超重力離心模擬與實驗裝置超深基坑施工風(fēng)險控制

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驗裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項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 項國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目之一，是浙江省建設(shè)的首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目。 該項目建成后將成為世界上超重力離心機容量最大、 實驗艙功能與能力最強的多學(xué)科科學(xué)實驗設(shè)施。

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

2 地質(zhì)情況及基坑設(shè)計概述

超重力項目位于杭州余杭區(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。 超重力離心機基坑及典型地質(zhì)剖視圖如圖1 所示。

圖1 超重力離心機基坑及典型地質(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)。

超重力項目設(shè)備基礎(chǔ)外輪廓尺寸：長101 m，寬29 m，重載/模型機位置基坑深26.95 m，開挖深度23.95 m，高速機基底采用換填措施，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）。 離心機主機室區(qū)域開挖深度大，坑內(nèi)卸荷開挖后支護構(gòu)件受荷載較大。

重載/ 模型機基坑采用1.0 m 厚地下連續(xù)墻，墻底進入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖約10 m，5 道鋼筋混凝土支撐；高速機基坑圍護采用1.2 m 厚地下連續(xù)墻， 墻底進入中風(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)險源分析及應(yīng)對措施

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

深基坑施工風(fēng)險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。 其中，基坑漏水是發(fā)生頻率最高的施工風(fēng)險。 本基坑的關(guān)鍵性難點在于止水。 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

本項目地連墻施工質(zhì)量各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求， 為了進一步驗證地連墻施工質(zhì)量，確保開挖階段施工安全，進行了兩次坑內(nèi)抽水試驗，一次坑外抽水試驗。 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，實測水位為相對標(biāo)高，各抽水井和觀察井水位隨抽水時間的變化如圖3 所示。

圖3 抽水井及觀察井水位降深與時間的關(guān)系

坑內(nèi)抽水實驗時，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，未見明顯的補水水源，判定主要補水水源均為坑內(nèi)存留水源，從側(cè)面證明地連墻具有較好的止水效果。

坑外抽水試驗主要驗證在出現(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。在基坑開挖過程中，未見明顯漏水，僅有個別地連墻連接副處滲水。 施工采取措施，逐項消除了基坑漏水的風(fēng)險。

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)險可預(yù)測，措施及時，設(shè)計、施工、監(jiān)測、管理各方協(xié)同合作。 設(shè)計單位提供了典型位移控制點的全過程變形數(shù)據(jù)，供實施單位實現(xiàn)過程控制管理。 監(jiān)測單位數(shù)據(jù)采集點采用全自動的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備， 自動上傳至智慧工地。 實時數(shù)據(jù)與設(shè)計院提供的參考數(shù)據(jù)同時顯示， 提前預(yù)警，施工單位利用智慧工地風(fēng)險管控模塊實時進行信息共享。各參建相關(guān)人員可以通過手機App 實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)， 提高監(jiān)測情況的溝通效率，從而可以及時發(fā)現(xiàn)基坑的不安全狀態(tài)，以便第一時間進行處理。

根據(jù)兩處關(guān)鍵點變形監(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→采用雙快水泥進行表面處理→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，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，立即進行土體回填；

3）立即啟動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）采取臨時鋼支撐，27 m 長，中部設(shè)橫梁支點；

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

圖4 基坑關(guān)鍵點變形監(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)測點監(jiān)測頻次；

3）監(jiān)測坑底隆起變形時，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)量的搶險設(shè)備和材料，如發(fā)電機、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到位，施工期間加強對應(yīng)急物資的巡檢。

5 項目管理措施

項目管理部門在深基坑開挖前，建立了基坑開挖條件銷項表，對于前期列明的安全措施，逐一按時落實，并保留簽字蓋章版紙質(zhì)資料。 包括施工現(xiàn)場設(shè)計勘察交底；深基坑開挖方案；設(shè)計及施工方案專家評審意見回復(fù)；圍護結(jié)構(gòu)施工各項指標(biāo)驗收表；降水降壓井施工完畢；場外排水措施；調(diào)查基坑周圍保護構(gòu)筑物、管線等現(xiàn)有狀況；周圍環(huán)境及基坑監(jiān)測點布置； 渣土運輸通行證； 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。

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)任落實到個人。 施工期間定期對基坑漏水情況、安全生產(chǎn)情況進行巡查。 組織專業(yè)搶險隊，定期培訓(xùn)、實操演習(xí)。

6 結(jié)語

本項目風(fēng)險控制措施全面、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紀(jì)錄。