逆作法施工工艺

逆作法施工工艺、应用与实践

章履远

前言：国内，深基坑逆作法施工的应用与研究发展已比较成熟，尤其是大城市中的深基坑采用逆作法施工技术越来越多。从发展与应用眼光来看，笔者有必要对关心逆作法施工技术或即将承担逆作法施工的工程技术管理人员，作一次系统性的讲解，是很有必要的。据此，本人收集到的有关资料经整理后作如下的讲解。由于地区局限性和本人水平有限，不当之处容当指正。

一、概况：

改革开放以来，我国城市建设发展迅速。建筑物不断向空中发展，与此同时，各类用途的地下空间和设施也得到空前的发展，包括高层建筑地下室、地铁、越江隧道、地下商业街、地下车库、地下变电站等各种类型。要建设这些地下设施，就必须进行深基坑的开挖。

大家知道，传统的多层地下室施工方法是敞开式开挖，先做围护，在逐层支撑情况下，垂直向下开挖，至设计标高后浇筑钢筋混凝土底板，再由下而上逐层施工地下室结构，地下结构完成后再进行地上结构的施工，即典型的顺作法施工。（见以下示意图）

这种顺筑施工方法为大家所熟悉，在城市中大量应用。然而，顺筑法施工也带来了不少问题。地下结构施工工期长，占整个高层建筑总工期的1/4，甚至1/3；支护费用高，据统计地下深基础工程造价为整幢高层建筑总价20％～30％，其中基坑的支护费用约占工程总价的10％左右。其次，有些围护结构在整个地下室施工过程中只作为临时结构，仅为地下结构施工提供安全保证。待地下结构施工完毕，其作用随之消失，而为此发生的围护费用是可观的。当在繁华商业街下修建地铁车站时，为少影响商业活动和交通、再有业主要求在尽可能短的时间内造好大楼时，那么用敞开式顺筑法施工就难以满足。在这些背景下，产生了逆作法施工。逆作法施工与传统顺作法正好相反，即在围护施工、基桩施工完成后，首先施工±0.00层楼板，并留出出土口，向下开挖地下第一层土方，再施工地下一层楼板，开挖地下二层土方，再施工地下二层楼板，重复以上过程，直至地下室底板。地下土方开挖时，作为刚度很大的各层楼板就作为围护结构的水平支撑、很多围护结构就作为地下室外墙。在地下土方开挖、地下楼板施

工同时，上部结构层也逐层向上施工。因此逆作法施工与顺作法施工相比较，可以缩短工期、节省成本、减少周围环境危害。（见下图示意）

目前，肯定的是，城市用地不断紧缩，施工场地局促，开挖深度增加，环境要求严格。大城市深基坑施工，出现逆作法施工趋势十分明显。作为基础施工工作者，应该及早、主动掌握逆作法施工技术，为今后逆作法施工工作打好基础，看来十分必要。

逆作法施工早在70多年前，发达国家已经有了应用。1935年日本就提出了“逆作法工艺”并在高层、超高层建筑的多层地下室、地下商场、地下车库、地铁车站等建筑构筑物中应用。如日本东京八重洲地下商业街；莫斯科切尔坦沃住宅区地下商业街；芬兰伐利桑地下娱乐中心；挪威奥斯陆地下体育中心；地下六层的德国慕尼黑卡尔斯广场综合体；美国芝加哥水塔广场大厦（地下四层）；法国巴黎拉弗埃特百货大楼（地下六层）。上述工程都采用了逆作法施工技术，均取得很好效果。我国的台湾和香港地区也有很多应用。

我国从1955年哈尔滨地下人防工程中首次采用了逆作法施工；

1985年上海基础公司科研楼偿试了逆作法施工；上海第二建筑公司在1993年上海地铁1号线陕西南路站完成了较大规模逆作法施工；以后上海长途电信大楼（1987年）、恒积大厦（1995年）、明天广场（1999年）、长峰商城（2004年）、人民广场地下变电站（2007年）等也采用了逆作法施工。并在此基础上，对逆作法信息化施工技术、柱墙沉降控制技术、逆作挖土技术、逆作柱梁板与柱墙连接技术等奠定了技术基础。逆作法施工技术被人们接受，不断获得发展，2000年～2013年，除了上海以外，在广州、北京、天津、杭州、厦门、深圳、海口、福州、南京、昆明、珠海等大中城市获得应用与发展。在此基础上，上海、广洲、天津制定了逆作法工法。（广州市地下室逆作法施工工法YJGF07-98、上海市高层建筑多层地下室结构逆作法施工工法）2011年，建设部发布了《地下建筑工程逆作法技术规程》（JGJ165—2010），上海市经过十余年以来逆作法基坑工程的实践经验，2012年上海市制订了《逆作法施工技术规程》（DG/TJ08-2113-2012），逆作法施工得到了进一步规范。

经过多年的实践和研究，逆作法施工所面临的主要施工技术为：基坑的围护方式、竖向支承桩的施工、基坑降水、水平结构施工、出土口、土方逆作开挖施工、竖向结构施工、地下地上同步施工、基坑监测、安全施工及作业环境等内容。以下作有重点的介绍。

二、逆作法施工的程序：

按图2-1所示逆作法施工程序如下：

1、按基础外围面积、先施工四周的支护结构、支护体系采用地下

连续墙或排桩支护，排桩采用钻孔桩或挖孔桩；

2、按设计图施工中间支承柱和基础桩。中间支承柱大都采用钢管柱或型钢柱支承，挖土完成后再作外包钢筋混凝土。

3、利用地下室一层的土方夯实修正后作地模，浇灌地下室±0.00层的顶层钢筋混凝土梁板，并在此层预留挖土方的出土洞若干个；

4、进行地下室一层土方的挖土，移到出土口，提升到室外卸土；

5、重复程序3进行地下室二层梁板混凝土的浇筑，同样在楼板中留出出土洞；

6、重复程序4进行地下二层土方外运；

7、重复程序3、5，作地下三层梁板混凝土的浇筑，同样在楼板中留出出土洞；

8、重复程序4、6进行地下三层土方外运；

9、重复程序3、5、7进行地下室底板混凝土的浇筑。

逆作法施工工艺流程框图如下：

三、逆作法施工的围护方法：

目前，逆作法施工围护结构主要形式是：“两墙合一”地下连续墙、钻孔灌注桩排桩、型钢水泥土搅拌墙和咬合桩等形式。以地下连续墙为首选。

地下连续墙施工，必须制定与逆作法施工相关的详细施工方案。由于围护结构作为地下室结构一部分，地下连续墙施工有一定要求：1、地下连续墙槽段间连接方式有园型锁口管接头、十字钢钣接头、工字钢接头、钢筋混凝土预制接头等多种形式；

2、在地下连续墙槽段接头外侧，根据地质条件及防渗要求采取高

压喷射注浆等加强措施；

3、应根据设计要求，在地下墙内正确预埋钢筋、钢筋接驳器、设置剪力槽及其他埋件，并对止水等方面要有针对性措施（地下室底板处）；

4、地下连续墙的墙底必须进行墙底注浆；

5、地下连续墙的垂直度≤1/300。

四、竖向支承桩柱施工：

逆作法地下结构的竖向桩、柱作为地下室结构的一部分，将上部结构的荷载传给地下室底板; 施工过程中，竖向中间支承桩、柱还需承受地上和地下各层结构的自重和施工荷载。因此，逆作法工程的竖向支承桩、柱需在结构施工前完成，无法与楼板结构同步施工; 尤其是逆作范围( 地下室结构) 支承柱的施工与桩基施工相结合，即在工程桩施工的同时安装支承柱。又由于其为地下结构柱的一部分与地下梁板连成整体，所以对垂直度要求特别严格。往往要求桩位的定位偏差≤5mm、桩的垂直度偏差要满足设计要求（常提出1/500H，最高要求甚至达到1/1000H）。因此采用普通的立柱按装方法肯定不能满足要求。另一方面，结构设计时，桩基的混凝土标号（C30～C40）与钢管内灌注的混凝土标号（C50～C60）不一样，浇灌时要求解决低、高标号混凝土的含接问题。

多年来，各地根据当地土质、地下水情况和施工经验，创造了许多行之有效的施工方法。

这里在介绍支承钢管柱之前，首先说明一个共性问题是关于钢管柱制作问题。钢管柱的直径、壁厚、长度是根据工程要求而确定的。常用规格尺寸：直径Φ500mm～Φ2000mm，壁厚16mm～25mm，长度16m～37m。由于加工精度高，钢管柱均在钢结构厂厂内分段加工制作（对接的接口平面用车床整平剖口），再运到施工现场拼装。为保证现场拼装的钢管柱平直度满足设计要求，施工场地必须硬化处理，以便在上面搭设拼装胎架（也称支承架）。分段制作的钢管柱现场对接，对

接面平直，采用剖口，二氧化碳气体保焊同步对称施焊（焊接前接口两端30cm内还要进行预热），防止变形。焊接完成后即进行探伤和平直度检验。钢管柱的设计柱顶标高常在一层地面层以下，为按放钢管柱需要常将钢管柱顶接长处理，接长钢管长度不一，称为工具管，工具管与钢管柱的连接一般用法兰盘连接，以便拆卸重复利用。图4-1为钢管柱现场拼接示意。

图4-1 钢管柱拼接示意

其次，钢管柱由平卧转为吊直均使用两台起重机同时起吊，空中竖直方法。钢管柱在吊入桩孔时要求垂直向下慢慢插入，常在工具管的上口留有左右对称的耳环。主机的吊钩吊住比钢管稍宽的铁扁担，铁扁担下钢丝绳平衡吊住二个耳环，使直立钢管柱处于垂直状态下插入桩孔内。

以下介绍一些钢管柱的常见施工法：

1、钢管柱后安装施工法：

①、天津轨道换乘中心，地下四层，开挖深32m。逆作施工。钢管柱下钻孔桩直径Φ2200mm，钻孔深85m、桩顶距地面-27.5m、有效桩长48m～56m。C30混凝土；钢管柱Φ1000mm，长25.8～29.8m，钢管内灌C50混凝土，钢管柱根部要求锚入桩内2.5m。

第一步：钻孔桩采用旋挖钻机带管钻进，外套管到地面下-32.5m 后不再跟进。为控制垂直度，采用桅杆有自动调垂装置的旋挖钻机。为保证地面以下30m内垂直精度达1/1000要求，旋挖期间采用超声波不断检验，过程纠偏等14项操作工艺。

第二步：钻孔桩成孔完成后灌入C30水下混凝土，水下混凝土面浇

灌到地面下30.8m即停止（超灌0.8m），即混凝土面高出跟进套管底2.5m距离。

第三步：在水下混凝土浇灌结束后8～10小时，混凝土初凝后抽去套管内泥浆，工人下入桩孔内，凿去0.8m浮浆，暴露C30新鲜混凝土面。用7～10kg吊锤，将地面上放出的桩位中心引到地下30m处桩顶上。用钢尺将地面标高引到安装定位板标高以上50cm的套管壁上。第四步：在地面下30m桩顶处安装由引渡板、定位板、托架组成的钢管柱安装定位器（见图4-2），在中心及标高定位好后再用早强高标号混凝土固定、垫平。

图4-2定位器

第五步：3天后，将制作好的钢管柱吊入桩孔内，由于定位器中引渡板斜面作用，将桩管底部安放到设计位置。其定位器安放误差为±5mm，定位器与桩管内壁间隙5mm，其最后最大误差仅10mm，高于设计要求平面位移误差＜20mm要求。桩管上部通过十字交叉校正器，校正到正确位置后固定在护筒上。

第六步：向桩管外套管之间四周均匀浇灌C50混凝土。5小时后再向桩管柱内灌入C50高强混凝土。浇灌的办法采用串桶式自落式浇灌密实法。要求串桶底距浇筑面高度在2.5m左右，既能冲击密实又不使混凝土离析。桩管顶以下4.0m范围的混凝土振捣密实。

第七步：桩管柱与套管之间垫进黄砂后拔除外套管。

本工程经开挖后复测，无论桩柱垂直度和定位偏差均满足设计要求。

②、北京地铁4号线菜市口车站与7号线换乘站。7号线为明挖施工，4号线在7号线下，采用盖挖逆作法。工程共设Φ800×16mm钢管柱30根，钢管柱长19.55m。施工技术要求为钢管柱定位偏差±5mm、垂直度1/1000H，并≤15mm。钢管柱下采用挖孔桩支承。施工步骤如下：

第一步：挖孔桩成孔后灌注混凝土；

第二步：灌注后12h，清除桩顶以上1.8m高浮浆；

第三步：下通风管、低压照明、下人清理整平安装定位器，并浇筑C40早强混凝土，固定定位器。2h后混凝土强度可达20Mpa、20h达到C25；

第四步：吊装钢管柱入桩孔内，可以认为钢管柱下口定位正确，上口定位用十字交叉花兰螺丝校正后固定在上口护筒上。（见图4-3）

图4-3钢管柱顶部定位

第五步：浇灌钢管柱下口外与挖孔桩壁四周杯口混凝土，高度宜超出底板底以上20cm。（开挖到底板底面时凿除）；

第六步；用串桶法浇灌钢管柱内混凝土直至柱顶；

第七步：钢管柱与挖孔桩内壁之间填上黄砂。

本工程经开挖后复测检验均满足设计要求。工程是成功的。

●点评：采用钢管柱后安装施工法的技术特点，是要在桩孔中下人先清理、再定位（桩中心、桩标高）后安装定位器这一工序，所以首先要满足下人这一必须条件。当地下水位低于施工作业面，可采用挖孔桩作为支承拄的桩基；当地下水位很高情况下就要使用钢套管，来制造一个下人操作的条件。当大面积施工时，为了保证工程进度，将使用大量的钢套管（一个桩柱从成孔、下钢筋笼、浇混凝土、初凝养护、抽浆清理、定位安装、定位器固定养护、吊放钢管柱、校正固定、钢管柱内外灌混凝土灌砂、拔出套管等一个工作循环约6～7天），工期不能保证、相对工程成本增加。

因此，采用钢管柱后安装施工法，虽然施工质量能满足设计要求，但一定要有环境条件（低地下水位）。就不能大面积推广。

2、钢管柱与桩一体化成型施工法：

一体化成型施工法说的是，当钻孔桩成孔下放钢筋笼后马上吊放钢管柱（有的施工法钢筋笼下放到孔口，钢管柱与钢筋笼在孔口连接后再一起下放就位），再下导管二次清底后，钻孔桩水下混凝土和钢管柱管内高标号混凝土连续浇灌一次成型的施工法。

①、上海世博500KV地下变电站一柱一桩的施工技术：

钻孔桩成孔深90m、直径Φ950mm，桩身混凝土C35，有效桩长55.8m。钻孔桩上插入的钢管柱Φ550mm×16mm，管内混凝土C60。钢管柱中心定位偏差≤10mm、垂直度为1/600。

第一步：为保证钢管柱垂直度要求必须先保证钻孔桩的垂直度。选用GPS-20A型钻机，钻头上加装配重块，以提高钻头稳定性和垂直精度，并采用减压钻进。钻孔垂直精度达1/500。

第二步：钢管柱长33.045m＋加4.0m工具管＝37.045m。钢管柱顶设吊耳，用铁扁担起吊以确保钢管柱在自由状态下的垂直度。（图4-4）

图4-4铁扁担图4-5地面调节装置

第三步：地面设置由定位架、千斤顶、校正杆组成的地面调节系统，可对钢管柱垂直度进行调整并固定（见图4-5）。采用双向经纬仪校正（图4-6）。下放完成后采用井径测斜议进行垂直度检测。

第四步：钢管柱和钢筋笼的连接。采用了钢丝绳把钢筋笼连接起来的铰接方法。保证了钢筋笼和钢管柱在重力悬吊状态之下的垂直度（见图4-7）。

第五步：桩和柱在不同标号混凝土换浇施工。具体为：水下低标号混凝土至标高－37.7m时改灌高标号混凝土（桩顶标高－36.5m），直至－30.0m时暂停高标号混凝土浇灌，确保钢管柱插入桩身深度（柱底标高为－33.7m）。再在钢管柱与钻孔桩孔壁之间回填碎石黄砂，阻止管外混凝土面上升。继续浇灌管内高标号混凝土直至钢管柱顶。

图4-6双向经纬仪校正图4-7钢管柱与钢筋笼连接

②、南京青奥中心逆作法钢管柱施工：

南京青奥中心为双塔楼加裙房，面积35万m2，采用逆作法施工。逆作钢管柱下钻孔灌注桩为变截面设计，桩长95m，上口Φ2.7m，插入直径为Φ2.0m×23m钢管柱，以下为Φ1.2m钻孔桩。钢管柱的定位偏差±5mm、垂直度1/500。施工步骤如下：

第一步：变截面钻孔桩的施工采用先用Φ1.2m钻头钻3.0m深后换2.7m钻头扩孔钻3.0m，再换Φ1.2m钻头钻3.0m，如此循环，直至变截面标高下再用1.2m钻头钻到底后成孔。

第二步：长23.0m、Φ2.0m直径钢管柱在工厂预制、现场拼接，完成后在管外装上长10.0m的测斜管（用专用抱箍与钢管固定）。

第三步：完成变截面钻孔桩吊放钢筋笼及拼接钢管柱之后，即在孔口吊放上钢支架，以校正和固定钢管柱。钢支架分为两部分：下部

支架横梁用于支撑钢管柱，调整标高；上部支架横梁高 2.1m，用于调节钢管柱垂直度。钢支架四肢用M16膨胀螺栓固定在硬地坪上。先调钢管柱定位轴线和标高，并用下部横梁上的千斤顶和定位螺杆固定好，以作为调垂的支点。用测斜仪测定倾斜度方向后再调上横梁的千斤顶，直至满足1/500要求后再固定在上横梁上（见图4-8）。

图4-8钢管柱调节支架

第四步：在第二次清底后浇灌混凝土。先在调节钢支架上方架上浇筑平台，平台与钢支架不接触，以免浇灌混凝土时冲撞钢管柱。当混凝土浇灌到-17.0m（承台底标高-17.5）时，在管内浇灌混凝土同时同步向管外与桩壁之间四周均匀灌入碎石，直至管内混凝土从溢浆口溢出混凝土。

第五步：微调，当混凝土浇灌至钢管柱底前和柱外碎石反压及混凝土浇灌完成时，均应根据监控数据通过上横梁千斤顶或螺杆对钢管柱进行微调，以使钢管柱满足垂直度要求。

③、南京德基广场逆作法超深支撑桩柱的施工：

南京德基广场挖深23.7～27.9m，有钢管柱136根，长26.0m以上，直径Φ700～Φ1100mm不等。钢管柱分三节工厂预制现场硬地坪搭设

胎架现场拼接，二台吊车起吊。其步骤如下：

第一步：旋挖钻机成孔（32～36m），冲击钻机终孔，入岩 2.0m。所有桩孔垂直度用超声波检测议进行100％检测，垂直度均在1/400以内。

第二步：钢筋笼整体制作，包括注浆管、超声波管、桩体预埋件。六点起吊安放，吊筋及悬挂器均固定于护筒上，钢筋笼底悬于桩底50～100mm，确保钢筋笼垂直。钢柱易于进入钢筋笼。

第三步：安放钢管柱支撑架（高×长×宽＝2.2×2.0×2.0m）。用膨胀螺拴固定在硬地坪上，精度±2mm。支撑架上部四角设有调节螺杆。

第四步：起吊钢管柱，向孔口慢慢插入，并用双向经纬仪调直，直至钢管柱工具管上预装的四个耳板搁置在支撑架上口横梁上，并立即调整钢管柱标高，达到初调目的。当钢柱标高、中心位移与垂直度均调整到位后，采用精密超声波检测仪（精度为0.1mm）对钢柱垂直度进行复测，钢柱上口固定后澈去起重机。

第五步：在钢柱支撑架外再放置一个混凝土浇筑平台支撑架，二架之间不接触。开始浇灌混凝土。当混凝土浇灌到桩顶标高以下 4.0m 时开始置换高标号混凝土。当混凝土面上升到桩顶以上2.0m时，开始同步向钢柱外四周灌入碎石，直至钢管内混凝土面上升，管外碎石面不再上升时停止碎石回填。钢管内混凝土浇灌到地面溢出为止。第六步：自主开发了一套逆作法钢柱实时调垂系统（调垂议）。工作原理为利用先进的监测技术、人机交互技术以及液压传动装置等，

对钢柱混凝土浇筑过程中钢拄垂直度实时监测并实时纠偏调垂。整个系统由液压油缸、液压泵站、倾斜传感器、控制器等组成（见下图）。

倾斜传感器监测到钢柱倾斜的实时变化，通过数据线传输到人机交互界面（控制器），并通过该界面的自动或手动状态进行钢柱实时调垂。从而保证了钢管柱在混凝土浇筑过程中，导管提升、碎石回填对钢管柱侧向推移引起垂直度变化得到及时纠正。

基坑土方开挖后，136根钢管柱垂直度均满足1/600设计要求。（本项目为国家自然科学资金资助项目。中国科学院地质与地球物理研究所项目）

④、杭州环北丝绸服装城：

采用逆作法施工，Φ625mm×25mm钢管柱126根，定位偏差≤20mm、垂直度≤1/500。施工步聚如下：

第一步：降低地下水位到地面以下 4.5m。在一柱一桩位置上挖一个3.5m×3.5m深3.2m工作坑。并在工作坑内吊放进Φ2.5m直经，高3.0m护筒，四周土方回填压实，面上铺设路基板。

第二步：在工作井内按正常工艺进行钻孔灌注桩施工,终孔后进行一次清孔,然后提钻,移机,下钢筋笼。

第三步：安装型钢校正支架,采取先下后上的程序,通过全站仪使校正支架中心与桩位中心重合,分别与钢护筒及路基板点焊连接固定型钢支架由井字形布置的H型钢及4根穿过型钢可从各个方向调节行程的螺杆组成。型钢校正支架布置如下图所示：

第四步：钢管柱起吊自然垂直后入孔,通过水准仪调整钢管柱的水平标高,通过上下两套型钢校正支架上的螺杆行程进行微调,校正钢管柱垂直度,使其中心和桩位中心重合后焊接固定。

第五步：设计要求桩身内钢管柱下3m即标高-22.400m处为两种不同强度混凝土的交界面,交界面以下混凝土强度等级C35,以上则为C60。灌注钻孔桩C35混凝土至标高-19.400m,同时保证导管埋入深度不小于3m后,开始灌注C60混凝土。当C60混凝土将C35混凝土全部置换出桩顶标高后,沿钢管外圈四周回填级配砂石至工作井底标高,

继续灌注C60混凝土直至混凝土从钢管立柱溢浆口排出。待混凝土终凝后(约24h),拆除上下型钢支架,移走钢护筒。

3、钢管柱后插施工法：

钢管柱后插施工法与前二种施工法不同点是，先施工钻孔灌注桩，桩内灌入缓凝混凝土，然后将钢管柱垂直插入桩内一定锚固深度，再在钢管柱内灌入高标号混凝土的施工法。其主要关键点是：缓凝混凝土、HPE或HDC液压垂直插入机、测斜议等。

①、武汉地铁中南路站为2号线4号线换乘站，采用逆作法施工。

桩为Φ1800mm全液压可视可控扩底灌注桩（扩大盘3.6m），钢管柱Φ800mm，共147根。采用HPE液压垂直插入机施作钢管柱工艺。

其工艺流程如下：

工艺的关键点有：

▲、为保证钢管柱插入垂直度满足设计要求，旋挖钻成孔精度必须控制在1/300以内，当用超声波检测仪检测到垂直度不能满足要求时，必须进行修正；

▲钢筋笼安放必须保证在桩孔中心，最好在钢筋笼顶部做成喇叭口，以确保钢管柱插入顺利；

▲钻孔桩内灌入的混凝土要用缓凝混凝土，一般要求缓凝时间不小于36h。因为混凝土运输、浇灌、HPE液压垂直插入机就位对中调平、钢管柱起吊就位插入纠偏等均需要时间，保证钢管柱顺利插入混凝土中；

▲钢管柱开始插入时能以靠自重自由插入，插入一定深度时，当浮力大于钢管柱自重时，最好在钢管内灌入清水加重，确保插入过程顺利；

▲当钢管柱柱底刚好插入混凝土面时，应停止插入操作。立即检测钢管柱的垂直度，地面以上钢管用经纬仪、地面以下用垂直仪，根据检测数据来调整钢管柱垂直度，直至满足要求后再下插到位；

▲由于钢管柱的柱顶标高常在地面以下，为方便钢管柱插入操作，钢管柱顶必须附加一节工具管，工具管要求与钢管柱等直径、连接可靠、可重复利用。

武汉地铁中南路站采用HPE液压垂直插入机施工的147根钢管柱经超声波检测，桩身完整性良好。开挖后垂直度全部满足设计要