軟土地基中地下結構的整體預制安裝技術

上海外經集團控股有限公司 上海 200032

1 工程概況

上海某度假區城堡項目，在城堡正面兩側設計有2 個圓形瞭望臺，瞭望臺內安裝了可升降的聲光塔。廣場表演時瞭望臺內的聲光塔升起，為舞臺提供燈光和音響；平時聲光塔下降暗藏在瞭望臺內，以保持城堡古樸神秘的建筑風格。聲光塔在城堡中處于如圖1所示的虛線框位置。

圖1 城堡聲光塔示意

為使聲光塔能下降暗藏在瞭望臺內，在瞭望臺的下方設計一個圓形深孔，聲光塔下降時燈桿可伸入孔內。為此，該深孔的設計采用了Φ1 260 mm、壁厚20 mm的底部密封的不銹鋼筒，不銹鋼材質選用316L型。為保護該不銹鋼筒，在不銹鋼圓筒外面又澆筑了厚200 mm、底部澆筑厚400 mm的鋼筋混凝土外殼，并與城堡地下結構相連接，以確保該結構的整體穩定性。不銹鋼筒深13.9 m，頂面標高同地面標高一致。不銹鋼筒和外裹混凝土組成的聲光塔地下結構整體長14.3 m、外徑1.7 m，如圖2所示。

圖2 聲光塔地下結構示意

2 技術方案選擇[1,2]

由于聲光塔地下結構周圍有大量的工程樁，且距離最近的僅1.6 m遠，因此如何減少施工干擾和控制土體擾動是施工技術的關鍵。為此，對聲光塔地下結構的施工進行了多方案的比選，包括沉井方案、鉆孔灌注樁圍護方案、鉆孔灌注空心樁方案、整體預制安裝方案等。

沉井方案是一種較成熟的方案，但是會造成一定的水土流失。由于聲光塔的地下結構和周圍的工程樁距離較近，如果先開挖沉井再施工周圍的工程樁，則周圍土體因受擾動而不穩定；如果先施工工程樁再施工沉井，則沉井施工擾動周圍土體會使工程樁受到側向擠壓。

鉆孔灌注樁是深基坑開挖較常用的圍護方法，采用環形混凝土圍檁，配合兩軸攪拌樁作為止水帷幕，通過井點降水后進行開挖，對周圍土體擾動較小，但是在本案中因為聲光塔地下結構施工和城堡樁基及地下結構施工存在相互干擾，該方法影響工期。

鉆孔灌注空心樁方案是把聲光塔地下結構看成是1 根空心樁，按照鉆孔灌注樁方案進行施工，只是在澆筑混凝土時把不銹鋼筒作為空心樁的內模進行澆筑，但是不銹鋼筒作為內模在泥漿浮力作用下定位困難，更大的風險是在混凝土澆筑過程中一旦不銹鋼筒產生移位或變形將可能無法糾偏。

整體預制安裝方案是采用全回旋鉆機驅動鋼套管旋轉下沉，然后以鋼套管作為深基坑的圍護結構用抓斗挖掘機在鋼套管內挖掘土方形成干孔。將不銹鋼筒和外包裹混凝土預制成整體構件在現場安裝，對構件和鋼套管之間的空隙用自密實型的細石混凝土灌注充填。該方案對周圍土體擾動小，且由于不銹鋼筒和外包裹混凝土整體構件在工廠預制和現場安裝，因此有利于質量控制。此外，該方法大大縮短了現場作業時間，減少了現場施工干擾，有利于施工進度控制。

對上述的各個方案進行經濟技術綜合比較，最終選擇整體預制安裝方案。

3 全回轉鉆機鋼套管鉆進法開挖成孔

為了安裝不銹鋼混凝土組合構件，開挖成孔的深度除了考慮安裝構件的長度14.3 m外，還需要考慮定位裝置的厚度0.2 m和孔底封底混凝土厚度4.5 m，因此，開挖總深度為19 m。為便于構件的吊裝，開挖孔壁和預制的組合構件之間應留一定的空隙。為此，根據對鋼套管的強度、剛度和穩定性計算，選用厚20 mm、Φ1 980 mm、長度為20 m的鋼套管，用全回轉鉆機鉆進，在套管內開挖成孔。

3.1 孔底土體加固

如圖3所示，聲光塔位置的地層結構主要由淤泥質黏土、粉質黏土、黏質粉土和表層的雜填土組成，地下水位較高，僅為-0.5 m。為了防止成孔后發生底鼓和鋼套管上浮，同時起到止水作用以防止發生管涌，在鋼套管底部區域預先用水泥進行高壓旋噴加固，即在深度-19～23 m的范圍內和平面4 m×4 m的范圍內，選用P.0 42.5水泥進行高壓旋噴加固。

圖3 套管法施工深孔示意

3.2 全回轉鉆機驅動鋼套管旋轉下沉

旋噴加固體達到設計強度后進行鋼套管鉆進施工。用RT-200型全回轉鉆機驅動鋼套管旋轉下沉。鋼套管插入初期對垂直度的影響最為重要，因此，初期主要利用鋼套管自重壓入，并用經緯儀從兩個相互垂直的方向控制鋼套管的垂直度。當自身重力不足時，逐步加壓并旋轉鋼套管，驅動鋼套管下沉最終進入孔底土體加固區。

3.3 鋼套管內開挖和混凝土封底

鋼套管下沉就位后采用抓斗挖掘機進行開挖，挖深如圖4所示。當開挖達到設計深度19 m，即開挖孔底進入高壓旋噴加固區1 m時，即停止開挖。測量確認開挖深度后澆筑厚4.5 m的C30混凝土封底層。為了準確控制預制構件的安裝標高，封底后孔底深度必須準確控制在深14.5 m。為防止澆筑超高，封底混凝土分2 次澆筑，第1次澆筑時預留10～20 cm的厚度，第2次澆筑采用自找平混凝土，精確計算澆筑方量，準確控制孔底標高并找平孔底。最終形成了Φ1.98 m深14.5 m的圓形深孔。

根據現場施工觀測，采用RT-200型全回旋鉆機驅動鋼套管旋轉下沉，并以鋼套管作為圍護結構，在套管內開挖成孔，施工噪聲小、無振動、對周圍土體擾動小，可以很好地保護周圍的工程樁。

圖4 鋼套管內開挖

4 不銹鋼筒混凝土組合構件安裝

4.1 不銹鋼筒和外包裹鋼筋混凝土組合構件的制作

首先按照設計要求制作不銹鋼筒，然后在外面澆筑鋼筋混凝土。為了確保混凝土澆筑過程中不銹鋼筒的圓形截面形狀不變形，采用直立模具澆筑混凝土。為了防止混凝土澆筑過程中造成的不銹鋼筒上浮并控制振搗質量，采用自下而上分段澆筑。制作完成后在混凝土外表面刷上一層黑色聚氨酯涂料提高構件的防水和防腐性能。

4.2 不銹鋼筒組合構件的安裝定位

根據設計要求，不銹鋼的垂直度偏差為任何方向上不大于0.35％，頂部和底部的定位精度為任何方向不大于50 mm。為此，制作一個混凝土圓板定位器。該圓板厚度20 cm，圓板中心位置預埋一個等邊四棱錐凸起。組合構件吊裝前先安裝該定位器，用免棱鏡的全站儀測量定位，調整等邊四棱錐凸起在孔底的位置，使其平面位置準確定位在不銹鋼筒的軸線位置。同時在預制的不銹鋼混凝土構件的底座上預制一個和定位器上的等邊四棱錐凸起完全匹配的四棱錐凹槽。采用等邊四棱錐凸起和凹槽在孔底對構件進行定位，再采用千斤頂對構件頂部平面位置和垂直度進行調整定位。

4.3 不銹鋼筒混凝土組合構件的吊裝

根據現場條件及預制構件的重量、外形尺寸、吊裝高度、回轉半徑和吊機性能等情況，選用2 000 kN汽車吊來吊裝不銹鋼筒混凝土預制組合構件。

首先將不銹鋼筒混凝土預制組合構件卸車放置在擬安裝位置附近的松土上，然后用汽車吊將構件起吊成直立狀態。保持直立狀態緩慢移動構件，準確定位后緩慢下降構件進入深孔。構件接近孔底時，在懸空狀態下用千斤頂對構件平面位置進行調準定位，使得構件底部的四棱形凹槽對準定位器上的四棱形凸起，再緩慢下降直至構件完全坐在定位器上。構件底部定位坐穩后用千斤頂對構件頂部的平面位置進行調整，使得不銹鋼筒頂部的中心位置處于中線上，并確保不銹鋼筒的垂直度。

4.4 空隙灌注細石混凝土

不銹鋼筒混凝土組合構件完成吊裝定位并固定后，對于鋼套管內的空隙采用高流動性、無收縮、自密實細石混凝土進行灌注充填，強度達到設計要求后拆除固定設施進行后續施工。

5 結語

和現澆方案相比，聲光塔的地下結構工廠預制、整體安裝方案大大縮短了現場的施工時間，減少了現場的施工干擾，特別是有利于施工質量控制。在人工成本越來越高的情況下，地下結構工廠化預制現場安裝方案的經濟效益也將日益顯現。因此，本文所介紹的聲光塔地下結構工廠化預制現場安裝的施工方法在工程質量、工期、成本和安全管理等方面都具有優越性，對類似地下結構施工具有借鑒和推廣價值。