论半导体厂房EPC项目的桩基方案选型

论半导体厂房EPC项目的桩基方案选型

陈柏春

中国电子系统工程第四建设有限公司

摘要：本人参与某半导体厂房EPC项目的设计工作，结合多年大型电子厂房的结构设计与现场施工配合的工作经验，其中对电子厂房的桩基础设计有了一定的理解和体会。通常电子类工业厂房的基础部分的费用占比为20%~35%，施工周期占比28~35%。做好电子厂房方案设计阶段的桩基础选型工作，是结构设计的重中之重，在电子厂房的生产建设中至关重要。本文通过对珠海某半导体厂房桩基础选型的方案对比，并进行归纳总结，来探讨下EPC项目投标阶段的桩方案选型。

关键词：电子厂房 EPC项目 桩基设计 桩基比较 经济效益

一、半导体厂房的特点：

作为目前世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业，半导体产业具有技术资金密集、技术进步快和投资风险高，产业链长、带动作用强等特点，对世界经济发展有着强力的驱动作用。

半导体厂房建设是半导体产业链中间区段半导体芯片制造中最重要的一环，同时中国又是半导体需求量最大的单一国家市场，约占全球半导体需求量的22%；但是大量依赖进口，是我们半导体产业一个不争的事实，2022年，我国半导体行业所需晶圆的自给率仅为26%，集成电路的进口额约为42亿美元；贸易逆差约为26亿美元；同时以美国为首发达国家，对我国半导体行业进行的科技封锁，使得这一情况急剧恶化。为促进我国自主半导体技术发展，解决国内半导体供需不平衡的现状，“十四五”期间，国家也推出一系列的政策支持半导体行业的发展。

国内经济的主基调依然是“稳字当头，稳重求进”；住建部《“十四五”工程勘察设计行业发展规划》明确要求绿色化、工业化、数字化转型全面提速，工程总承包、全过程工程咨询、建筑师负责制等新业务模式得到有效推行。工程总承包这一模式被更多的应用在半导体厂房的建设当中。

半导体厂房的特点是固定资产投资高，设备专用性强，产品相对单一，生产经营受下游产品影响巨大。投资此类项目的不确定因素是客观存在的，有些因素的不确定性可能会超出事先的控制，对投资产生较大的风险。因此半导体厂房从规划初期就要求基建速度快，尽可能早的设备搬入，尽早的投产点亮，才能产生最大的经济效益和提高项目的抗风险能力。

而半导体厂房的基础设计作为整个项目基建部分的先锋部队，在厂房的相对短暂的建设周期内显得尤为重要。

二、电子厂房的基础形式选择

半导体厂房通常具备如下几个特点：1、建设面积大，2、使用荷载高，3、生产区域柱跨度大，4、高层建筑。

综上几个特点，半导体厂房的上部结构传至柱底的竖向荷载较大；又因为半导体生产工艺的需要，对柱与柱 之间、建筑物与建筑物之间的沉降控制方面有要求极高；因此一般基础设计选型均采用桩基础。桩端采用相同坚硬的土层作为桩端持力层，这样首先可以保证持力层满足柱底竖向内力的承载要求，还能有效的控制不均匀沉降。

当建筑采用桩基础时，基础部分的造价在整体厂房建设成本中占有很大比例，如何合理选择合适的桩基础形式，对于保证安全，节约投资，降低造价起着举足轻重的作用。但是因项目承包模式的不同、所处地理位置的不同，桩基选择的形式也多种多样，这就要求设计人员需要认真结合地勘报告和当地常用做法进行具体分析，通过对经济性、可施工性的合理分析比较，选用最优的基础方案。下面通过对近期某个半导体厂房（工程总承包EPC项目）的设计实例，来比较和总结下桩基选型过程中方法和需注意的问题。

三、工程实例

（一）工程概况

项目为12英寸显示驱动高端定制晶圆生产线项目，位于广东省珠海市某区，项目占地面积：350.18亩，总项目投资200亿元，主要产品：12英寸晶圆（由55纳米向28纳米迭代）。项目内单体包括生产厂房、综合动力站、研发试验楼、废水处理站、仓库（甲、乙、丙类）、大宗气站、硅烷站、水池及泵房、化学品供应站、特气站、门卫等配套设施。

（二）工程环境

    其中生产厂房的结构设计使用年限为50年，结构的安全等级为乙级，地基基础设计等级为乙级，建筑的抗震设防烈度为7度（设计基本加速度0.1g，地震分组为第一组）。

（三）地质概况

拟建场地地基土构成层序自上而下为：

<1-1>层素填土(Qml)：人工回填形成，黄褐色，稍密，稍湿，主要有粉质黏土组成、砂土组成，含少量砖块、碎石及圆砾。。

<1-2>层粉细砂(Qml)：早期填海造陆吹填形成，灰黑色，饱和，松散，颗粒成分主要为石英、长石，级配一般，含较多粉黏粒。

<1-3>层杂填土(Qml)：先期施工临建时预处理形成，成分杂乱且无序回填，杂色，松散，稍湿，主要有碎石、砖块等组成，含较多粉黏粒。

<1-4>层碎石：先期施工临建时预处理的抛石挤淤层，杂色，松散，稍湿，主要有碎石组成，含粉质黏土、砖块。

<2-1>层淤泥(Q4mc)：灰色、灰黑色，软塑，局部地段呈流塑状态，不规律夹粉砂薄层、淤泥质黏土夹层，切面粗糙，干强度低，韧性低，易污手，有腐味。

<2-1-4>层粉细砂(Q4mc)：黑灰色，稍湿，稍密，粒径不均匀，主要矿物成分为石英，土质不均，含黏粒。

<2-1-a>层淤泥质黏土(Q4mc)：该层是由于拟建场地前期在筑路、排水设施施工时对场地内浅层分布的淤泥进行了预处理而形成的，灰色、灰黑色，软塑-可塑，不规律夹粉砂薄层，切面粗糙，干强度低，韧性低，易污手，有腐味，含腐殖质。

<2-2>层淤泥质黏土(Q4mc)：灰黑色、黑色，软塑-可塑，含有机质，稍光滑，不规律夹粉砂薄层、淤泥夹层，干强度低、韧性中等，含腐殖质。

<3-1>层粉质黏土(Q4al+pl)：黄褐色间灰白色，可塑，土质不均匀，含中粗砂颗粒。

<3-2>层淤泥质粉质黏土(Q4al+pl)：黑灰色，可塑，土质不均匀，含中粗砂颗粒，局部夹砂土薄层。

<3-3>层粗砾砂(Q4al+pl)：黄褐色、灰白色，饱和，稍密~密实，粒径不均匀，主要由矿物成分为石英。

<3-4>层粉细砂(Q4al+pl)：灰白、褐黄色，稍湿，中密~密实，粒径不均匀，主要矿物成分为石英，土质不均，含黏粒。

<4-1>层砂质黏性土(Qel)：灰褐色、灰白色，稍密~密实，成分主要以黏性土为主，含风化岩碎石块，遇水软化，局部夹中砂、粉砂夹层。

<4-2>层粉质黏土(Qel)：灰褐色，硬塑，成分主要以黏性土为主，含风化岩碎石块，遇水软化。

<5>层全风化花岗岩：褐黄色，岩石风化强烈，岩芯呈坚硬土状，原岩结构尚可辨认，遇水软化。

<6>层强风化花岗岩：褐黄色，岩石风化强烈，岩芯呈半岩半土状，手折易断，遇水崩解。

<7>层中等风化花岗岩：灰白色、肉红色，粗粒结构，块状构造，节理裂隙较发育，裂隙面可见铁质渲染，岩芯较破碎~较完整。

图一 建筑剖面与土层剖面示意图

桩基设计参数建议值一览表

注：1、qsik——桩的极限侧阻力标准值；qpk——桩的极限端阻力标准值；

qsa——桩周土摩阻力特征值；qpa——桩端土承载力特征值。

（四）桩基比较

本项目由于工程进场前，政府对全场范围内深度0~10米的回填土进行了真空预压处理，处理后其承载力特征值和压缩模量，基本满足后期桩基进场后的施工条件。然后根据地勘报告，结合当地桩基础的适用类型，总结出本项目可采用桩基础类型有预应力管桩、灌注桩两种桩型。再通过同一桩型下，根据上部结构的特点，通过对桩的施工方式、性能和经济效应等方面的比较分析，抽丝剥茧层层递进，来判断选择出合理的桩直径，最终确定桩基础设计方案。

1.从桩的施工方式方面进行比较：

主要从两种桩型的桩身质量，桩的施工难度，结合现场环境和工程进度来进行比较，长螺旋钻孔灌注桩优于其它两种桩型。详见表一。

表一

注释：●●●: 好●●: 一般●: 不好

半导体厂房由于其生产的特殊性，机电专业的各种管道、桥架像一个人身体内的血管一下遍布全场，并通过管廊、管架等构筑物与各主要建筑相连，这些管道内承载的是半导体晶圆生产所需的全部动力资源，如果这些管道出现断裂、渗漏等问题，将对全厂生产带来严重的影响甚至引发严重事故。因此，建筑物与建筑物、建筑物与构筑物之间的变形缝处的沉降差控制，在本项目中尤为重要。

通过分析地勘报告中各层土的性能后，最终将本项目桩端持力层定为<7>层中风化花岗岩，从成桩工艺和施工方法，预应力管桩很难满足要求，故本项目选用灌注桩。

2.针对灌注桩，各桩径方案的经济性比较：

本节主要是从地勘报告的土层分布结合上部结构微震柱方案，对桩基方案的济性进行分析。详见表二。

表二

3.各桩径方案现场管理方面难度对比：

本节主要是从灌注桩的进度、质量和施工难度方面，对三种桩基方案进行进行分析，详见表三。

表三

4、各桩径方案环境、材料及风险方面比较

本节主要是从现场环境、材料供应、桩基检测以及风险分析等几方面，进行对比，详见表四。  

表四

四、结论

根据以上两个实例分析，我们总结出面板厂房的桩基础设计时需注意以下几个方面：

1. 沉降差控制的影响

半导体厂房设计的中心就是确保最终的生产，沉降差控制确定桩端持力层，才能确保所有建筑单体的桩基础置于同一坚硬土层，确保本项目各建筑单体不会出现不均匀沉降导致的一系列严重后果。

2. 上部结构选型对桩基方案的影响

半导体厂房因为其生产的特殊性，其使用的设备均为高精尖端设备，设备对生产环境除了洁净、温湿度等要求外，还有一个重要的要求就是防微震要求，本项目的前期防微震报告中并未给出具体的方案，这样就要求结构专业工程师要有能力根据不同防微震方案，通过全方位综合评估确定最终的桩基础方案。

3. 负摩阻力的影响

负摩阻力为桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用而产生的大于桩基的沉降所引起的对桩表面的向下的摩阻力。在工程设计中应考虑负摩阻力的影响。由于半导体厂房的面积比较大，且表层填土均为新近填土，同时政府移交场地之前的回填工作并未按照结构设计要求的压实系数进行施工，交地时地表回填土未经分层碾压处理，或者填土为杂填土，再加上原有地貌上的沟，塘的不利因素，因此负摩阻力的影响不能忽视。半导体厂房设计，通常针对此区域都会进行回填土处理，处理方式包括强夯、换填或者真空预压等等；通过回填土处理，不仅可以在设计时取消负摩阻力对桩身的影响，也会为桩基础的施工提供有利的施工环境，同时也为后续室外地下构筑物的施工工程提供保障，间接加快桩基的施工效率，节约工期。

4. 合理的桩径选择和桩位布置

半导体厂房的核心生产区柱底传给基础的内力比较大，相对承台桩的数量也会很多。对于20根左右的承台桩来说，桩基选型是否合理需考虑上部承台的尺寸。而承台的尺寸受到桩径、桩间距的影响，所以桩基选型时应尽量采用小直径，桩间距按规范最小要求进行控制，只有这样，承台尺寸才能做到经济合理，也会避免因承台过大而被迫做成多柱联合承台，而承台加大也变相会增加承台下桩的数量，产生恶性循环。

5. 重视试桩的有利影响，尤其是基础设计前的试桩

电子厂房因为工期紧张，桩基数量大，设计前除了仔细研究地勘报告和归纳周边项目的基础类型外，还应注重试桩的结果判断。试桩的结论是对设计桩型的现场检验，不仅可以验证选择桩型的施工可行性和工效，而且还能根据试桩结论判断地勘报告提供的土层和桩基设计参数的准确性。为桩基大面积顺利施工打下良好的基础。

6. 桩基形式的综合选择

电子厂房因为工期紧张，桩基数量大，设计前应仔细研究地勘报告和收集整理相似项目的设计图纸。根据不同项目业主的实际需求，合理判断桩基设计应侧重于本身的经济效益还是施工周期。应优先考虑桩基的经济效应的同时，也应重视桩基的施工效率，只有两者结合，才能选择出适合的桩基类型。应把业主的需求要素放在第一位，同时兼顾其他。只有这样，才能得到业主的认可。

7. 工程总承包项目模式中设计方案确认的探讨

半导体厂房因为工期紧张，桩基数量大，在EPC团队的设计工作开始前，设计经理应组织团队仔细研究地勘报告和收集整理相似项目的设计文件，组织施工经理、采购经理、商务经理各维度共同参与设计方案的确定。本项目桩基方案比较的四个部分，其中第一部分由设计团队和施工团队共同完成；第二部分由商务团队和设计团队共同完成；第三部分由设计团队和施工团队共同完成，第四部分由的设计团队与采购团队共同完成。根据不同项目业主的实际需求，项目各团队同一目标，通力协作，合理判断桩基设计应侧重于本身的经济效益还是施工周期。应优先考虑桩基的经济效应的同时，也应重视桩基的施工效率，选择出适合本项目的桩基类型。应把业主的需求要素放在第一位，同时兼顾其他。只有这样，才能得到业主的认可。

综上所述，半导体厂房的基础设计，尤其是桩基础的设计选型是一门学问，这考验的是设计师的专业能力和协同能力，考验的是设计师智商和情商。俗话说，好的开始是成功的一半，只有先打好半导体厂房基础设计这一仗，才能为后续项目持续稳定的推进，创造有利的条件，从而为最终的设备搬入并点亮投产打下坚实的基础，才能为业主创造更大的经济效益。

参考文献：

    [1] 黄熙龄,滕延京,王曙光等.(GB 50007－2011) 《建筑地基基础设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社,2011

[2]黄强,高文生,刘金波等.(JGJ94-2008) 《建筑桩基技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社,2008

[3]滕延京,张永钧,闫明礼等.(JGJ 79—2012) 《建筑地基处理技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社,2012

[4]史佩栋,高大钊,朱合华等. 《桩基工程手册》.北京：人民交通出版社,2008

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