超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置超深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)控制

周燁明，吳乾富，楊士勇，宋超

（1. 中國聯(lián)合工程有限公司，杭州310051；2. 浙江大學(xué)基建處，杭州310058；3.中國電建水利水電第十一工程局，鄭州450000）

1 引言

超重力離心模擬與實(shí)驗(yàn)裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目位于浙江省杭州市，是《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》 中優(yōu)先建設(shè)的10 項(xiàng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，是浙江省建設(shè)的首個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。 該項(xiàng)目建成后將成為世界上超重力離心機(jī)容量最大、 實(shí)驗(yàn)艙功能與能力最強(qiáng)的多學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

超重力項(xiàng)目設(shè)備基礎(chǔ)是該項(xiàng)目的核心工程， 超深基坑施工是該項(xiàng)目順利實(shí)施的前提和建設(shè)質(zhì)量的重要保障， 也是施工過程中的重大風(fēng)險(xiǎn)源[1]。

2 地質(zhì)情況及基坑設(shè)計(jì)概述

超重力項(xiàng)目位于杭州余杭區(qū)， 為南苕溪流域沖積平原，上部為全新世湖沼相～淺海相沉積地層，中部晚更新世沖湖積相沉積地層，下部為中晚更新世河流相沖沉積地層，下伏泥質(zhì)粉砂巖。 主要地層：①粉質(zhì)黏土、②1 淤泥、③2 黏土、④1 粉質(zhì)黏土、④3 含礫粉砂、⑤1 黏土、⑤2 粉質(zhì)黏土、⑥3 圓礫、⑩1 全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑩2 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑩3 中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地下水主要是淺層空隙潛水含水層，埋深一般0.5～2.5 m，④3 層、⑥3 層是承壓水含水層，承壓水頭-1.0～1.0 m。 超重力離心機(jī)基坑及典型地質(zhì)剖視圖如圖1 所示。

圖1 超重力離心機(jī)基坑及典型地質(zhì)剖視圖

距場地東側(cè)約30 m 為河道，南側(cè)北側(cè)為空地，距場地西側(cè)約40 m 為高架道路。 基坑距離周邊建、構(gòu)筑物較遠(yuǎn)。

超重力項(xiàng)目設(shè)備基礎(chǔ)外輪廓尺寸：長101 m，寬29 m，重載/模型機(jī)位置基坑深26.95 m，開挖深度23.95 m，高速機(jī)基底采用換填措施，基坑深度達(dá)到41.3 m，開挖深度38.3 m（本工程±0.000相當(dāng)國家基準(zhǔn)標(biāo)高5.80 m，場平絕對標(biāo)高2.8 m）。 離心機(jī)主機(jī)室區(qū)域開挖深度大，坑內(nèi)卸荷開挖后支護(hù)構(gòu)件受荷載較大。

重載/ 模型機(jī)基坑采用1.0 m 厚地下連續(xù)墻，墻底進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖約10 m，5 道鋼筋混凝土支撐；高速機(jī)基坑圍護(hù)采用1.2 m 厚地下連續(xù)墻， 墻底進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖約16 m，8 道鋼筋混凝土支撐。 地連墻接縫處， 圓礫層范圍設(shè)φ2 000 RJP 止水。

3 基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)源分析及應(yīng)對措施

深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素多、不確定性強(qiáng)，一旦發(fā)生事故，往往后果十分嚴(yán)重。 本項(xiàng)目在基坑開挖前，從基坑設(shè)計(jì)、前期施工質(zhì)量檢查、開挖方案、應(yīng)急管理措施方面進(jìn)行了多次專家審查，在風(fēng)險(xiǎn)辨識、風(fēng)險(xiǎn)控制方面做了大量的工作。

深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)主要有基坑外承壓水、基坑變形過大、坑底隆起、支撐破壞、高空墜落等其他安全施工風(fēng)險(xiǎn)。 其中，基坑漏水是發(fā)生頻率最高的施工風(fēng)險(xiǎn)。 本基坑的關(guān)鍵性難點(diǎn)在于止水。 基坑漏水的原因及施工措施如表1 所示。

表1 基坑漏水的原因及施工措施

本項(xiàng)目地連墻施工質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求， 為了進(jìn)一步驗(yàn)證地連墻施工質(zhì)量，確保開挖階段施工安全，進(jìn)行了兩次坑內(nèi)抽水試驗(yàn)，一次坑外抽水試驗(yàn)。 基坑內(nèi)抽水井及觀察井平面布置如圖2 所示。

圖2 基坑內(nèi)抽水井及觀察井平面布置圖

JY-1、JY-6、JY-8 是 抽 水 井，JY-2、JY-7 是 坑 內(nèi) 觀 察 井，YJJ-1 是坑外觀察井，實(shí)測水位為相對標(biāo)高，各抽水井和觀察井水位隨抽水時(shí)間的變化如圖3 所示。

圖3 抽水井及觀察井水位降深與時(shí)間的關(guān)系

坑內(nèi)抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)，YJJ-1 數(shù)據(jù)顯示，坑外水位無明顯變化，觀察井緊隨抽水井水位降低而降低， 管井內(nèi)水位下降速度與出水量成穩(wěn)定的比例關(guān)系；抽水井停泵后，JY-1 抽水井水位基本不變，JY-8 抽水井水位恢復(fù)很慢，JY-2、JY-7 觀察井恢復(fù)很慢，未見明顯的補(bǔ)水水源，判定主要補(bǔ)水水源均為坑內(nèi)存留水源，從側(cè)面證明地連墻具有較好的止水效果。

坑外抽水試驗(yàn)主要驗(yàn)證在出現(xiàn)基坑漏水的緊急情況下，坑外抽水設(shè)施是否能有效降低坑外水位，降低坑內(nèi)涌水風(fēng)險(xiǎn)。在基坑開挖過程中，未見明顯漏水，僅有個(gè)別地連墻連接副處滲水。 施工采取措施，逐項(xiàng)消除了基坑漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

基坑變形過大，導(dǎo)致基坑坍塌的事故案例屢見不鮮，主要原因和主要施工措施見表2。

表2 基坑變形過大的原因及施工措施

為保證基坑開挖過程中，風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)測，措施及時(shí)，設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、管理各方協(xié)同合作。 設(shè)計(jì)單位提供了典型位移控制點(diǎn)的全過程變形數(shù)據(jù)，供實(shí)施單位實(shí)現(xiàn)過程控制管理。 監(jiān)測單位數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用全自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備， 自動(dòng)上傳至智慧工地。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)院提供的參考數(shù)據(jù)同時(shí)顯示， 提前預(yù)警，施工單位利用智慧工地風(fēng)險(xiǎn)管控模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行信息共享。各參建相關(guān)人員可以通過手機(jī)App 實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)， 提高監(jiān)測情況的溝通效率，從而可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑的不安全狀態(tài)，以便第一時(shí)間進(jìn)行處理。

根據(jù)兩處關(guān)鍵點(diǎn)變形監(jiān)測值，本基坑整體變形值較小。

4 應(yīng)急管理措施

4.1 基坑滲水

對于基坑滲水，采取措施：

1）墻身有大面積濕漬，采用水泥基型抗?jié)B微晶涂料涂抹；

2）地下連續(xù)墻接縫滲漏，采取雙快水泥結(jié)合化學(xué)注漿的方式處理。 找準(zhǔn)滲水點(diǎn)→采用雙快水泥進(jìn)行表面處理→滲漏水處打設(shè)注漿針孔→埋嘴封孔→化學(xué)注漿加固 （聚氨酯）→72 h內(nèi)觀察滲漏水情況→割除針頭，表面處理。

4.2 基坑涌水

對于基坑涌水，采取應(yīng)急措施：

1）降水井減壓→沙袋封堵過濾泥沙→坑內(nèi)注漿封堵（磷酸+ 水玻璃）→坑外注漿加固；

2）情節(jié)嚴(yán)重時(shí)，利用附近土源，堆土反壓。

4.3 基坑變形

對于基坑變形過大，采取應(yīng)急措施：

1）立即停止現(xiàn)場基坑土方開挖以及其他坑內(nèi)作業(yè)，疏散人員；

2）利用附近土源，立即進(jìn)行土體回填；

3）立即啟動(dòng)基坑周邊減壓降水井，降低周邊水位，減少基坑周邊側(cè)壓力；

4）采取臨時(shí)鋼支撐，27 m 長，中部設(shè)橫梁支點(diǎn)；

5）通知建設(shè)單位、監(jiān)理、設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場勘察，并復(fù)核監(jiān)控量測結(jié)果，加強(qiáng)監(jiān)測。 基坑關(guān)鍵點(diǎn)變形監(jiān)測值如圖4 所示。

圖4 基坑關(guān)鍵點(diǎn)變形監(jiān)測值

4.4 基坑坑底隆起

對于基坑坑底隆起，采取應(yīng)急措施：

1）立即停止基坑內(nèi)作業(yè)，疏散現(xiàn)場人員；

2）加大基坑內(nèi)外監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測頻次；

3）監(jiān)測坑底隆起變形時(shí)，基坑內(nèi)外降水井持續(xù)抽水，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定抽水水量；

4）若由于開挖土層過快或過多的原因，應(yīng)立即回填基坑，直至基坑內(nèi)外監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定趨勢收斂方可停止回填。

4.5 應(yīng)急物資

現(xiàn)場應(yīng)備有一定數(shù)量的搶險(xiǎn)設(shè)備和材料，如發(fā)電機(jī)、注漿泵、磷酸、水玻璃、沙包、槽鋼或鋼管等，雨季施工準(zhǔn)備足夠的抽水設(shè)備，設(shè)備及物資必須在開挖前落實(shí)到位，施工期間加強(qiáng)對應(yīng)急物資的巡檢。

5 項(xiàng)目管理措施

項(xiàng)目管理部門在深基坑開挖前，建立了基坑開挖條件銷項(xiàng)表，對于前期列明的安全措施，逐一按時(shí)落實(shí)，并保留簽字蓋章版紙質(zhì)資料。 包括施工現(xiàn)場設(shè)計(jì)勘察交底；深基坑開挖方案；設(shè)計(jì)及施工方案專家評審意見回復(fù)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工各項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)收表；降水降壓井施工完畢；場外排水措施；調(diào)查基坑周圍保護(hù)構(gòu)筑物、管線等現(xiàn)有狀況；周圍環(huán)境及基坑監(jiān)測點(diǎn)布置； 渣土運(yùn)輸通行證； 建立完整的施工應(yīng)急預(yù)案等，直接影響基坑開挖施工安全的措施，必須在開挖前全部落實(shí)。

施工、監(jiān)理、管理部門成立應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組，任務(wù)分級拆解，責(zé)任落實(shí)到個(gè)人。 施工期間定期對基坑漏水情況、安全生產(chǎn)情況進(jìn)行巡查。 組織專業(yè)搶險(xiǎn)隊(duì)，定期培訓(xùn)、實(shí)操演習(xí)。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制措施全面、有效，現(xiàn)場施工質(zhì)量較好。 基坑最大開挖深度38.3 m，最大變形量27.93 mm 的數(shù)據(jù)均打破了浙江省公共建筑基坑深度和基坑變形兩項(xiàng)紀(jì)錄。