呂寶偉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司 城交分院，天津 300251)

1 工程概況

1．1 設計概述

天津機場交通中心工程主體為地下單層及雙層多跨框架結構，雙層結構標準底板埋深為22．36 m;單層多跨框架結構底板埋深為12．65 m。結構平剖面圖見圖1、圖2。

圖1 結構平面圖(單位:mm)

為確保施工安全、環(huán)境安全，不影響周邊既有設施的正常運營，并將施工對環(huán)境影響程度降低到最小，影響時間降低到最短，主體結構采用蓋挖逆作法施工，圍護結構采用剛度大止水效果好的地下連續(xù)墻，中間樁柱采用鋼管混凝土柱下設置鉆孔灌注樁基礎，樁柱一次施工完成，地下二層設置一道臨時鋼筋混凝土支撐。

1．2 工程及水文地質條件

本工程地基土在110 m 深度范圍內均為第四紀松散沉積物，主要由飽和粘性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布的特點。潛水含水層主要為全新統中組海相層⑥層及其以上土層，靜止水位埋深一般0．50 ～4．90 m。工程及水文地質具有以下特點:

(1)淺部填土局部厚度較大，最厚處約5．3 m。

(2)⑥2淤泥質粉質粘土層分布不連續(xù)，厚度不均勻，最厚處達5．2 m。

(3)土質不均勻，特別是⑥4層，局部砂性大。

(4)自上而下分布多層承壓含水層，⑧2為第一層承壓水;⑨2為第二層承壓水;(11)2、(11)4、(12)2、(13)1夾和(13)2為第三層承壓水;(14)2為第四層承壓水。

地質勘察資料揭示，本工程場地主要為飽和的粘土、粉土和粉砂，適宜采用鉆孔樁。各土層鉆孔灌注樁樁基設計參數如下:

圖2 結構剖面圖(單位:mm)

樁側土的極限側摩阻力標準值qsik:粘土38 ～74 kPa，粉(細)砂55 ～70 kPa。

樁端土的極限端阻力標準值qpk:粘土550 ～780 kPa，粉(細)砂900 ～1 150 kPa。

2 豎向支撐系統設計需要解決的關鍵問題

本工程的豎向支撐系統包括地下連續(xù)墻和中間樁柱，均兼有臨時結構和永久結構的雙重功能。地下連續(xù)墻既是施工期間基坑的圍護結構和豎向支撐結構，又是使用期間的抗浮結構;中間樁柱施工期間承受著由層逆作結構板傳遞的豎向載荷，而且在使用階段作為工程永久抗浮結構和框架結構永久立柱。永臨結合的豎向支撐系統不僅簡化了施工程序，也降低工程造價，但由于在整個蓋挖逆作法施工過程中，結構型式和受力狀態(tài)都在不斷變化，其受力遠比順作法施工的結構復雜，在軟弱富水地層中的蓋挖逆作法工程施工過程中，豎向支撐結構可能產生的沉降量尤其是差異沉降，會對上部結構受力造成不利影響。因此在設計施工過程中，確保豎向承載力滿足結構受力需要、將隆起沉降量尤其是差異隆起沉降量控制在結構變形允許的范圍之內，是豎向支撐系統設計需要解決的關鍵問題。

3 主要設計技術

3．1 豎向支撐系統承載力計算分析

選用大型數值模擬軟件MADIS GEN 按實際施工步驟進行整體三維數值模擬分析，采用荷載-結構模型，考慮連續(xù)墻與主體結構共同受力，結構為彈性地基上的平面框架;計算模型模擬施工步序，按先施作頂板再分層蓋挖逆作各層結構板進行分步計算，采取增量法計算內力累加的原則進行計算，并提取全過程中地下連續(xù)墻和中間樁柱最大的抗壓和抗拔荷載，模型中工程樁采用豎向彈簧模擬彈簧剛度根據本地區(qū)同類工程類比取為1．2 ×109N/m本文以該工程第三標段為例進行分析，結構三維數值模型詳見圖3。

圖3 三維數值模型圖

根據三維數值模型計算結果，提取豎向支撐系統承載力設計值，詳見表2、表3。

表2 工程樁豎向承載力設計值 kN

表3 地下連續(xù)墻豎向承載力設計值 kN

模型計算結果表明:在結構封底前，豎向荷載都將通過地下連續(xù)墻及工程樁傳給地基，此時工程樁及地下連續(xù)墻主要受力狀態(tài)為抗壓。結構封底后，隨著地下水位的恢復，向上的水浮力增加并超過向下的各層結構板傳遞的豎向荷載，此時工程樁及地下連續(xù)墻主要受力狀態(tài)由抗壓轉為抗拔。設計過程中需對工程樁及地下連續(xù)墻在抗壓及抗拔狀態(tài)的承載力分別進行計算，并采取相應的控制措施，以確保受力需要和結構安全。

3．2 鉆孔灌注樁承載力計算

鉆孔灌注樁大直徑樁單樁極限抗壓承載力標準值Quk和極限抗拔承載力Tuk分別為

式中，Qgsk為總極限側阻力標準值;Qgpk為總極限端阻力標準值;u 為樁身周長;li為樁周第i 層土的厚度;Ap為樁端面積;λi為抗拔系數;qsik為樁側第i 層土極限側阻力標準值;qpk為初始極限端阻力標準值;ψsi，ψp分別為大直徑樁側阻力，端阻力尺寸效應系數;βsiβp分別為后注漿側阻力，端阻力增強系數［7］。

3．3 地下連續(xù)墻的豎向極限承載力計算

作為基坑的圍護結構地下連續(xù)墻的作用主要為截斷地下水為基坑開挖創(chuàng)造條件，承受水平側向的土壓力、水壓力及地面荷載引起的附加荷載，此時地下連續(xù)墻應滿足強度和變形要求，本文不再贅述。

地下連續(xù)墻側壁及墻底也可提供豎向承載力，包括側摩阻力及端阻力，若合理地利用其豎向承載力，可使基礎設計更加經濟［4］。地下連續(xù)墻的豎向極限承載力P 可由下式表達

式中，F，R 分別為墻側壁摩阻力及墻底端阻力。側壁摩阻力F 按經驗參數確定

式中，qsi為墻側土極限摩阻力標準值。

端阻力可按有關的深基礎理論公式計算，還可近似地按樁端承載力估算，即

式中，qp為墻底土極限端阻力標準值;B，L 分別為地下墻的寬度及長度［4］。

由于工程樁豎向承載力較大，并且本工程所在的軟弱地層提供的極限側阻力較小，若采用直樁方案，經計算，工程樁最大鉆孔深度達到100 m 以上，工程樁整體均偏長給施工帶來極大困難，工程造價也較高，必須采取改善措施。

4 改善承載力及控制隆起沉降措施

4．1 鉆孔灌注樁構造措施

工程樁的極限承載力主要受樁身強度、樁周土層的物理力學性質以及樁土接觸面的幾何特性三方面影響。隨著工程樁鋼筋混凝土質量和強度的不斷提高，樁身強度已不是控制樁基強度的主要因素。提高樁基的極限承載力主要為提高樁周土力學性質和改善樁土接觸面幾何特性，提高樁周土力學性質常用的方法為樁側和樁端后注漿技術，改善樁土接觸面幾何特性主要為改變樁體形狀，如擠擴支盤和旋挖擴孔等方法。本工程所有工程樁均采用樁側和樁端注漿的方法，在3 號、4 號和5 號工程樁樁身設置兩個擴大頭，工程樁直徑2 200 mm，擴頭直徑3 200 mm。

4．2 鉆孔灌注樁承載力實驗結果分析

根據《建筑樁基檢測技術規(guī)范》(JGJ106—2003)的有關規(guī)定，對工程樁進行了單樁豎向抗壓靜荷載試驗。2 號樁樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗采用壓重平臺反力裝置，即由壓重平臺提供反力通過試樁鋼梁及6臺500 t 并聯液壓千斤頂對試樁進行豎向抗壓荷載試驗，試驗采用靜載荷測試儀，采用壓力傳感器直接測定壓力。4 號樁抗拔試驗采用自平衡法進行。

為精確測定試樁樁周各土層側摩阻力和樁尖阻力，在樁鋼筋籠綁扎后固定振弦式傳感器于鋼筋籠上，留出足夠長度的線頭與振弦式傳感器讀數儀連接，靜載試驗時進行樁身內力測試。

實驗結果表明，樁側注漿使各土層極限承載力均得到了加大的提高，對于粘性土，側阻力增強系數為1．38 ～1．74，砂性土側阻力增強系數為1．42 ～1．95，并且隨著土層埋深的增加，側阻力增強系數呈逐漸增大趨勢;樁端土的極限端阻力增強系數為2．002。因此，樁側和樁端注漿對提高樁的極限承載力有明顯的積極作用。

在樁身和樁端設置的擴大頭提供的抗拔力與總抗拔力比值約為40%，而擴頭的側面積與樁身側面積的比值約為8%，因此擴大頭對提高樁的抗拔能力具有明顯效果。

4．3 地下連續(xù)墻構造措施

為了控制地下連續(xù)墻的豎向沉降量，以提高地下墻的豎向承載力，在每幅地下墻中設置二根Φ48 墻趾注漿管，對墻底土體進行注漿加固，減少墻體垂直沉降。結合注漿試驗，墻趾注漿采用雙控原則，既每根注漿管最大注漿量不大于2 m3且終止注漿壓力不小于1 MPa(3 min)。

經計算，圍護結構功能控制地下連續(xù)墻嵌入深度，故未對地下連續(xù)墻豎向承載力進行現場試驗，根據類比鉆孔灌注樁樁端注漿試驗結果，可以定性判斷墻趾注漿對地下連續(xù)墻豎向承載力有一定提高。

5 變形沉降分析

本工程施工過程中，對典型斷面的地下連續(xù)墻及中間樁柱進行了沉降觀測點布設，并全程對沉降觀測點進行監(jiān)測，地下連續(xù)墻墻體水平位移曲線圖、地下連續(xù)墻頂隆起沉降曲線圖及中間樁柱頂隆起沉降曲線圖詳見圖4、圖5。監(jiān)測結果表明:

圖4 地下連續(xù)墻墻體水平位移曲線圖

圖5 地下連續(xù)墻頂隆起沉降曲線圖

(1)隨著基坑土方開挖卸載，地下連續(xù)墻水平位移趨勢為向基坑內側，最大水平位移為15 mm。

(2)施工期間地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降量較大，最大達33 mm，隆起為主要趨勢。

(3)土體開挖后地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降量增加明顯，隨著各層結構板施工完成，地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降趨于穩(wěn)定。

(4)本著平衡對稱開挖原則，地下連續(xù)墻與中間樁柱隆起沉降量差異值較小，相鄰地下連續(xù)墻與中間樁柱差異沉降與距離比值均小于1/1 000。

6 結束語

豎向支撐系統是蓋挖逆作法的關鍵構件。目前，該工程主體結構已完成施工，筆者認為，在豎向支撐系統的設置中需要解決以下幾個關鍵技術問題:

(1)無論現場原位靜力試驗和室內模型試驗都證明，樁側和樁端注漿及樁底擴頭后對樁豎向承載能力的提高是顯著的，應優(yōu)先采用擴底樁結合樁側和樁端注漿的方法，不得已時可增加樁長。軟弱富水地層中的粉土、粉砂等土層承載力較高，但樁的擴頭施工時易出現塌孔等問題，應采用有針對性的施工機械和先進的施工工藝。

(2)豎向支撐系統的承載力關鍵問題是沉降控制標準問題，取決于地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的允許沉降量，尤其是差異沉降量。這個問題不僅涉及地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的沉降規(guī)律，而且與地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的位移、樁墻之間的位移協調以及框架結構抵抗不均勻下沉的能力有關。現有各種承載能力的計算公式，并沒有與受載后樁本身的下沉量聯系起來，因此問題的最終解決，應是在對樁現場原位靜力試驗的基礎上，對以上各種因素進行綜合優(yōu)化，并在結構模擬計算過程中考慮差異沉降影響，采取相應的結構措施。

(3)應優(yōu)先考慮永久柱與臨時柱結合的方案。一般來說，按這種思路設計較為經濟，而且結構的受力和變形狀況也較為明確。

圖6 中間樁柱頂隆起沉降曲線圖

［1］施仲衡．地下鐵道設計與施工［M］．西安:陜西科學技術出版社，2002．

［2］JGJ94—2008 建筑樁基技術規(guī)范［S］．

［3］GB50157—2003 地鐵設計規(guī)范［S］．

［4］劉昌輝，時紅蓮．基礎工程學［M］．武漢:中國地質大學出版社，2005．

［5］蔡紹懷．現代鋼管混凝土結構(修訂版)［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［6］夏明耀 曾進倫．地下工程設計施工手冊［M］．北京:中國建筑出版社，1999．

［7］JGJ94—2008 建筑樁基技術規(guī)范［S］．2008．