软土地基中地下结构的整体预制安装技术

上海外经集团控股有限公司 上海 200032

1 工程概况

上海某度假区城堡项目，在城堡正面两侧设计有2 个圆形瞭望台，瞭望台内安装了可升降的声光塔。广场表演时瞭望台内的声光塔升起，为舞台提供灯光和音响；平时声光塔下降暗藏在瞭望台内，以保持城堡古朴神秘的建筑风格。声光塔在城堡中处于如图1所示的虚线框位置。

图1 城堡声光塔示意

为使声光塔能下降暗藏在瞭望台内，在瞭望台的下方设计一个圆形深孔，声光塔下降时灯杆可伸入孔内。为此，该深孔的设计采用了Φ1 260 mm、壁厚20 mm的底部密封的不锈钢筒，不锈钢材质选用316L型。为保护该不锈钢筒，在不锈钢圆筒外面又浇筑了厚200 mm、底部浇筑厚400 mm的钢筋混凝土外壳，并与城堡地下结构相连接，以确保该结构的整体稳定性。不锈钢筒深13.9 m，顶面标高同地面标高一致。不锈钢筒和外裹混凝土组成的声光塔地下结构整体长14.3 m、外径1.7 m，如图2所示。

图2 声光塔地下结构示意

2 技术方案选择[1,2]

由于声光塔地下结构周围有大量的工程桩，且距离最近的仅1.6 m远，因此如何减少施工干扰和控制土体扰动是施工技术的关键。为此，对声光塔地下结构的施工进行了多方案的比选，包括沉井方案、钻孔灌注桩围护方案、钻孔灌注空心桩方案、整体预制安装方案等。

沉井方案是一种较成熟的方案，但是会造成一定的水土流失。由于声光塔的地下结构和周围的工程桩距离较近，如果先开挖沉井再施工周围的工程桩，则周围土体因受扰动而不稳定；如果先施工工程桩再施工沉井，则沉井施工扰动周围土体会使工程桩受到侧向挤压。

钻孔灌注桩是深基坑开挖较常用的围护方法，采用环形混凝土围檩，配合两轴搅拌桩作为止水帷幕，通过井点降水后进行开挖，对周围土体扰动较小，但是在本案中因为声光塔地下结构施工和城堡桩基及地下结构施工存在相互干扰，该方法影响工期。

钻孔灌注空心桩方案是把声光塔地下结构看成是1 根空心桩，按照钻孔灌注桩方案进行施工，只是在浇筑混凝土时把不锈钢筒作为空心桩的内模进行浇筑，但是不锈钢筒作为内模在泥浆浮力作用下定位困难，更大的风险是在混凝土浇筑过程中一旦不锈钢筒产生移位或变形将可能无法纠偏。

整体预制安装方案是采用全回旋钻机驱动钢套管旋转下沉，然后以钢套管作为深基坑的围护结构用抓斗挖掘机在钢套管内挖掘土方形成干孔。将不锈钢筒和外包裹混凝土预制成整体构件在现场安装，对构件和钢套管之间的空隙用自密实型的细石混凝土灌注充填。该方案对周围土体扰动小，且由于不锈钢筒和外包裹混凝土整体构件在工厂预制和现场安装，因此有利于质量控制。此外，该方法大大缩短了现场作业时间，减少了现场施工干扰，有利于施工进度控制。

对上述的各个方案进行经济技术综合比较，最终选择整体预制安装方案。

3 全回转钻机钢套管钻进法开挖成孔

为了安装不锈钢混凝土组合构件，开挖成孔的深度除了考虑安装构件的长度14.3 m外，还需要考虑定位装置的厚度0.2 m和孔底封底混凝土厚度4.5 m，因此，开挖总深度为19 m。为便于构件的吊装，开挖孔壁和预制的组合构件之间应留一定的空隙。为此，根据对钢套管的强度、刚度和稳定性计算，选用厚20 mm、Φ1 980 mm、长度为20 m的钢套管，用全回转钻机钻进，在套管内开挖成孔。

3.1 孔底土体加固

如图3所示，声光塔位置的地层结构主要由淤泥质黏土、粉质黏土、黏质粉土和表层的杂填土组成，地下水位较高，仅为-0.5 m。为了防止成孔后发生底鼓和钢套管上浮，同时起到止水作用以防止发生管涌，在钢套管底部区域预先用水泥进行高压旋喷加固，即在深度-19～23 m的范围内和平面4 m×4 m的范围内，选用P.0 42.5水泥进行高压旋喷加固。

图3 套管法施工深孔示意

3.2 全回转钻机驱动钢套管旋转下沉

旋喷加固体达到设计强度后进行钢套管钻进施工。用RT-200型全回转钻机驱动钢套管旋转下沉。钢套管插入初期对垂直度的影响最为重要，因此，初期主要利用钢套管自重压入，并用经纬仪从两个相互垂直的方向控制钢套管的垂直度。当自身重力不足时，逐步加压并旋转钢套管，驱动钢套管下沉最终进入孔底土体加固区。

3.3 钢套管内开挖和混凝土封底

钢套管下沉就位后采用抓斗挖掘机进行开挖，挖深如图4所示。当开挖达到设计深度19 m，即开挖孔底进入高压旋喷加固区1 m时，即停止开挖。测量确认开挖深度后浇筑厚4.5 m的C30混凝土封底层。为了准确控制预制构件的安装标高，封底后孔底深度必须准确控制在深14.5 m。为防止浇筑超高，封底混凝土分2 次浇筑，第1次浇筑时预留10～20 cm的厚度，第2次浇筑采用自找平混凝土，精确计算浇筑方量，准确控制孔底标高并找平孔底。最终形成了Φ1.98 m深14.5 m的圆形深孔。

根据现场施工观测，采用RT-200型全回旋钻机驱动钢套管旋转下沉，并以钢套管作为围护结构，在套管内开挖成孔，施工噪声小、无振动、对周围土体扰动小，可以很好地保护周围的工程桩。

图4 钢套管内开挖

4 不锈钢筒混凝土组合构件安装

4.1 不锈钢筒和外包裹钢筋混凝土组合构件的制作

首先按照设计要求制作不锈钢筒，然后在外面浇筑钢筋混凝土。为了确保混凝土浇筑过程中不锈钢筒的圆形截面形状不变形，采用直立模具浇筑混凝土。为了防止混凝土浇筑过程中造成的不锈钢筒上浮并控制振捣质量，采用自下而上分段浇筑。制作完成后在混凝土外表面刷上一层黑色聚氨酯涂料提高构件的防水和防腐性能。

4.2 不锈钢筒组合构件的安装定位

根据设计要求，不锈钢的垂直度偏差为任何方向上不大于0.35％，顶部和底部的定位精度为任何方向不大于50 mm。为此，制作一个混凝土圆板定位器。该圆板厚度20 cm，圆板中心位置预埋一个等边四棱锥凸起。组合构件吊装前先安装该定位器，用免棱镜的全站仪测量定位，调整等边四棱锥凸起在孔底的位置，使其平面位置准确定位在不锈钢筒的轴线位置。同时在预制的不锈钢混凝土构件的底座上预制一个和定位器上的等边四棱锥凸起完全匹配的四棱锥凹槽。采用等边四棱锥凸起和凹槽在孔底对构件进行定位，再采用千斤顶对构件顶部平面位置和垂直度进行调整定位。

4.3 不锈钢筒混凝土组合构件的吊装

根据现场条件及预制构件的重量、外形尺寸、吊装高度、回转半径和吊机性能等情况，选用2 000 kN汽车吊来吊装不锈钢筒混凝土预制组合构件。

首先将不锈钢筒混凝土预制组合构件卸车放置在拟安装位置附近的松土上，然后用汽车吊将构件起吊成直立状态。保持直立状态缓慢移动构件，准确定位后缓慢下降构件进入深孔。构件接近孔底时，在悬空状态下用千斤顶对构件平面位置进行调准定位，使得构件底部的四棱形凹槽对准定位器上的四棱形凸起，再缓慢下降直至构件完全坐在定位器上。构件底部定位坐稳后用千斤顶对构件顶部的平面位置进行调整，使得不锈钢筒顶部的中心位置处于中线上，并确保不锈钢筒的垂直度。

4.4 空隙灌注细石混凝土

不锈钢筒混凝土组合构件完成吊装定位并固定后，对于钢套管内的空隙采用高流动性、无收缩、自密实细石混凝土进行灌注充填，强度达到设计要求后拆除固定设施进行后续施工。

5 结语

和现浇方案相比，声光塔的地下结构工厂预制、整体安装方案大大缩短了现场的施工时间，减少了现场的施工干扰，特别是有利于施工质量控制。在人工成本越来越高的情况下，地下结构工厂化预制现场安装方案的经济效益也将日益显现。因此，本文所介绍的声光塔地下结构工厂化预制现场安装的施工方法在工程质量、工期、成本和安全管理等方面都具有优越性，对类似地下结构施工具有借鉴和推广价值。