于浇筑和保证连接处的密实性，应对竖向钢筋间距适当调整，构件顶部的模板需做成喇叭形。套筒式浇筑是由上部混凝土结构中预埋的套管进行混凝土浇筑。一般来说，采用颚式浇筑法混凝土密实性要用套筒式浇筑为好，当使用普通混凝土时，颚式浇筑法的空隙约为3mm，而套筒式浇筑法约有10mm。

④地下室结构的逆接缝处理。采用逆作法施工时，地下室结构的垂直施工缝一般可留在每层柱子、墙的顶部和底部。由于上、下构件的结合面在上层构件的底部，再加上地面土坡的沉降和刚浇筑混凝土的收缩，在结合面处易出现缝隙。因此，混凝土逆接缝的施工方法十分重要，如果承受垂直荷载的柱子和墙体接缝处混凝土不能浇捣密实，会直接影响结构的安全，地下室外墙还会产生渗漏水的现象。常用的逆接缝施工方法包括直接法、注入法、充填法。

直接法：施工简单，可减少水平施工缝。但由于后浇混凝土离析水的上升和混凝土自压密脱水，易在施工缝处产生空隙，因此，应在后浇混凝土初凝之前（浇筑混凝土后约1～4h），进行二次振捣，以提高混凝土的强度和密实性。也可在后浇混凝土中掺加膨胀剂、控制离析的外加剂、自密实外加剂或其他具备多种功能的外加剂。

注入法：是在结合面处的模板上预留若干压浆孔，以便用压力灌浆（水泥膏及树脂膏等）消除缝隙，使上、下混凝土构成一个整体，保证构件连接处的密实性。

充填法：即有意识地预留适当空隙（如用混凝土充填约留1.0m，用砂浆充填则可留0.3m左右），待下部混凝土成形并有一定强度后，再清除混凝土表面浮浆，用无收缩混凝土或掺入微膨胀剂的混凝土充填该空隙。采用该法施工时，由于缩小了接缝处的工作量，可以做到精工细作，且下部混凝土的沉陷和收缩已大部分完成，使接缝质量容易得到保证。对外墙接缝还应加上止水条或采取其他适当措施，以满足接缝处的防渗要求。

4）逆作法施工中临时的支撑系统施工

逆作法施工中遇到水平结构体系出现过多的开口或高差、斜坡、局部开挖作业深度较大等情况，将不利于侧向水土压力的传递，也难以满足结构安全、基坑稳定以及保护周边环境要求。对于该类问题常通过对开口区域采取临时封板、增设临时支撑等加固措施解决。逆作法施工中临时支撑主要作用是增强已有支撑系统的水平刚度、加固局部薄弱结构等，其主要形式有钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑等，其中钢支撑应用较广泛。临时支撑系统的施工通常是在支撑两端的架设位置设预埋件，埋件埋设在已完成的混凝土结构中，再将临时钢支撑两端与埋件焊接牢固。逆作法施工中后浇带位置亦有临时支撑系统。通常做法是在后浇带两侧水平结构间设置水平型钢临时支撑，在水平肋梁下距后浇带1m左右处设竖向支承以确保结构稳定。具体施工方法及相关节点构造与临时支撑基本相同。

5）后浇带与沉降缝位置的构造处理

（1）施工后浇带

地下连续墙在施工后浇带位置时通常的处理方法是将相邻的两幅地下连续墙槽段接头设置在后浇带范围内，且槽段之间采用柔性连接接头，即为素混凝土接触面，不影响底板在施工阶段的各自沉降。同时，为确保地下连续墙分缝位置的止水可靠性以及与主体结构连接的整体性，施工分缝位置设置的旋喷桩及壁柱应待后浇带浇捣完毕后再施工。

（2）永久沉降缝

在沉降缝等结构永久设缝位置，两侧两墙合一地下连续墙也应完全断开，但考虑到在施工阶段地下连续墙起到挡土和止水的作用，在断开位置需要采取一定的构造措施。设缝位置在转角处时，一侧连续墙应做成转角槽段，与另一侧平直段墙体相切，两幅槽段空档在坑外采用高压旋喷桩进行封堵止漏，地下连续墙内侧应预留接驳器和止水钢板，与内部后接结构墙体形成整体连接。设缝位置在平直段时，两侧地下连续墙间空开一定宽度，在外侧增加一幅直槽段解决挡土和止水的问题；或直接在沉降缝位置设置槽段接头，该接头应采用柔性接头，另外，在正常使用阶段必须将沉降缝两侧地下连续墙的压顶梁完全分开。

6）立柱与结构梁施工构造措施

（1）角钢格构柱与梁的连接节点

角钢格构柱与结构梁连接节点处的竖向荷载，主要通过立柱上的抗剪栓钉或钢牛腿等抗剪构件承受（图1-16）。

结构梁钢筋穿越立柱时，梁柱连接节点一般有钻孔钢筋连接法、传力钢板法、梁侧加腋法。钻孔钢筋连接法是在角钢格构柱的缀板或角钢上钻孔穿钢筋的方法。该方法应通过严格计算以确保截面损失后的角钢格构柱承载力满足要求。传力钢板法是在格构柱上焊接连接钢板，将无法穿越的结构梁主筋与传力钢板焊接连接的方法。梁侧加腋法是通过在梁侧加腋的方式扩大节点位置梁的宽度，使梁主筋从角钢格构柱侧面绕行贯通的方法。

（2）钢管混凝土立柱与梁的连接节点

平面上梁主筋均无法穿越钢管混凝土立柱，该节点可通过传力钢板连接，即在钢管周边设置带肋环形钢板，梁板钢筋焊接在环形钢板上，如图1-17所示；也可采用钢筋混凝土环梁的形式。结构梁宽度与钢管直径相比较小时，可采用双梁节点，即将结构梁分成两根梁从钢管立柱侧面穿越。

7）水平结构与围护墙的构造措施

（1）水平结构与两墙合一地下连续墙的连接

结构底板和地下连续墙的连接一般采用刚性连接。常用连接方式主要有预埋钢筋接驳器连接和预埋钢筋连接等形式。地下结构楼板和地下连续墙的连接通常采用预埋钢筋和预埋剪力连接件的形式；也可通过边环梁与地下连续墙连接，楼板钢筋进入边环梁，边环梁通过地下连续墙内预埋钢筋的弯出和地下连续墙连接。

（2）水平结构与临时围护墙的连接

水平结构与临时围护墙的连接需解决水平传力和接缝防水问题。临时围护墙与地下结构之间水平传力支撑体系一般采用钢支撑、混凝土支撑或型钢混凝土组合支撑等形式。地下结构周边一般应设置通长闭合的边环梁，可提高逆作阶段地下结构的整体刚度，改善边跨结构楼板的支承条件；水平支撑应尽量对应地下结构梁中心，若不能满足，应进行必要的加固。边跨结构存在二次浇筑的工序要求，逆作阶段先施工的边梁与后浇筑的边跨结构接缝处应采取止水措施。若顶板有防水要求，可先凿毛边梁与后浇筑结构顶板的接缝面，然后通长布置遇水膨胀止水条；也可在接缝处设注浆管，待结构达到强度后注浆充填接缝处的微小缝隙。周边设置的临时支撑穿越外墙，应在对临时支撑穿越外墙位置采取设置止水钢板或止水条的措施，也可在临时支撑处留洞，洞口设置止水钢板，待支撑拆除后再封闭洞口。

（3）底板与钢立柱连接处的止水构造

钢立柱在底板位置应设置止水构件以防止地下水上渗，通常采用在钢立柱周边加焊止水钢板的形式。