科研试验水池基坑属于较为特殊的地下结构工程, 往往在施工期和使用期均不允许设置水平支撑和竖向支承体系^[1~3]。格形地下续连墙^[4~7] (以下简称“格形墙”) 及双排钻孔灌注桩^[8~10] (以下简称“双排桩”) 均属于半重力式围护结构, 具有一定的自立性, 因而在此类工程建设中得到了广泛应用。

　　 一般基坑采用地下连续墙 (除两墙合一外) 、钻孔灌注桩等只是基坑施工期的临时结构, 不作为主体结构使用。而科研水池基坑采用的地下连续墙或钻孔灌注桩, 不仅作为基坑开挖时的临时结构, 同时也是使用期的主体结构, 需要承担坑外水土压力和坑内水压力的共同作用。

　　 本文就武汉市某大型超深科研水池设计及施工过程中的关键技术进行分析探讨, 可为类似工程提供借鉴。

　　 本工程项目为中船重工集团公司某研究所建设的一超深科研水池实验室。该项目场地位于武汉市江夏区, 场区地势较为平坦、开阔, 地貌单元属长江Ⅲ级阶地。

　　 科研水池由深、浅水区两部分组成, 埋深分别为19.4m和9.4m。深水区长68m、宽28m, 浅水区长100m、宽18m。水池间通过中间闸门分隔开。

　　 本工程场地周边建筑多为科研实验室, 对环境保护要求较高。厂址南侧为现有1#实验室和2#实验室, 距离本工程约70m。西侧为规划中的5#实验室, 距离本工程约40m。东侧为规划中的职工活动中心。

　　 本工程勘察报告揭示, 地表以下土层分布依次为 (1) 填土, (2) 粉质粘土, (3) ₁粘土, (3) ₂粘土, (3) ₃粘土, (4) ₁残积粘性土, (4) ₂残积粘性土, (5) 泥岩、泥质砂岩、炭质泥岩强风化, (6) 砂岩、砾岩强风化, (7) ₁泥岩、泥质砂岩中风化, (7) ₂砾岩中风化。各层土的物理力学参数见表1。

　　 场地地下水主要存在形式为上层滞水、孔隙水及裂隙水。各层地下水的赋存状态分别如下:

　　 (1) 上层滞水赋存于填土中, 主要受大气降水补给。水位一般位于地表下0.5~1.5m。

　　 (2) 孔隙水赋存于 (4) ₁、 (4) ₂层残积粘性土和 (5) 层泥岩、泥质砂岩、炭质泥岩强风化以及 (6) 层砂岩、砾岩强风化中。

　　 (3) 裂隙水赋存于基岩中。

　　 对本工程基坑施工有所影响的主要为上层滞水和 (4) ₁层、 (4) ₂层、 (5) 层、 (6) 层中的孔隙水。

　　 武汉地区地下水位较高, 地下水位按室外地坪标高取值。

　　 本工程场地南部绝大部分地段分布 (3) ₂层粘土。勘察报告表明, (3) ₂层粘土含大量高岭土成分, 具有强烈的亲水性, 在环境湿度变化影响下可产生强烈的胀缩变形, 具强膨胀潜势, 属于膨胀性特殊土质。膨胀性特殊土的存在可能对水池基坑支护的设计、施工及后期使用等带来隐患。

　　 水池主体由深水区和浅水区两部分组成。深水区规格为68 m×28 m×20 m。浅水区规格为100m×18m×10m。

　　 本工程自然地面为绝对标高27~29m (1956黄海高程系) , ±0.00m相当于绝对标高+28.15m。除特别说明外, 本文均为相对标高。池壁兼围护结构平面布置见图1。

　　 深水区采用格形墙作为施工期的基坑围护结构。使用期, 格形墙作为水池主体结构, 同时承受外侧水土压力和内侧水压力作用。

　　 格形墙结构形式复杂, 由前墙、后墙、中隔墙及顶板共同组成。前墙为“T”形槽段;后墙由“T”形及“一”字形槽段构成;中隔墙为“一”字形槽段。格形墙墙顶设有顶板, 将前、后墙及中隔墙连接在一起共同受力。

　　 格形墙总宽15.6m。前、后墙厚度分别为1.0m、0.8m, 中隔墙厚度0.8 m。顶板厚度1.0 m, 板顶标高-6.0m, 板底标高 (即墙顶标高) -7.0m。

　　 格形墙前墙较深、后墙较浅。前墙墙底标高为-36.0m, 墙身长度29m;后墙墙底标高-34.0m, 墙身长度27m。中隔墙作用主要为协调前、后墙受力, 墙身更浅, 墙底标高-28.0m, 墙身长度21m。

　　 深、浅水池分界处同样采用格形墙, 结构形式与深水区相同。分界处格形墙墙顶标高-10.8m, 使用期挡土高度仅10m, 远小于其余3侧墙体挡土高度。设计中考虑了该处结构的优化, 分界处格形墙总宽9.6 m, 前墙、后墙及中隔墙厚度均为0.8m, 前、后墙较深, 中隔墙较浅。其中, 前、后墙墙底标高为-30.0 m, 墙身长度19.2 m;中隔墙墙底标高-24.0m, 墙身长度13.2m。该处格形地连墙墙顶设1.5m厚顶板, 除起到连接前、后墙及中隔墙共同受力的作用而外, 同时作为水池中间门 (叠梁式) 的基础。

　　 浅水区施工阶段采用双排桩作为基坑支护体系。使用期池壁为前排桩及内衬墙共同组成的复合结构。浅水区双排桩围护采用钻孔灌注桩。前排桩桩径0.8m, 桩间距0.95m;后排桩桩径0.8m, 桩间距2.5m。双排桩桩顶标高-4.8 m, 桩端标高-23.0m, 桩身长度18.2m。

　　 钻孔灌注桩之间存在空隙, 需在前排桩后设置三轴搅拌桩作为止水帷幕。三轴搅拌桩采用3Φ850@600, 桩底标高为-14.9m, 布置于前排桩后间距150mm处。通常情况下, 作为基坑支护体系的双排桩, 前、后排桩之间采用连梁连接。本工程双排桩设置承台板连接前、后排桩。承台板在基坑施工阶段, 作为前、后排桩之间的连接构件, 起到传力作用;在使用期又作为上部扶壁结构的基础。

　　 格形墙前、后墙槽段间的接头均为锁口管柔性接头。中隔墙与前、后墙之间接头采用十字钢板刚性接头, 部分转角槽段之间设置焊接工字钢接头。

　　 地下连续墙通过预留插筋、钢筋接驳器等措施与衬砌、基础底板连接。

　　 深水区 (扶壁结构) 格形墙上部 (标高-6.0 m以上) 设置扶壁结构。格形墙通过顶板与上部扶壁结合为整体。扶壁结构由立板、肋板及底板 (即格形墙顶板) 构成。其中, 立板厚500 mm, 肋板厚400mm, 间距4.0m。

　　 深水区 (内衬墙) 采用格形墙围护的部分, 水池内侧 (标高-6.0~-19.4m) 设置400mm厚度的钢筋混凝土内衬墙。内衬墙与其上扶壁结构立板实际上贯通。内衬墙下部为3m宽的池壁前趾, 布置集水井处的前趾宽4m。深水池结构剖面见图2。

　　 浅水区 (扶壁结构) 与深水区类似, 浅水区池壁 (-4.0m标高以上) 同样为扶壁结构。扶壁结构同样由立板、肋板及底板 (即双排桩顶板) 构成。其中, 立板厚500mm, 肋板厚400mm, 间距4.0m。

　　 扶壁底板坐落于 (2) 粉质粘土老土上, 下设600mm厚级配碎石碾压层, 如开挖后揭露的地层不符合, 需清除后换填, 填土碾压的压实系数λ_c≥0.93。

　　 浅水区 (内衬墙) 采用双排桩围护的部分, 该段池壁 (标高-4.0~-9.4m) 为组合墙结构, 由前沿Ф800钻孔桩和400 mm厚的内衬组成复合结构。使用期, 双排桩与内衬墙共同变形及受力。浅水区内衬墙下部前趾宽度2.5m。浅水池结构剖面见图3。

　　 深水区底板采用与池壁衬砌分离的形式, 底板平面尺寸62m×22m, 采用天然地基上的现浇钢筋混凝土板结构, 板厚1.5 m。底板中线顶面标高-19.40m, 板面设0.5%的横坡。底板纵向与池壁分缝对齐, 共分为3块, 分块长度17~24m。

　　 浅水池底板同样采用与池壁分离的结构形式, 底板平面尺寸73.7m×13m, 采用桩基上的现浇钢筋混凝土板结构, 板厚1.4 m。底板中轴线处面标高-9.40m, 底板面设0.5%的横坡, 至前趾处底板面标高为-9.45m。底板纵向与池壁分缝对齐, 分块长度为12.5~24.7m。

　　 板下设Φ800钻孔灌注桩, 桩尖分别为-41.0m、-39.0m, 进入 (4) ₁残积粘性土层。

　　 底板沿水池长度、宽度方向设置了不同的分缝形式。底板与衬砌前趾间的纵缝 (沿水池长度方向) 设置为缩缝。分缝上、下两侧顶紧, 中部缝宽20mm, 空隙以橡胶垫填充, 并布设橡胶止水带。

　　 底板分块之间的横缝 (沿水池宽度方向) 设置为胀缝, 缝宽20mm, 中间采用橡胶止水带止水, 表层嵌沥青油膏, 缝间填充沥青木丝板。

　　 胀缝及缩缝设置均具有一定的竖向变形能力, 同时兼作沉降缝。不同分缝结构形式见图4。

　　 武汉地区地下水位较高, 且水池埋深大, 满水工况下, 桩基抗拔可满足设计要求。该水池有定期放空的特殊要求, 在池内水体外排过程中, 水池结构抗浮不能满足设计要求。为保证水池底板结构安全, 需对底板以下的地下水进行减压排水, 故设置减压排水系统。

　　 排水系统主要由排水层、排水管和排水井组成。排水层采用400 mm厚的碎石 (级配d=25~75) , 深水区减压排水管采用DN250钢丝网骨架塑料复合管 (土工反滤布包裹) , 管网间距横向约24 m, 纵向约25m。

　　 管网节点处设置检修井。检修井深约1.6 m, 内轮廓尺寸上部为1 m×1 m, 下部为0.8 m×0.8m。井内设通径150mm的单向阀, 在水池进行排水时, 排水系统将地下渗水通过排水管排出并直接进入集水井, 通过潜水泵排往外场管网。

　　 开挖边坡坡度为1∶1.5, 坡顶设置临时排水沟, 护面采用喷射混凝土结合锚筋拉结, 锚筋采用Φ18mm, 竖向间距为2.0m, 水平间距为2.5m, 单根长度为2.5m, 锚筋端部做弯钩, 钢筋网采用双向Φ6mm钢筋网片, 间距150mm, 喷射混凝土强度等级为C25, 层厚8cm。

　　 基坑开挖过程中, 分层开挖时, (3) ₂粘土段各开挖断面形状应光滑, 不能暴露时间过长, 及时做好坡面保护, 分层喷射混凝土, 分层布设钢筋网。开挖面禁止遭受长时间的曝晒、风干、浸湿或充水。否则, (3) ₂粘土的基坑设计参数的c、φ值大打折扣, 直接影响到基坑稳定和安全。

　　 深、浅水区上部扶壁结构施工完成后, 墙后需采用粘土回填。扶壁结构墙后采用粘土回填, 对于结构防渗有有利作用。

　　 回填宜采用平碾、振动碾, 压实系数λ_c≥0.93。回填施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。一般情况下, 分层铺填厚度可取200~300mm。回填的施工质量检验必须分层进行, 应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。

　　 (1) 本项目科研水池由深水区和浅水区两部分组成。深水区基坑埋深最大达19.4m, 采用格形地连墙作为基坑围护结构;浅水区基坑埋深最大为9.4m, 采用双排桩作为基坑围护结构。

　　 (2) 格形地连墙与双排桩属于半重力式结构, 其在施工期作为基坑围护结构。使用期, 其与混凝土内衬共同受力, 又作为主体结构使用。

　　 (3) 在地层存在膨胀性粘土的情况下, 格形地连墙及双排桩受力状态良好, 施工期间围护墙变形均得到有效控制。深、浅水区底板与衬砌前趾间均设置为缩缝, 底板间横缝设置为胀缝;胀缝及缩缝均具有一定的竖向变形能力, 同时可兼作沉降缝。

　　 (4) 该水池有定期检修及水体放空的特殊要求, 为保证水池结构抗浮稳定性及水池底板结构安全, 底板以下均设置减压排水系统。

　　 (5) 本工程项目所采用的一系列关键技术均得到有效应用, 目前该水池运行状态良好。