郭熙斌

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 工程概況

廬山站位于江西省九江市，是安九高鐵、昌九城際、京九鐵路、武九客專四條鐵路線的交匯樞紐。隨著新建安九高鐵的開工建設，自2020年9月起，廬山站開始了大規(guī)模的擴建改造，改擴建后的站房由東、西站房和跨線高架候車室組成，建筑面積由原來的4 000 m2擴建為60 000 m2，站場規(guī)模為8臺25線。東、西站房為混凝土框架結構，高架候車室為鋼框架組合結構，地下1層、地上2層，局部設有夾層；屋面均為鋼桁架結構。屋面最高點標高為34.90 m，±0.0標高相當于絕對標高31.950 m。圖1為廬山站鳥瞰效果圖。

新建高架候車室的結構柱布置在既有站臺上，由于京九場普速和昌九場城際不具備轉場條件，高架候車室施工過程中1～3站臺之間的正線需要正常運營，站臺上的施工為鄰近營業(yè)線施工。圖2為廬山站場平面圖。

圖2 廬山站場平面

2 地質情況

根據(jù)中鐵第五勘察設計院集團有限公司提供的勘察報告[1]，工程場地勘探范圍內的土層分為第四系全新統(tǒng)人工堆積層()、第四系上更新統(tǒng)沖積層()、志留系中統(tǒng)(S2)三大層，場地范圍未發(fā)現(xiàn)不良地質作用。各土層分布及物理力學性質見表1。

表1 土層分布及主要力學指標

工點范圍地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙孔隙水，水位高程21～28.4 m。受季節(jié)變化影響，水位變動幅度在1～3 m間。

3 高架候車室基礎設計

高架候車室荷載大，穩(wěn)定性要求高，根據(jù)地基承載力和建筑物變形驗算要求，設計采用樁基礎。圖3為高架候車室結構分析模型。

圖3 高架候車室結構分析模型

鉆孔、打樁、壓樁等樁基施工可能破壞既有線地下管線、電纜；鉆機可能發(fā)生傾覆，影響既有線運營；大型設備可能侵入鐵路限界[2]。在滿足營業(yè)線及鄰近營業(yè)線施工安全前提下，綜合地勘條件及沉降控制要求，2、3站臺上高架候車室擬采用挖孔樁基礎，樁端持力層選擇○1523中風化泥質粉砂巖，按嵌巖樁設計，樁基設計等級為甲級。

3.1 初步設計方案

初步設計采用“沉井支護+挖孔樁+承臺”方案(以下稱為方案一)，高架站房鋼管混凝土柱通過多樁聯(lián)合承臺與樁基連接。先施作沉井支護，沉井連續(xù)墻施工完成后，施工挖孔樁和承臺基礎，不破壞既有站臺墻，減小對鄰近到發(fā)線的影響。

按方案一，現(xiàn)場先施工3根試樁。試樁情況如下:人工挖孔樁，樁徑1 000 mm，擴大端直徑2 200 mm，樁長16.0～16.7 m，樁身混凝土標號C40，樁端進入持力層○1523層深度不小于4.0 m；單樁豎向承載力特征值Ra為5 400 kN。

根據(jù)試樁結果，以3站臺為例，共設計挖孔樁36根，樁徑、擴大端直徑及持力層等要求與試樁一致，樁頂標高-6.0 m，有效樁長10～12.5 m；布置有6處6樁聯(lián)合承臺，承臺外圍設置沉井支護，沉井頂標高-1.25 m、底標高-6.10 m。沉井、承臺、樁基及鋼管混凝土柱布置見圖4。

圖4 沉井、承臺、樁基及鋼管混凝土柱典型布置(單位:mm)

3.2 方案優(yōu)化

由于安九高鐵全線開通時間提前，廬山站站改工程施工組織也進行了相應調整，2、3站臺按方案一施工將有大量工作從鄰近營業(yè)線施工被迫改為營業(yè)線施工，進一步增加了施工難度和安全風險。為了加快施工效率，在建設單位主持下，經參建各方現(xiàn)場勘察與協(xié)調，按調整后的施組要求，對2、3站臺基礎設計進行了方案優(yōu)化。

優(yōu)化方案為:取消沉井支護和承臺結構，采用直徑2.5 m以上的大直徑挖孔樁，利用大直徑挖孔樁護壁作為基坑支護，鋼管混凝土柱直接錨入樁內，即樁柱一體化設計(以下稱為方案二)。

3.3 基礎設計

經比較分析，方案二較之方案一施工風險可控、施工效率高、工程造價減少，滿足變更后的施組要求，基礎設計采用方案二實施。

每根柱下設置一根直徑2.8(2.5)m的挖孔樁，樁頂標高-1.25 m，樁長為13～15.5 m；為了滿足鋼管混凝土柱埋入式柱腳的構造要求，樁頂以下5 m樁徑加大為4.0(3.6)m，形成變截面樁，變截面部分樁身可起到類似于樁帽的作用。對承載力要求較大的采用大直徑擴底灌注樁[3]，擴底直徑3.6～3.8 m，擴大段高度1.6～2.0 m。單樁豎向承載力特征值Ra為13 600～22 500 kN，樁身混凝土標號為C35，樁端進入持力層2.5～4.0 m。為防止施工對樁端持力層的擾動破壞，保證持力層的完整性，在樁端處設置底筋[4]，雙向布置φ16＠150。樁身縱剖面見圖5，基礎平面布置見圖6。

圖5 樁身縱剖面

圖6 典型位置基礎平面(單位:mm)

3.4 承載力計算及設計要點

單樁承載力計算包括豎向和水平承載力。本工程挖孔樁樁端支承于中風化泥質粉砂巖，按大直徑嵌巖樁設計。

3.4.1 單樁豎向承載力

單樁豎向承載力特征值Ra應按《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]5.3.9條計算，計算時應注意以下幾點:

(1)樁側阻力按混凝土護壁外直徑計算；擴底樁的擴大部分及其以上兩倍樁徑長度范圍內的樁周側阻力不計。

(2)樁身強度取樁身直徑d進行計算；受壓樁的混凝土抗壓強度應滿足樁基規(guī)范5.8.2條規(guī)定的受壓承載力設計要求。

(3)挖孔樁為大直徑樁，除嵌巖樁的嵌巖段以外，均應考慮尺寸效應系數(shù)。

(4)作用于樁上的荷載按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準組合，進行單樁承載力驗算。

3.4.2 單樁水平承載力

對于單樁水平承載力特征值RHa，根據(jù)樁基規(guī)范第5.7.2條計算，計算時應注意以下幾點:

(1)設計樁徑應取護壁內直徑進行計算。

(2)承受水平荷載的樁應滿足樁基規(guī)范第5.8.10條規(guī)定的受彎和受剪承載力設計要求。

(3)考慮高速鐵路運營影響，參考朱曉偉[6]的試驗研究，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值取12.85 MN/m4。

3.5 護壁設計

大直徑挖孔樁護壁設計是方案二能夠實施的關鍵，利用護壁作為基坑支護能夠滿足鄰近營業(yè)線施工要求。

護壁厚度應按所承受的土壓力及地下水的最大側壓力來確定，護壁承受的環(huán)向壓力σ應滿足:

式中:K為安全系數(shù)，取1.5～2.0，當樁徑大、土質差時應取大值；fc為護壁混凝土軸心抗壓強度設計值，應取護壁拆模時的實際值[7]。

根據(jù)計算，結合《大直徑擴底灌注樁技術規(guī)程》(JGJ/T 225—2010)[8]7.4.7-3條要求，本工程護壁厚度:上口為200 mm，下口為150 mm；在護壁厚度方向配置雙層φ10＠200的環(huán)形和豎向構造鋼筋，豎向鋼筋上下搭接長度為250 mm。護壁及孔頂構造見圖7。

圖7 混凝土護壁及孔頂構造(單位:mm)

為防止護壁脫落，混凝土護壁應按自重小于護壁周圍總側摩阻力來驗算穩(wěn)定性[9]。上節(jié)護壁混凝土強度大于3.0 MPa后，方可進行下節(jié)土方開挖施工。

4 施工常見問題及處理

4.1 鄰近營業(yè)線施工

在鄰近營業(yè)線的站臺上施工時，作業(yè)過程不能影響正線運營。為確保施工期間列車的運營安全，施工過程中按設計要求做好各項監(jiān)測工作，監(jiān)測軌道水平位移、路基沉降、支護結構頂部水平及豎向位移等。根據(jù)監(jiān)測結果及時調整土方開挖順序，合理安排土方開挖速度[10]。

4.2 地下水

按調整后的施組要求，挖孔樁施工安排在當?shù)乜菟竟?jié)(當年11月至第二年3月)實施，以減小地下水對施工的影響。施工過程中地下水水位高程普遍在21 m以下，水量較小，可在分段開挖的同時用潛水泵抽水，搶挖成孔后及時澆筑護壁。降水過程中要做好周圍場地的監(jiān)測工作，避免降水對路基和軌道的影響。

4.3 樁身混凝土澆筑

挖孔樁終孔檢查驗收后，要迅速組織混凝土灌注，避免暴露時間過長發(fā)生意外?；炷翝仓话銘仁┕ぽ^淺的樁孔，后施工較深的樁孔。澆筑樁身混凝土時如遇孔壁滲水，應采用防水材料封閉滲漏部位。

5 檢測與驗收

5.1 樁身完整性檢驗

本工程大直徑嵌巖樁(一柱一樁)設計等級為甲級，每根樁都采用低應變法和鉆芯法兩種方法檢測樁身完整性。鉆芯法與低應變法檢測相互補充、驗證，提高樁身完整性檢測的可靠性。

檢測結果:所有樁均為Ⅰ類樁。

5.2 承載力檢驗

承載力檢驗在樁身完整性檢驗之后進行。按《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106—2014)[11]3.3.4條要求，對于設計等級為甲級的樁基，應采取單樁豎向抗壓靜載試驗進行承載力驗收檢測。

本工程單樁豎向承載力設計值為13 600～22 500 kN，受場地條件和試驗能力限制，目前常用的堆載法和錨樁法單樁靜載荷試驗在本項目上均無法實施；高應變法檢測承載力也不適用于大直徑擴底樁和大直徑灌注樁。設計中曾考慮采用自平衡法，自平衡法需要在樁身平衡點處埋設載荷箱[12]，試驗完成后，內部的荷載箱會打開并將樁體拉斷，雖有注漿法填補荷載箱斷面的做法，但因質量難以控制和檢測，這種檢測方式一般不建議用于設計等級為甲級的工程樁。

嵌巖樁承載力的檢驗，實際上就是檢驗對樁端持力層地基抵抗通過樁身傳遞的上部荷載能力的檢驗，因此，當無法進行靜載試驗時應重點抓住灌注混凝土前對樁端持力層的鑒別[13]。通過對方案一在同條件下1 m直徑試樁的靜載試驗結果分析，本工程挖孔樁持力層鑒別可信度高、地質條件鑒別較簡單、成樁質量容易保證。

工程樁終孔時逐孔迸行了檢查驗收。現(xiàn)場取樣進行飽和單軸抗壓強度試驗，檢測單位提供的《巖石芯樣單軸抗壓強度報告》顯示:樁端持力層巖石飽和單軸抗壓強度標準值(frk)在6.08～7.45 MPa之間，每一個樁孔的frk值均大于地勘提供的3.75 MPa。樁底3 d或5 m深度范圍鉆芯報告顯示，樁端持力層下沒有影響承載力的不良地質。根據(jù)沉降觀測單位于2021年9月(結構已封頂)提供的數(shù)據(jù)，3站臺結構柱最大沉降量為-2.33 mm，沉降差值小于2 mm，均在規(guī)范容許范圍內，遠小于設計限值要求。

6 結束語

(1)對于施工場地受限，大型成孔機械無法進場或不能適用的區(qū)域，挖孔樁仍是一種經濟可行的基礎方案。

(2)直徑2 m以上的大直徑挖孔樁，可以采用多人井下作業(yè)，并輔以小型機械，加快施工效率，節(jié)約工期。

(3)大直徑挖孔樁宜優(yōu)先采用一柱一樁方案，以回避豎向構件轉換所造成的成本上升。

(4)樁柱一體結構設計時，可以利用挖孔樁護壁作為基坑支護工程。

(5)對于端承型大直徑灌注樁的承載力，根據(jù)終孔時樁端持力層巖性報告結合樁身質量檢驗報告核驗的方法是合理和可行的。