软土地区安装特殊实验装置的深基坑施工技术

严德华 沈维雄

1. 上海新建设工程咨询有限公司 上海 200123；2. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050

1 工程概况

上海超强超短激光实验装置大楼为地下2层、地上4层建筑，工程除对恒温、恒湿、防震方面有特殊需要外，在②～④轴交轴处，地下1层及地下2层上下合为一层，结构从－12.20～－0.45 m，高11.75 m，此区域为大空间用房实验设备用房（万级净化区），以适应安装特殊装置的需要。

本项目基坑东至科苑路，北至海科路，西侧为上海科技大学高能量密度物理实验楼，距基坑边线仅10.4 m，南侧为分子科学楼，距基坑边线21.7 m（图1）。

图1 工程总平面示意

场地周边路线比较复杂。在距基坑边16.5 m范围内分别布设有通信电缆、路灯管线、雨水管线、消防水管、市政给水管、配水管等数十根。

工程场地位于古河道地层分布区，其中下部有厚度较大的第⑤层黏性土，同时缺失第⑥层粉质黏土，且第⑦层粉性土和砂土受古河道切割影响，层顶有一定的起伏。

本场地地下水类型主要有浅部土层的潜水和深部第⑦层粉性土层中的承压水。场内浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地表水补给。地下水位埋深0.45～2.20 m，场地内无污染源，地下水对混凝土均无腐蚀性。

2 施工重点、难点分析

2.1 基坑开挖深度较大，周围环境复杂

本工程地处上海科技大学校内，基坑南北向长，东西向短，呈长方形，挖深13.20 m。周边场地狭小且平行于邻近已建分子科学楼，除防噪防尘要求外，施工防振动要求高，土方开挖受到周边环境的约束。

2.2 工期紧张，施工操作面紧缺，管理难度大

“当年开工、当年建成、当年出成果”是本项目的要求，故工期十分紧迫，且施工可用操作面较小，围护桩、立柱桩、止水桩、坑内加固又需同步、交叉施工，设备和操作人员投入量较多，给现场施工协调和管理带来难度。

2.3 地质情况复杂，对围护施工影响较大

地质勘察显示，钻孔灌注桩成孔施工时遇第③、④层为淤泥质软土层易发生颈缩情况，第⑤层粉土易发生塌孔情况；基坑开挖深度范围内存在第③、④层淤泥质软土层，其饱和、流塑，软土抗剪强度低，灵敏度中-高，具有触变性和流变性特点，易发生颈缩情况；浅部地层主要以软弱的黏性土为主，对围护变形控制不利[1]。

3 基坑支护设计及降水方案

3.1 基坑等级

本工程基坑面积约2 304 m2，自然地坪平均绝对高程为4.50 m（相对标高－0.75 m），基坑普遍开挖深度为13.10 m（内部基坑挖深13.20 m），西侧与北侧挖深11.55 m。基坑安全等级一级，环境保护等级二级。

3.2 围护结构与支撑体系

基坑采用钻孔灌注桩围护结构＋三轴搅拌桩止水＋3道混凝土支撑体系，坑内采用高压旋喷桩加固。其中钻孔灌注桩桩径1 100 mm@1 300 mm，共149根；三轴搅拌桩桩径850 mm@1 200 mm，桩长22 m，工作量3 970.12 m3；高压旋喷桩桩径800 mm@1 200 mm，桩长6.50～6.55 m，工作量4 372.19 m3。

3.3 基坑降水方案

1）本场地深部第⑦层是上海地区的第一承压含水层,根据上海地区的区域资料可知，第⑦层中的承压水埋深一般在3 ～12 m，低于潜水水位，并呈年周期性变化。

2）勘察期间所测得的地下水稳定水位埋深一般在1.60～1.80 m之间，相应标高在2.78～2.95 m之间，平均值为2.86 m。根据本工程基坑围护结构的设计情况，本降水设计方案采用深井进行基底以上和基底附近潜水的降水。经计算，降水井共布置12口，井深18～20 m，采用厚4 mm的φ273 mm钢管（圆孔滤管），成孔直径650 mm，真空抽水。

3）基坑内外设置排水明沟、集水井构成的集水明排系统，以确保能将雨水及污水及时排出坑外。沿场地周边再设置排水明沟，排水沟为400 mm×400 mm，每隔50 m设置1个800 mm×800 mm×800 mm的集水井，采用砖砌，砂浆抹面。

4）基坑开挖后在基坑四周及基坑中挖设300 mm×300 mm临时排水沟，排水沟间距为20 m，在四周角点处挖设800 mm×800 mm×800 mm集水井。坑内积水及井点降水抽出的水可排至集水井内，再由潜水泵强排至坡顶排水沟内，再经沉淀后排入周边市政雨水井及污水井。

5）基础底板土方开挖时，随垫层修筑排水盲沟，并利用底板内的深坑作为集水井，将积水集中至深坑统一由排水泵排放至地面。为避免加大实际开挖深度，坑内排水系统的排水沟离开围护桩边的距离至少有2 m以上。

4 深基坑施工技术和组织措施

4.1 深基坑桩基围护施工

深基坑桩基施工与围护施工部署划分为5个阶段：

第一施工段：三轴搅拌桩从基坑北侧（②～③轴）由西向东开始施工（1台）。

第二施工段：三轴搅拌桩施工至基坑南侧（①轴）后穿插施工工程灌注桩（2台），从基坑南侧B轴-3轴范围内向北施工。

第三施工段：三轴搅拌桩全部完成后由7台灌注桩设备施工工程灌注桩（及后注浆）。

第四施工段：工程灌注桩完成后从东南角分别向北、向西两个方向施工围护灌注桩（4台）。

第五施工段：围护灌注桩完后施工高压旋喷桩（2台）坑内加固及压密注浆（1套）。

4.2 土方开挖

本场地标高－0.75 m，地下室地板垫层底标高西侧为－12.30 m，东侧为－13.85 m，基坑开挖挖深一般为11.65～13.10 m，集水井等局部深坑落深0.25～0.40 m，总挖土方量约3 200 0 m3，采用明挖顺筑法施工[2]。沿基坑深度方向从上至下挖土至相应支撑底部，然后及时设置支撑，直到挖至坑底做素混凝土垫层并浇筑混凝土底板。

4.3 地下室大底板混凝土浇筑

1）地下室大底板厚度1.5 m，混凝土量3 450 m3。为合理有效地利用施工场地和人力、物力资源，并根据基坑开挖分区流程，将地下室底板按高低跨2个区域进行施工，配备2台汽车泵悬臂布料。为减少围护变形，保证基坑安全，底板混凝土浇捣时必须合理安排施工进度，与土方开挖密切配合，分块实施。具体顺序为由低跨向高跨。

2）混凝土振捣期间每根泵管至少有4台振动机负责配合振捣，振动机移动间距为400 mm左右，流淌部分应及时跟踪振捣，避免冷缝。

3）大流动性混凝土在浇筑、振捣过程中，上涌的泌水和浮浆顺混凝土坡面下流到坑底。由于混凝土垫层在施工时，已预先在横向上做出2 cm的坡度，使大部分泌水可以顺垫层坡度通过两侧模板底部预留孔排出坑外。少量来不及排除的泌水随着混凝土浇筑向前推进被赶至基坑顶端，由顶端模板下部的预留孔排至坑外。

4.4 地下室结构与换撑施工

1）地下室结构施工与支撑拆除交替进行。基坑设置3道混凝土支撑，待底板完成后拆除第3道支撑，施工墙板、换撑板、侧壁回填（施工第1道钢管换撑），再拆除第2道攴撑，施工墙板、换撑板、地下1层、侧壁回填（施工第2道钢管换撑），然后拆除第1道支撑（含栈桥），施工地下室顶板、侧壁回填。最后拆除第2道钢管换撑与相应格构柱及第1道钢管换撑与相应格构柱。

2）第1道钢管换撑采用φ800 mm×20 mm钢管，中心标高－9.10 m；第2道钢管换撑采用φ609 mm×16 mm钢管，中心标高－5.50 m，为加快施工进度，钢管节点采用十字哈夫型快速接头。

3）支撑焊接前加设预应力，预应力达到设计轴力的80%（第1道钢支撑2 000 kN/根、第2道钢支撑1 000 kN/根）；预应力施加过程中检查支撑连接节点，必要时应进行加固；预应力施加至额定压力稳定后予以锁定。预应力施加完毕后，钢管支撑与围檩接头部位（活络头）两侧应加焊槽钢。

4）钢管支撑拆除遵循先撑后拆的原则，即待混凝土强度达到设计要求指标后才可予以拆除，支撑拆除步骤严格按规程操作。

5）受场地条件限制，地下室各层结构的施工总体顺序按从南向北进行施工，施工过程中对拆撑流程和顶板施工顺序进行合理规划。根据进度安排，支撑拆除时分段进行,利用栈桥作为材料堆放及车辆进出道路[3-4]。

7）本工程邻近上海科技大学，按市政府及有关部门对文明施工的要求，为减少对周边环境的影响，主要采用静音片锯机械切割的方式拆除本基坑的钢筋混凝土支撑，拆除完毕第一时间外运。

4.5 地下室顶板高大模板支撑体系

图2 地下室高支模立面示意

4.5.1 支架验收主要项目的允许偏差

1）底座的沉降量不大于5 mm。

2）支架搭设的垂直度与水平度允许偏差应符合要求。

3）立杆间距的允许偏差步距20 mm；横距50 mm；纵距20 mm。

4）扣件螺栓拧紧力矩用扭力扳手检查，要求大于50 N·m。

5）剪刀撑斜杆与地面的倾角为45°～60°。

6）可调托座调节螺杆伸出长度不宜大于200 mm，可调托座的螺栓伸出长度超过200 mm时采取的固定措施必须可靠。

4.5.2 混凝土浇筑措施

1）结合工程特点，本方案的高支模混凝土均采用汽车泵浇筑，严禁在出料口出现堆载。

2） 高支模区域柱子先浇筑，排架与柱形成可靠连接。

3）混凝土泵送出料时，沿同一方向同步推进，出料口的混凝土及时振捣赶平，严禁集中堆载；严格控制大梁混凝土的浇筑速度与液面上升高度。

4）高支模的混凝土施工中，增加看模人员，加强对柱模、大梁及楼板支架的看护，配备对讲机，以便发现下沉、松动和变形情况时及时联络解决。

4.5.3 模板拆除条件

模板拆除须根据混凝土强度的发展情况。如无设计规定要求，则满足以下要求：

1）不承重的模板，须在混凝土表面或棱角达到不因拆模而损坏的强度之后方能拆除。

2）按照GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》“模板拆除”的规定实施，为了保证混凝土质量，本工程所有梁、板及悬挑部位的混凝土底模均待强度达到设计强度100%后拆模，所有梁侧模均在混凝土浇捣48 h后拆模，以利于混凝土养护。

5 结语

本项目特殊实验装置因科学研究需要，除了在恒温、恒湿、防震方面有特定要求外，其地下部分建筑结构也与常规工程有所不同。为此，我们在深基坑施工中认真分析，着重对施工中的特点、重点、难点，开展针对性的研究，制订了相应的专项方案；与此同时，在施工过程中严格控制关键节点，合理组织施工以确保工程质量和安全，达到了如期完工的目标。