武汉天河国际机场T3航站楼由主楼、指廊、登机桥及T2-T3连廊等建筑组成 ^[1,2]。各建筑区域的结构特点、地下情况、基础形式、基底标高不尽相同,与北京新机场 ^[3]情况类似。城铁地铁隧道、过境公路隧道下穿T3航站楼主楼,与T3航站楼结构脱开设计。城铁地铁隧道结构与T3航站楼基础交叉施工,形成共建区域,设计与施工难度大。

　　 T3航站楼主楼下设有一层地下室,南北两侧局部设两层地下室与地下停车楼和空侧捷运相接。地下二层结构面标高为-12.600～-10.300m,地下一层结构面标高为-9.800～-5.500m。T2-T3连廊与既有T2制冷站和T2航站楼相接,下方有须保留的T2制冷站管廊等既有结构穿过,连廊基础采用架越方式。

　　 本文拟从工程地质条件、基础选型、试验桩设计、工程桩设计与选型、桩基设计与施工重难点、工程桩施工和验收等方面进行分析。

　　 本工程地势略有起伏,西高东低,地面高程在27.34～39.64m之间,地貌上属长江Ⅲ级阶地低垄岗地区。以机场中轴线为界,西部主要为现有建筑区,东部为荒草地、农田和林地。

　　 根据勘察资料,在该场地勘探深度103.4m范围内,所分布的地层除表层分布有①_-1杂填土层、①_-2素填土(Q^ml)层外,其余土层均为第四系全新统冲洪积成因(Q₄^al+pl,航站楼下该土层缺失,周边有该土层)一般黏性土及第四系中下更新统冲洪积成因(Q₁^al+pl,Q₂^al+pl)的黏性土、黏性夹碎石及含黏性土中粗砂夹砾卵石,下伏基岩为下第三系～白垩系(K～E)泥质粉砂岩,地层编号采用机场三期勘察统一地层编号,本地段缺失部分土层。典型地层剖面见图1。主要土层物理力学性能指标及桩基设计参数见表1。

　　 本工程地下情况复杂,各区基底标高深浅不一,最深处为地下室中部轨道交通下穿区域,深近20m。根据场区地质情况、T3航站楼荷载分布情况和地下结构下穿情况,基础形式以桩基为主,局部区域采用天然地基浅基础。基础类型分布见图2。

　　 本工程约500m长的地下室为避免后期出现渗漏未分缝,仅沿纵横向适当位置设置诱导缝与后浇带。从轨道交通下穿、尽量减小结构变形和沉降差、地下室抗浮设计等多方面综合考虑,整个地下室范围均采用桩基础,桩端持力层为⑦_-2含粉质黏土、砾卵石中粗砂层。

　　 受下穿公路隧道、下穿管廊影响以及因填土厚度较大而导致⑥_-1层层面较深的非地下室区域也采用桩基础,桩端持力层为⑦_-1含中细砂粉质黏土层或⑦_-2含粉质黏土、砾卵石中粗砂层。天然基础仅用于荷载较小、地下情况相对单纯的连廊区域,持力层为⑥_-1黏土层。

　　 根据勘察报告,桩型采用钻孔灌注桩。T3航站楼各区域楼层层数和柱网间距不一,柱底内力差异较大,通过初步计算分析,分三个区域进行试验桩工程。荷载最大的地下室区域采用直径1m的桩,荷载最小的登机桥和冷却塔水泵房采用直径0.6m的桩,其他区域采用直径0.8m的桩。试验桩工程的重点是地下室范围,为合理确定桩型,进行了多桩型的试桩。该范围的试桩为第一批试验桩,先期施工,为整个T3航站楼的桩型选择提供依据。

　　 地下室范围的抗压试桩选择了三种不同形式的直径1m的钻孔灌注桩:桩端桩侧注浆钻孔灌注桩、普通钻孔灌注桩和DX挤扩灌注桩 ^[4,5,6]。桩端桩侧注浆钻孔灌注桩的桩侧注浆管设一道,设在桩底标高以上12m,每道注浆量0.8t,桩端注浆量1.8t;DX挤扩灌注桩设有两个承力盘,盘径均为2m,分别设置在桩底标高以上5m和桩底标高以上12m,承力盘分布在⑦_-1含中细砂粉质黏土层或⑦_-2含粉质黏土、砾卵石中粗砂层,根据地层实际情况,承力盘位置可做适当调整,承力盘在持力层中的分布图见图3,其受力示意图和挤扩设备见图4。

　　 试验桩设有5组,每组3根,共15根。桩端持力层均为⑦_-2含粉质黏土、砾卵石中粗砂层。地下室范围分两个区域进行试验桩工程,试验桩设计参数见表2。表2中普通桩、压浆桩和挤扩桩分别指普通钻孔灌注桩、桩端桩侧注浆钻孔灌注桩和DX挤扩钻孔灌注桩。

　　 地下室范围试验桩主要检测成果汇总见表3。共建区域和其他区域试验桩的荷载-沉降(Q-s)曲线见图5。

　　 根据试桩报告,三种试验桩均未破坏。三种试验桩各自分区域的平均沉降、最大沉降、最小沉降和三种试验桩各自在整个场地的平均沉降、最大沉降、最小沉降见表4。

　　 根据地下室范围试验桩结果可知:1)所有试验桩单桩极限承载力均大于20 000kN,三种桩都能满足设计要求。2)部分压浆桩和所有挤扩桩试验桩的沉渣厚度超过100mm,超出设计要求。根据施工记录,15根试验桩分两次施工,沉渣厚度不超过100mm的6根试验桩先行施工,采用的反循环清孔工艺;其他试验桩后施工,改变了清孔工艺,沉渣厚度超过了100mm,导致共建区域试桩沉降普遍偏大,使得公建区的压浆桩沉降甚至超过了其他区域的普通桩。由此可见,采用反循环清孔工艺清孔更彻底,同时也能更有效地控制沉降。3)共建区域仅做了压浆桩和挤扩桩两种试桩,挤扩桩沉降平均值和最大值比压浆桩小;其他区域试验桩沉降平均值和最大值,挤扩桩最小,压浆桩其次,普通桩最大。4)根据沉降结果,共建区域的两组6根双套筒试桩,外筒与内筒没有完全脱开,外筒分担了一定的竖向力。

　　 根据地下室范围三种试验桩结果,三种桩都能满足设计要求。压浆桩和普通桩是武汉市的常用桩型,但普通桩的单桩承载力受沉渣厚度的影响最大,单桩承载力较高时不宜采用。挤扩桩沉降最小,桩长最短,比其他桩型平均短8m左右,具有明显的优势。经测算,采用挤扩桩作为T3航站楼工程桩相对于压浆桩造价要节约10%,且挤扩桩因承力盘的作用,桩端受力比重较小,沉渣厚度对单桩承载力的影响也要小得多。

　　 综上,T3航站楼桩基础设计选型分为两种情况:1)共建区域桩基选型,共建区域因其重要性和复杂性,工程桩采用桩端桩侧注浆钻孔灌注桩,并适当调整有效桩长为40m;2)其他区域桩基选型,DX挤扩钻孔灌注桩、桩端桩侧注浆钻孔灌注桩和普通钻孔灌注桩结合选用。

　　 主楼范围和东二指廊采用直径1m和0.8m的挤扩钻孔灌注桩,主楼地下室范围局部需要设置直径1m的抗拔桩;T2-T3连廊采用直径1m和0.8m的后注浆钻孔灌注桩;登机桥对单桩承载力要求低,冷却塔水泵房以抗拔为主,采用直径0.6m的普通钻孔灌注桩。但DX挤扩钻孔灌注桩在武汉市系初期使用,其在本场地的适应性还需进一步验证,在施工、检测和验收方面的问题需考虑周全并符合武汉市管理规定。

　　 根据各区域的工程桩桩基选型,首先进行第二批试验桩设计,试验桩设计参数见表5。

　　 航站楼整个场地是东低西高,东区位于填方区,西区位于挖方区。挤扩桩在武汉地区是新型桩,为探究该桩型在本场地各区域的适应性,主楼地下室外东西区各设三根直径0.8m的试验桩。T2-T3连廊地下情况复杂,设三根直径0.8m的压浆桩为试验桩。

　　 挤扩桩试验桩采用旋挖钻机施工,成孔、扩盘都很顺利,清孔采用反气举循环清孔工艺,并用盘径检测仪对扩盘尺寸进行了检测,与设计尺寸吻合,土层稳定,初步验证了该桩型在本场地的适应性良好。挤扩桩盘径检测现场见图6。

　　 从试桩结果资料看,挤扩桩西区试验桩的沉降比东区小,也比同位于西区的压浆试验桩沉降小。各桩型的试验结果均满足设计要求。

　　 根据航站楼各桩型的试验桩记录,制定工程桩的施工工艺和施工质量控制措施。工程桩采用高质量泥浆护壁,在灌注混凝土前必须进行沉渣厚度检测并进行二次清孔,采用气举反循环进行二次清孔,确保沉渣厚度满足设计要求。对DX挤扩钻孔灌注桩,应增加承力盘尺寸检测,确定承力盘土层是否塌陷,确保挤扩桩的质量要求。

　　 依据各区试桩成果结合地勘资料,设计最长有效桩长不超过40m,最终确定各建筑区域桩型和设计参数,详见表6。

　　 为控制差异沉降、减小地下室底板配筋,通过基于变刚度调平理论进行工程桩设计,有效桩长从主楼中部城铁地铁影响区域40m长向两边逐渐减短为37,32,27,23m,桩基平面布置见图7。

　　 整个T3航站楼的工程桩共计3 866根,其中新桩型DX挤桩钻孔灌注桩3 000根,占总桩数的近80%。该桩型在保证结构安全的前提下,将桩长由30～40m减短至23～32m,节约材料用量约15%～20%,同时加快了施工进度。

　　 挤扩桩主要从成孔、挤扩成盘和清孔三方面进行施工质量控制。

　　 根据入持力层深度和最小有效桩长确定孔深,成孔过程中用测斜仪控制成孔垂直度,用井径仪或超声波孔壁测定仪检测孔径,确保成孔质量满足要求。

　　 成孔验收合格后方可将挤扩机吊入孔底,挤扩盘工作按弓臂宽度算出挤扩次数,成盘过程中注意观察挤扩液压变化,详细记录压力值及挤扩时间,并测量泥浆液面落差。每盘成型后,及时补充泥浆,以维持水头压力。成盘时,若遇地质条件复杂多变,及时上报并做好施工记录。成盘后用挤扩桩专用支盘检测仪进行盘径检测,确保盘径、孔径不小于设计值。

　　 根据前期试桩清孔工艺效果比较,工程桩采用反循环清孔工艺。挤扩桩在钻进深度达到终孔深度后进行第一次清孔,在挤扩成盘后进行第二次清孔,在放钢筋笼前进行第三次清孔,确保最终沉渣厚度不超过50mm。

　　 本工程的所有工程桩均进行了成孔质量检测,且挤扩桩增加了盘径检测环节。检测结果表明,工程桩的施工质量良好,挤扩桩成盘效果较好,满足设计要求。挤扩灌注桩成孔质量检测曲线见图8。

　　 T3航站楼中部地下室以下有3条汉孝城际铁路隧道、2条武汉地铁隧道沿南北主轴线横向穿过(图9),其中汉孝城际铁路以时速200km/h正线通过,并在T3航站楼紧邻的交通中心设立站点,使T3航站楼与城铁、地铁交通实现无缝对接,形成综合交通枢纽。城铁地铁隧道下穿区域为共建区域,设计时重点对该区域进行了相关设计与研究工作。

　　 武汉天河国际机场场区的轨道交通振动影响评估由业主委托武汉理工大学完成。该专项研究对不同结构方案时,城铁地铁运营导致的T3航站楼振动及二次噪声进行了计算分析。根据敏感点环境振动预测结果,城际铁路与地铁运营期的合成振动值为71.7dB,城际铁路与地铁运营引起的T3航站楼的二次结构噪声合成值为39.65dB(A),均在相关规范允许限值之内 ^[2]。

　　 根据轨道交通振动影响评估报告建议,为保证T3航站楼结构在城铁地铁运营状态下的振动舒适度,本工程采用T3航站楼结构与城铁地铁结构完全分开,各自独立传力的结构设计方案。

　　 结构设计时控制基础及底板的构件截面,尽量减少城铁地铁隧道的埋深,以节约轨道交通造价。配合轨道交通隧道设计,控制T3航站楼基础宽度;同时尽量减小隧道的结构断面尺寸(图10、图11)。在不改变T3航站楼结构柱网尺寸的条件下,实现了双轨隧道从T3航站楼标准柱跨下的顺利贯通,避免了结构转换,确保了T3航站楼柱网的规则性及经济性。

　　 共建区域功能复杂,相互制约多,施工交叉多。为在确保工程质量和施工安全的同时,加快工程进度,设计时运用BIM技术,对多种施工流程方案进行了详细模拟(图12),最终采用了以接桩柱代替基坑范围内桩基的设计方案——即将T3航站楼桩先施工至坑底标高,再通过过渡承台,以接桩柱方式接桩至设计桩顶标高的方式,详细施工流程如图13所示。该施工方式将T3航站楼桩分段分期施工,避免了城铁隧道主体结构与T3航站楼工程桩的施工交叉,实现了空铁联建区同步施工。

　　 共建基坑隧道间存在密集的桩基(图14),施工操作空间受限,回填施工质量难以保证。由于回填土质量对T3航站楼桩基稳定性、抗震性能和桩侧负摩阻力均有一定影响,同时回填土作为T3航站楼地下室底板底模,对地下室底板混凝土施工质量和底板外防水质量均起关键作用,设计时针对现场情况提出了先分层压实,再压力注浆的地基处理方案,解决常规施工方式难以达到预期回填质量的问题。

　　 回填并注浆的施工顺序如下:1)分层压实回填全部土方,并确保回填土方的压实系数不小于0.82;2)采用水灰比为0.8∶1～1.2∶1的P.O.42.5水泥浆液进行回填土的注浆加固,每立方土注浆量控制0.2m³;3)注浆完成进行原位检测,复合土体应满足压实系数0.94对应的变形参数,同时,土体承载力特征值应不小于100kPa。注浆孔间距为1.5m×1.5m,采用梅花形布置。

　　 因铁路隧道与T3航站楼桩基接桩段水平距离较近,最小净距仅1.0m,建成后桩基将长期受到铁路交通运营荷载的影响。设计时对桩基在轨道交通荷载作用下的受力情况进行了计算分析(图15),得到了列车运行荷载作用下T3航站楼桩基与土体间接触力时程曲线(图16),分析结果表明,正常的列车运行荷载不会对桩基产生危及正常使用的影响。

　　 为避免轨道交通结构与T3航站楼结构之间的振动传递,设计采取了相应的隔离构造措施:对工程桩接桩段采用油毡包裹;隧道结构顶部至T3航站楼底板间以级配砂石代替黏土回填。

　　 根据《建筑桩基检测技术规范》(JGJ 106—2014) ^[7]和武汉市相关规定,桩基质量检测对新桩型应增加静载荷试验、声波透射、钻芯等检测数量。

　　 本工程各种桩型检测内容和数量:成孔检测挤扩桩100%(含承力盘尺寸检测),其他桩型20%(占各种桩基总数量的比例,其余同);低应变桩身完整性检测100%;声波透射法桩身完整性检测10%;挤扩桩和压浆桩增加钻芯法桩身质量和完整性检测1%;单桩竖向抗压静载检测1%;单桩竖向抗拔静载检测1%。

　　 T3航站楼各区桩身完整性检测成果如下:共建区域Ⅰ类桩337根,Ⅱ类桩9根,无Ⅲ类桩,Ⅰ类桩占比97.4%;地下室其他区域Ⅰ类桩1 795根,Ⅱ类桩12根,无Ⅲ类桩,Ⅰ类桩占比99.3%;主楼地下室外东、西区和东二指廊Ⅰ类桩1 185根,Ⅱ类桩8根,无Ⅲ类桩,Ⅰ类桩占比99.3%; T2-T3连廊Ⅰ类桩190根,无Ⅱ,Ⅲ类桩,Ⅰ类桩占比100%;登机桥、冷却塔水泵房Ⅰ类桩330根,Ⅱ类桩1根,无Ⅲ类桩,Ⅰ类桩占比99.7%。桩身完整性满足设计要求。根据工程桩承载力检测报告,各区各桩型工程检验桩检测成果见表7。由表7可见,地下室范围工程检验桩沉降变形较大,且同条件下的挤扩桩比压浆桩的平均沉降变形小。对荷载、沉降变形较大的地下室范围,按区域给出了各桩型工程检验桩沉降变形最大、最小的荷载-沉降(Q-s)曲线见图17。根据Q-s曲线,压浆桩加载至2R_a(R_a为承载力特征值)时沉降变形在15.34～35.34mm之间,挤扩桩加载至2R_a时沉降变形在12.80～27.31mm之间,挤扩桩最大沉降变形也比压浆桩小,最大变形均不超过40mm,满足规范和设计要求。

　　 (1)T3航站楼面积大,地下情况复杂,通过地下室范围多桩型试验桩结果对比分析进行T3航站楼桩基础设计选型,并基于变刚度调平理论进行工程桩设计是合理的。

　　 (2)新桩型挤扩桩承载力高,沉降变形小,经济性好。经多区域试验桩反复验证后,T3航站楼大范围应用新桩型。

　　 (3)T3航站楼中部地下室城铁地铁下穿共建区域施工交叉多,通过过渡承台将T3航站楼桩分段分期施工,合理设计施工时序,以确保施工安全,加快工程进度。

　　 (4)工程桩检测成果表明,武汉天河国际机场T3航站楼工程桩设计和施工满足规范要求。