沿江沿海砂基上高层建筑深基坑开挖的水下砼方法研究

阳飞宇 唐川川 王旭暄 袁昌成 钟鸣智

中国建筑第二工程局有限公司 北京 101149

引言

我国主要沿江沿海城市经济较为发达，建筑工程多为高层建筑与超高层建筑，但沿江沿海区域砂基与淤泥软土地过于松软，给高层建筑地基施工带来了较大困难。尤其在与江海相邻的位置，砂土层深度可达25～40m，流沙和将水问题成为不得不考虑的因素。

1 沿江沿海基施工的困难与可行性分析

通常来说，高层建筑地下室深度需要满足H15的标准，那么建筑物总高超过70m的建筑地下室深度不得小于5m，再结合地面标高、上底板以及地梁的因素，70m以上建筑物地基施工时基坑的水下深度需要在4m以上。在砂基上施工时，由于沙土渗透系数大，因而基坑内水基本为承压水，工程抽水量极大，并且在工程施工过程中需要保证降水连续进行，水泵购置费用加上抽水电费以及可能发生的补充灌水等，在相当程度上增加了施工成本。此外，沿江沿海水位呈现出季节性的变化，加上潮汐的影响，导致流动水进入基坑开挖区域，这些流动水会造成基坑管涌、顶托等问题，同时其侧向流动还会导致流沙与流水夹砂问题，给基坑稳定性造成了严重的威胁。通过以往的工程实践总结得到，水下混凝土施工主要面临以下问题：①混凝土离析；②水下灌注产生砂浆浮沫；③施工过程中的缺陷不易发现，且修复困难。

就可行性而言，基坑止水砼垫层在强度方面要求与普通建筑工程相似，在混凝土浇筑时只要有效控制灌注厚度的均匀性即可在最大程度上降低缺陷的影响。此外，现代建筑施工中诸如絮凝剂等外加剂的使用，极大地改善了混凝土的坍落度与扩展度，加上水位压力作用，混凝土灌注平整度基本能够得到保证。因此，通过科学的施工方案并严格控制施工工艺操作，沿江沿海砂基深基坑水下砼施工灌注的平整度可以达到施工要求[1]。

2 基坑水下砼设计与施工中的关键问题

2.1 水下混凝土的配合比设计

在建筑工程中，基坑水下砼配合比设计标准极其重要。高层建筑地基施工中，水下混凝土施工只能依靠混凝土的流动性作用，而不能使用传统的振捣器，因此水下砼施工的混凝土必须具有良好的黏性、和易性，同时需要严格控制其离析程度。

2.2 水下砼施工中外加剂的使用

水下砼施工需要保证其良好的和易性，同时保持混凝土坍落度在18～22cm范围内，扩散度在34～38cm范围呃逆，严格控制泌水率低于3%，初凝时间宜大于5h，终凝时间宜小于40h。基于以上要求，水下砼施工需要配合性能良好的外加剂。目前，适用于水下砼施工的国产外加剂有YNH-1型缓凝早强减水剂，UMB-1型絮凝剂等。施工时，外加剂与水泥、砂石在同一时间加入，进行充分的搅拌，通常控制外加剂用量为水泥的1%～3%之间，以保证混凝土经过充分的搅拌不会出现离析现象。

2.3 灌注层厚度

根据砂基条件下承压水下砼底板抗浮与抗弯要求，需要保证下面公式（1）成立：

其中，K代表抗浮稳定系数；G代表底板自重；P代表板上附加重量或抗浮阻力；代表浮托力。

此外，还需要考虑以下两种情况：

（1）开挖前基坑内存在工程桩，工程桩密度按照较稀的位置计算；浇注混凝土时，工程桩附近水下砼层厚度范围内存在摩擦阻力，假定工程桩水下砼接触面积为A，摩擦系数为f，工程桩与水下砼单位面积接触应力，工程桩数量为n，工程桩总阻力，取基坑长边测量值为S，可得单位长度阻力如公式（2）：

结合公式（2）考虑工程桩的摩擦阻力后，有助于减小浇筑厚度。

公式（3）中，抗拉强度[σ]按照以往工程经验与设计方案选取。

水下砼底板浇筑层只是工艺性临时构件，因此厚度可以控制的较薄，通过抽水降低水位能够有效减小建筑层的厚度，但需要考虑抽水对施工环境的影响。

2.4 导管法和泵送法施工工艺

导管法施工一般要求导管内径为骨料粒径8倍或以上，且水深度较大时管径需要适当加大。通常情况下管径为φ250mm的导管控制的施工面积为4m2，管径为φ300mm导管控制的施工面积为5～15m2，单根导管长度根据工程实际情况进行选择。浇筑方式包括底盖式与滑阀式。

底盖式浇筑适用于水深4～5m情况下的浇筑，需要在导管底部安装底盖，多个导管连接后按顺序沉入水中，触底为止，然后进行砼浇筑，砼填满导管后完成后将导管提出，砼在重力作用下压开底盖沉入水底。滑阀式浇筑同样是将导管插入水中，导管内设置滑阀，砼在向导管内投送的过程中滑阀会跟着下降，滑阀达到导管底部后将导管提高20～30cm，砼从导管中落下[2]。

泵送法通常使用内径为φ100～500mm的输送管，管底安装一个栓塞来隔离水，同时在管理水平段和垂直段连接处安装排气阀，注意控制输送管出口位于已浇筑砼下方30～40cm位置。

3 结束语

我国沿海地区经济较为发达，高层建筑群大量存在，但是这些区域的地质条件给高层建筑的地基施工造成了较大的困难，通过科学的深基坑开挖的水下砼方法施工，能够充分保障高层建筑的地基质量，进而保障高层建筑顺利完工，实现良好的经济效益与社会效益。