軟土地區安裝特殊實驗裝置的深基坑施工技術

嚴德華 沈維雄

1. 上海新建設工程咨詢有限公司 上海 200123；2. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海超強超短激光實驗裝置大樓為地下2層、地上4層建筑，工程除對恒溫、恒濕、防震方面有特殊需要外，在②～④軸交軸處，地下1層及地下2層上下合為一層，結構從－12.20～－0.45 m，高11.75 m，此區域為大空間用房實驗設備用房（萬級凈化區），以適應安裝特殊裝置的需要。

本項目基坑東至科苑路，北至海科路，西側為上海科技大學高能量密度物理實驗樓，距基坑邊線僅10.4 m，南側為分子科學樓，距基坑邊線21.7 m（圖1）。

圖1 工程總平面示意

場地周邊路線比較復雜。在距基坑邊16.5 m范圍內分別布設有通信電纜、路燈管線、雨水管線、消防水管、市政給水管、配水管等數十根。

工程場地位于古河道地層分布區，其中下部有厚度較大的第⑤層黏性土，同時缺失第⑥層粉質黏土，且第⑦層粉性土和砂土受古河道切割影響，層頂有一定的起伏。

本場地地下水類型主要有淺部土層的潛水和深部第⑦層粉性土層中的承壓水。場內淺部地下水屬潛水類型，受大氣降水及地表水補給。地下水位埋深0.45～2.20 m，場地內無污染源，地下水對混凝土均無腐蝕性。

2 施工重點、難點分析

2.1 基坑開挖深度較大，周圍環境復雜

本工程地處上海科技大學校內，基坑南北向長，東西向短，呈長方形，挖深13.20 m。周邊場地狹小且平行于鄰近已建分子科學樓，除防噪防塵要求外，施工防振動要求高，土方開挖受到周邊環境的約束。

2.2 工期緊張，施工操作面緊缺，管理難度大

“當年開工、當年建成、當年出成果”是本項目的要求，故工期十分緊迫，且施工可用操作面較小，圍護樁、立柱樁、止水樁、坑內加固又需同步、交叉施工，設備和操作人員投入量較多，給現場施工協調和管理帶來難度。

2.3 地質情況復雜，對圍護施工影響較大

地質勘察顯示，鉆孔灌注樁成孔施工時遇第③、④層為淤泥質軟土層易發生頸縮情況，第⑤層粉土易發生塌孔情況；基坑開挖深度范圍內存在第③、④層淤泥質軟土層，其飽和、流塑，軟土抗剪強度低，靈敏度中-高，具有觸變性和流變性特點，易發生頸縮情況；淺部地層主要以軟弱的黏性土為主，對圍護變形控制不利[1]。

3 基坑支護設計及降水方案

3.1 基坑等級

本工程基坑面積約2 304 m2，自然地坪平均絕對高程為4.50 m（相對標高－0.75 m），基坑普遍開挖深度為13.10 m（內部基坑挖深13.20 m），西側與北側挖深11.55 m。基坑安全等級一級，環境保護等級二級。

3.2 圍護結構與支撐體系

基坑采用鉆孔灌注樁圍護結構＋三軸攪拌樁止水＋3道混凝土支撐體系，坑內采用高壓旋噴樁加固。其中鉆孔灌注樁樁徑1 100 mm@1 300 mm，共149根；三軸攪拌樁樁徑850 mm@1 200 mm，樁長22 m，工作量3 970.12 m3；高壓旋噴樁樁徑800 mm@1 200 mm，樁長6.50～6.55 m，工作量4 372.19 m3。

3.3 基坑降水方案

1）本場地深部第⑦層是上海地區的第一承壓含水層,根據上海地區的區域資料可知，第⑦層中的承壓水埋深一般在3 ～12 m，低于潛水水位，并呈年周期性變化。

2）勘察期間所測得的地下水穩定水位埋深一般在1.60～1.80 m之間，相應標高在2.78～2.95 m之間，平均值為2.86 m。根據本工程基坑圍護結構的設計情況，本降水設計方案采用深井進行基底以上和基底附近潛水的降水。經計算，降水井共布置12口，井深18～20 m，采用厚4 mm的φ273 mm鋼管（圓孔濾管），成孔直徑650 mm，真空抽水。

3）基坑內外設置排水明溝、集水井構成的集水明排系統，以確保能將雨水及污水及時排出坑外。沿場地周邊再設置排水明溝，排水溝為400 mm×400 mm，每隔50 m設置1個800 mm×800 mm×800 mm的集水井，采用磚砌，砂漿抹面。

4）基坑開挖后在基坑四周及基坑中挖設300 mm×300 mm臨時排水溝，排水溝間距為20 m，在四周角點處挖設800 mm×800 mm×800 mm集水井。坑內積水及井點降水抽出的水可排至集水井內，再由潛水泵強排至坡頂排水溝內，再經沉淀后排入周邊市政雨水井及污水井。

5）基礎底板土方開挖時，隨墊層修筑排水盲溝，并利用底板內的深坑作為集水井，將積水集中至深坑統一由排水泵排放至地面。為避免加大實際開挖深度，坑內排水系統的排水溝離開圍護樁邊的距離至少有2 m以上。

4 深基坑施工技術和組織措施

4.1 深基坑樁基圍護施工

深基坑樁基施工與圍護施工部署劃分為5個階段：

第一施工段：三軸攪拌樁從基坑北側（②～③軸）由西向東開始施工（1臺）。

第二施工段：三軸攪拌樁施工至基坑南側（①軸）后穿插施工工程灌注樁（2臺），從基坑南側B軸-3軸范圍內向北施工。

第三施工段：三軸攪拌樁全部完成后由7臺灌注樁設備施工工程灌注樁（及后注漿）。

第四施工段：工程灌注樁完成后從東南角分別向北、向西兩個方向施工圍護灌注樁（4臺）。

第五施工段：圍護灌注樁完后施工高壓旋噴樁（2臺）坑內加固及壓密注漿（1套）。

4.2 土方開挖

本場地標高－0.75 m，地下室地板墊層底標高西側為－12.30 m，東側為－13.85 m，基坑開挖挖深一般為11.65～13.10 m，集水井等局部深坑落深0.25～0.40 m，總挖土方量約3 200 0 m3，采用明挖順筑法施工[2]。沿基坑深度方向從上至下挖土至相應支撐底部，然后及時設置支撐，直到挖至坑底做素混凝土墊層并澆筑混凝土底板。

4.3 地下室大底板混凝土澆筑

1）地下室大底板厚度1.5 m，混凝土量3 450 m3。為合理有效地利用施工場地和人力、物力資源，并根據基坑開挖分區流程，將地下室底板按高低跨2個區域進行施工，配備2臺汽車泵懸臂布料。為減少圍護變形，保證基坑安全，底板混凝土澆搗時必須合理安排施工進度，與土方開挖密切配合，分塊實施。具體順序為由低跨向高跨。

2）混凝土振搗期間每根泵管至少有4臺振動機負責配合振搗，振動機移動間距為400 mm左右，流淌部分應及時跟蹤振搗，避免冷縫。

3）大流動性混凝土在澆筑、振搗過程中，上涌的泌水和浮漿順混凝土坡面下流到坑底。由于混凝土墊層在施工時，已預先在橫向上做出2 cm的坡度，使大部分泌水可以順墊層坡度通過兩側模板底部預留孔排出坑外。少量來不及排除的泌水隨著混凝土澆筑向前推進被趕至基坑頂端，由頂端模板下部的預留孔排至坑外。

4.4 地下室結構與換撐施工

1）地下室結構施工與支撐拆除交替進行。基坑設置3道混凝土支撐，待底板完成后拆除第3道支撐，施工墻板、換撐板、側壁回填（施工第1道鋼管換撐），再拆除第2道攴撐，施工墻板、換撐板、地下1層、側壁回填（施工第2道鋼管換撐），然后拆除第1道支撐（含棧橋），施工地下室頂板、側壁回填。最后拆除第2道鋼管換撐與相應格構柱及第1道鋼管換撐與相應格構柱。

2）第1道鋼管換撐采用φ800 mm×20 mm鋼管，中心標高－9.10 m；第2道鋼管換撐采用φ609 mm×16 mm鋼管，中心標高－5.50 m，為加快施工進度，鋼管節點采用十字哈夫型快速接頭。

3）支撐焊接前加設預應力，預應力達到設計軸力的80%（第1道鋼支撐2 000 kN/根、第2道鋼支撐1 000 kN/根）；預應力施加過程中檢查支撐連接節點，必要時應進行加固；預應力施加至額定壓力穩定后予以鎖定。預應力施加完畢后，鋼管支撐與圍檁接頭部位（活絡頭）兩側應加焊槽鋼。

4）鋼管支撐拆除遵循先撐后拆的原則，即待混凝土強度達到設計要求指標后才可予以拆除，支撐拆除步驟嚴格按規程操作。

5）受場地條件限制，地下室各層結構的施工總體順序按從南向北進行施工，施工過程中對拆撐流程和頂板施工順序進行合理規劃。根據進度安排，支撐拆除時分段進行,利用棧橋作為材料堆放及車輛進出道路[3-4]。

7）本工程鄰近上海科技大學，按市政府及有關部門對文明施工的要求，為減少對周邊環境的影響，主要采用靜音片鋸機械切割的方式拆除本基坑的鋼筋混凝土支撐，拆除完畢第一時間外運。

4.5 地下室頂板高大模板支撐體系

圖2 地下室高支模立面示意

4.5.1 支架驗收主要項目的允許偏差

1）底座的沉降量不大于5 mm。

2）支架搭設的垂直度與水平度允許偏差應符合要求。

3）立桿間距的允許偏差步距20 mm；橫距50 mm；縱距20 mm。

4）扣件螺栓擰緊力矩用扭力扳手檢查，要求大于50 N·m。

5）剪刀撐斜桿與地面的傾角為45°～60°。

6）可調托座調節螺桿伸出長度不宜大于200 mm，可調托座的螺栓伸出長度超過200 mm時采取的固定措施必須可靠。

4.5.2 混凝土澆筑措施

1）結合工程特點，本方案的高支模混凝土均采用汽車泵澆筑，嚴禁在出料口出現堆載。

2） 高支模區域柱子先澆筑，排架與柱形成可靠連接。

3）混凝土泵送出料時，沿同一方向同步推進，出料口的混凝土及時振搗趕平，嚴禁集中堆載；嚴格控制大梁混凝土的澆筑速度與液面上升高度。

4）高支模的混凝土施工中，增加看模人員，加強對柱模、大梁及樓板支架的看護，配備對講機，以便發現下沉、松動和變形情況時及時聯絡解決。

4.5.3 模板拆除條件

模板拆除須根據混凝土強度的發展情況。如無設計規定要求，則滿足以下要求：

1）不承重的模板，須在混凝土表面或棱角達到不因拆模而損壞的強度之后方能拆除。

2）按照GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》“模板拆除”的規定實施，為了保證混凝土質量，本工程所有梁、板及懸挑部位的混凝土底模均待強度達到設計強度100%后拆模，所有梁側模均在混凝土澆搗48 h后拆模，以利于混凝土養護。

5 結語

本項目特殊實驗裝置因科學研究需要，除了在恒溫、恒濕、防震方面有特定要求外，其地下部分建筑結構也與常規工程有所不同。為此，我們在深基坑施工中認真分析，著重對施工中的特點、重點、難點，開展針對性的研究，制訂了相應的專項方案；與此同時，在施工過程中嚴格控制關鍵節點，合理組織施工以確保工程質量和安全，達到了如期完工的目標。