广州白云国际机场扩建工程交通中心及停车楼项目是一个大型综合交通枢纽项目。该项目位于广州白云国际机场T1航站楼以北, 紧邻在建T2航站楼, 包括交通中心、停车楼、能源中心、地铁车站、地铁区间、城轨车站、2号航站楼隧道 (又名下穿隧道) 、的士隧道、巴士隧道等多个业态 (见图1) , 且各业态间有较多共建、共用关系, 结构布局紧凑, 无缝连接, 下穿隧道与其两侧的地铁车站和城轨车站的平面结构净间距仅1 450~1 850mm (见图2) 。

广州白云国际机场扩建前, 连接白云国际机场南区和北区的道路为北进场路, 但由于机场扩建选址覆盖了该道路, 以至于该道路在机场扩建时不得不中断, 并在扩建工程下方设置2号航站楼隧道。为解决白云国际机场南区和北区的通行问题, 在扩建工程T2航站楼建筑边线外围新建了临时北进场路, 该临时路占据了飞行区的位置。为确保飞行区有足够的施工时间, 2号航站楼隧道必须尽快完工, 以关闭临时北进场路。

如图2所示, 地铁车站基坑深17.5m, 2号航站楼隧道基坑深6.2~14.8m, 城轨车站基坑深22.5m (其中城轨西附属基坑深12.5m) 。原设计中, 地铁车站在-8.800m以下范围全部采用放坡支护形式, 城轨车站靠近2号航站楼隧道一侧在-8.800m以下采用放坡支护形式, 在远离2号航站楼隧道一侧则主要采用地下连续墙垂直支护形式 (见图3) 。

根据现场实际情况, 地铁车站和城轨车站施工对2号航站楼隧道的施工有着极大的影响, 按照原设计施工, 2号航站楼隧道无法在规定时间内具备通车条件。经过多渠道、多方面论证与优化, 结合现场已施工情况, 最终对原设计进行了优化:在2号航站楼隧道原设计工程桩之间增加混凝土灌注桩 (见图4) , 2号航站楼隧道与地铁、城轨车站高差较大的A4节段增加水平对拉锚索 (见图5, 6) 。

根据钻孔揭露, 拟建场地范围内上覆第四系全新统人工堆积层 (Q^ml₄) 、第四系冲洪积层 (Q^al+pl₄) 、第四系残积层 (Q^el₄) , 下伏基岩为下石炭系大塘阶石磴子组 (C^ds₁) 。其中, 2号航站楼隧道支护范围主要位于第四系冲洪积层 (Q^al+pl₄) , 该地层主要是砂层, 具体概述如表1所示。

除表1所述外, 场区内溶洞、土洞较为发育。以2号航站楼隧道所在区域为对象, 土洞遇洞率8%, 溶洞遇洞率56%, 线岩溶率32.48%, 溶洞高度为0.1~18.1m, 平均3.31m, 且部分为串珠溶洞。岩面起伏及溶洞发育均无规律。

1) 设计新颖 优化设计后, 支护桩与支承桩实现了共用, 水平对拉结构与结构底板实现了共用。

2) 桩基成孔难度加大 新增桩基均是在原设计桩基中增加, 从而形成密排支护桩, 且本工程地质条件复杂, 溶土洞强发育, 新增密排桩的成孔施工很可能对施工完成的桩造成诸如移位、倾斜、挤压等影响。

3) 支护结构安全要求高 常规基坑支护中基坑边外扩一定范围内不允许堆载, 但本工程支护结构正上方是隧道, 支护结构面临着隧道通车的直接动力荷载的考验。同时, 由于采用隧道底板作为第1道水平对拉结构, 考虑到底板的永久结构受力和使用功能要求, 对支护桩的桩顶水平位移和竖向位移报警值仅为5mm, 即几乎不允许支护桩桩顶产生水平和竖向位移, 否则可能导致隧道底板产生裂缝。

4) 监测难度大 由于支护桩与支承桩共用, 桩顶锚入隧道结构底板, 导致桩顶被隐蔽, 从而对桩顶水平位移和竖向位移的监测产生很大影响。

根据设计要求, 2号航站楼隧道支护结构需监测桩顶水平位移、桩顶竖向位移、深层水平位移、隧道底板应力和水平对拉锚索应力等5个项目, 具体监测项目如表2所示, 监测点布置如图7所示。

根据2号航站楼隧道支护结构的施工组织, 支护结构顶部水平位移、竖向位移以及深层水平位移监测点, 在桩基检测完成后即需完成布置并测取初始值;水平对拉锚索应力监测点, 应在锚索安装并张拉完成后进行布置并测取初始值;隧道底板应变监测点应在底板钢筋绑扎完成、浇筑混凝土前布置在钢筋网架上, 并在底板混凝土浇筑完初凝后测取其初始值。

根据设计要求和规范规定, 2号航站楼隧道支护结构各监测项目的监测指标如表3所示。

根据施工组织安排, 在隧道A4节段向下开挖土方进行锚索预埋施工阶段, 应每天监测1~2次支护结构顶部水平位移、竖向位移以及深层水平位移, 直至地铁和城轨车站基坑土方开挖至基底并完成其结构底板, 而后可转为每周监测1~2次, 直至基坑回填完成。对于水平对拉锚索应力和隧道底板应变监测, 应分别在测取其初始值后开始, 每天监测1~2次, 直至地铁和城轨车站基坑土方开挖至基底并完成其结构底板后, 可转为每周监测1~2次, 直至基坑回填完成。当监测数据出现超限, 或遇到对基坑产生安全威胁的大雨、暴雨等恶劣天气时, 应进行加密监测。

根据施工组织, 在支护桩施工并检测完成后, 先开挖2号航站楼隧道区域的土方至水平对拉锚索的安装标高 (同步放坡开挖地铁、城轨基坑中的受影响区域) , 待锚索安装完成后回填隧道区域的土方至隧道底板底。锚索安装时需要对支护桩顶、桩体深层水平位移、锚索应力进行监测。根据监测结果, 可得到如下结论。

1) 隧道区域土方向下开挖过程中, 因同步放坡开挖地铁、城轨基坑中的受影响区域, 即支护桩基本上未受到侧向力, 桩体位移甚小, 监测数据与理论能够吻合。

2) 第2道水平对拉锚索安装并张拉完成后, 锚索开始受力, 但此时支护桩悬臂段仍无土体侧向力, 即此时支护桩侧向受力仅有因锚索张拉、锁定产生的向基坑外 (相对于地铁和城轨的基坑而言) 的力, 故桩顶位移和深层水平位移均为负值, 即桩体有向基坑外位移的趋势。

3) 隧道区域土方开始回填后, 桩体同时受到向内的土体侧向力和向外的锚索拉力, 受力开始复杂, 位移变化开始有正有负, 锚索应力也开始呈现增大趋势。当第1道锚索安装、张拉并锁定后, 相应的桩体位移和第2道锚索应力值出现了小小的拐点, 均符合理论情况。

根据施工组织, 锚索预埋安装完成后, 开始施工隧道底板, 待底板混凝土强度达到设计强度的80%后, 方可大面积开挖地铁和城轨基坑土方至其设计基底标高。此阶段需对桩顶位移、桩体深层水平位移、锚索应力、底板应变进行监测。

监测结果显示, 隧道底板施工完成后, 底板作为整个支护体系的第1道水平对拉结构, 参与支护体系受力。在隧道底板施工完成至地铁、城轨基坑开始大面积开挖土方前, 因整个支护体系的支护高度未发生变化, 且新增了桩顶水平约束, 使桩体位移、锚索应力均保持平稳。地铁、城轨基坑开始大面积土方开挖后, 随着支护高度的增加, 桩体位移继续向基坑内变化, 锚索应力、隧道底板应变均开始增大, 直至地铁城轨底板结构施工完成后趋于稳定。相比而言, 因地铁侧基坑支护高度比城轨侧基坑支护高度高出约5m, 故地铁侧的支护桩位移总体上看比城轨侧的支护桩位移要大。但同时, 从每个监测点的数据变化看, 变化速率等并非基本一致, 但总体趋势是相同的。究其原因, 一方面可能是隧道区域内土方的不均匀性造成的, 另一方面则是工程地质条件的特殊性导致每根桩的嵌固段长度不一。总体而言, 嵌固段越长, 桩体位移越小, 但嵌固段长度超过影响深度后, 桩体位移则不再与嵌固段长度保持相对应的关系。

隧道通车时, 城轨西附属结构已施工完成, 但城轨与隧道间的结构间隙尚未回填;地铁结构未施工完成, 致使地铁与隧道间的结构间隙也未能回填。即隧道通车之初, 支护结构的支护高度仍保持在最不利的工况。此时, 监测频率调整为2/d。

此阶段需对桩顶位移、桩体深层水平位移、锚索应力、底板应变进行监测。监测数据结果显示, 隧道通车之初, 支护工况基本未发生变化, 但却在支护结构顶部增加了动荷载。通车荷载的增加, 进一步使桩体位移向基坑内变化, 锚索应力和隧道底板应变进一步加大。隧道通车之后不久, 地铁和城轨结构全部完成, 且其与隧道的结构间隙也采用C20素混凝土进行了回填, 整个基坑支护受力体系大为改善, 各项监测数据趋于稳定。

2号航站楼隧道的整个施工组织安排, 与原设计的施工工况有一定出入, 但从整个监测数据分析, 所有监测数据均未超过设计报警值, 整个基坑支护结构一直处于安全状态。同时, 从锚索应力分析, 锚索应力损失较小, 也从侧面反映出预埋安装锚索的方法是可行的, 锚索的安装质量确实能够得到极大提高。而且, 在支护桩向基坑内受力之前, 预先向支护桩施加了向基坑外的侧向力, 更能约束支护桩的位移。