广州白云国际机场扩建工程交通中心及停车楼项目是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, 且各业态间有较多共建、共用关系, 结构布局相当紧凑, 真正实现了无缝连接。

工程范围内上覆第四系全新统人工堆积层 (Q₄^ml) 、第四系冲洪积层 (Q₄^al+pl) , 第四系残积层 (Q₄^el) , 下伏基岩为下石炭系大塘阶石磴子组 (C₁^ds) 。根据工程勘察报告, 本工程在-22.000m以下才开始有微风化灰岩, 且场区内溶洞、土洞较为发育, 岩面起伏且溶洞发育均无规律, 部分溶洞为串珠状。

地铁车站和2号航站楼隧道的基坑均属于交通中心及停车楼的坑中坑项目, 且在地铁车站和2号航站楼隧道的北侧部分, 由于其独特的地理位置, 形成了北凸出部 (凸出交通中心及停车楼范围, 伸入T2航站楼下方) 。整个大基坑主要采用地下连续墙支护结构, 在北凸出部处, 其北侧、西侧和东侧也均采用了地下连续墙支护结构, 并设置了3道混凝土内支撑。在北凸出部东南角, 为了减少基坑土方开挖、减少大基坑地下连续墙的设计深度, 采用了分级支护 (保留反压土) 的形式, 其靠近2号航站楼隧道一侧采用了14条混凝土灌注桩支护, 如图1所示。

1) 工期短 由于业主招标漏项, 该区域支护桩一直未安排施工, 直到需要进行该区域土方开挖时才发现问题。桩基施工需要组织超前钻探以确定桩底标高, 若发现溶洞还需对其进行处理。且本工程工期相对紧张, 土方开挖不能等该14条支护桩施工完成后再进行。

2) 场地狭小 14条支护桩呈L形布置, 分布范围仅14.2m×3.8m, 其东侧和南侧还紧邻城轨项目, 城轨项目也在进行桩基础和地下连续墙施工。

3) 凸出部土方已开挖至6.250m标高, 并在继续向下开挖, 导致原设计混凝土灌注支护桩的位置已形成临空面, 桩机几乎无法就位成孔, 否则容易造成桩机倾覆、坍塌等安全事故。

该部位隧道基底设计高程为0.800m (北) ~1.350m (南) , 隧道东侧城轨西附属基底设计高程约2.000m, 若能将该反压土降低约4m, 即将反压土面标高由6.250m降至2.250m, 则隧道侧放坡开挖影响范围不会进一步伸入到大基坑地下连续墙支护范围。按此思路, 提出第1种基坑支护优化方案:反压土面标高由6.250m降至2.250m, 隧道土方开挖按照1∶2放坡, 同时在大基坑地下连续墙上增设1道腰梁及一定数量的预应力锚索, 如图2及图3a所示。

如图3a所示, 在该反压土区域, 大基坑原设计的地下连续墙有效墙深14.8m, 其中支护深度4.8m, 嵌固深度10m。若将反压土面标高由6.250m降低至2.250m, 则支护深度变化为8.8m, 嵌固深度变化为6m。经设计计算复核, 即使增加1道腰梁和预应力锚索, 原设计地下连续墙在此新的工况下, 仍然无法满足安全受力要求。

将原设计混凝土灌注支护桩改成钢板桩 (桩顶标高不变) , 并将钢板桩桩底标高设置为本工程基岩面标高。钢板桩支护高度为4.9 (南) ~5.45m (北) , 而本工程基岩面标高约为-7.000m, 则钢板桩嵌固深度为7.8 (北) ~8.35m (南) , 选用15m长钢板桩即可。进一步考虑到钢板桩的支护高度较大, 钢板桩的变形会很大, 提出在其东侧 (靠近城轨侧) 再设置1排钢板桩, 并采用对拉体系将2排钢板桩连成整体, 如图3b所示。

根据图3b所示, 钢板桩最大支护高度5.45m, 嵌固深度约7.80m, 即使在顶部设置对拉钢筋, 桩身变形依旧很大。而采用钢板桩, 又不能在桩身范围设置对拉钢筋或锚索。经设计计算复核, 虽然钢板桩的抗剪能力可行, 但会产生较大变形, 而该变形会进一步导致反压土不稳定, 从而影响大基坑地下连续墙的安全性能, 故而也不可取。

第2优化方案中, 主要是由于原状土会对钢板桩产生较大水平力, 致使钢板桩变形过大。如图3c所示, 为解决这一变形问题, 可对2排钢板桩范围内的土体进行地基处理, 如旋喷桩、搅拌桩、CFG桩、碎石桩等。

该方案将地基处理与简易基坑支护相结合, 类似于SMW工法桩, 其整体受力性能更高、更安全。同时, 该方案也便于施工操作, 对施工场地的要求不高, 能加快施工进度。

根据第3优化方案, 设计单位进行了的计算复核, 初步确定地基处理全部采用大直径单轴水泥搅拌桩, 并根据需要设置钢板桩和连接2排钢板桩的拉杆。根据设计单位的初步方案, 我们根据现场实际情况, 进一步建议在靠近地下连续墙3m的范围内, 将水泥搅拌桩改为双管旋喷桩, 以便于施工质量控制。最终, 双方确定设计方案, 如图4所示。

按照上述设计方案, 确定重力式挡墙的总体施工流程如图5所示。

搅拌桩采用ф800mm@550×550mm大直径水泥搅拌桩, 桩长12m, 采用42.5R普通硅酸盐水泥, 水灰比为0.6, 水泥用量≥150kg/m³。

旋喷桩采用ф800mm@550×550mm双管旋喷桩, 桩长12m, 采用42.5R普通硅酸盐水泥, 水灰比为1.0。采用四喷四搅施工工艺, 高压水泥浆喷射压力≥25MPa, 提升速度<0.15m/min, 水泥用量≥300kg/m³。

由于场地条件的限制, 根据2种桩机设备的不同特性和能力, 施工时, 先施工北侧靠近地下连续墙侧的5排双管旋喷桩, 再逐步向南推移, 施工搅拌桩。

按照设计方案, 在整个地基处理范围的最西侧, 以及最东侧约1/2的搅拌桩/旋喷桩内, 需打入钢板桩。钢板桩为拉森Ⅳ型钢板桩, 桩长12m (与搅拌桩/旋喷桩长度相同) 。

正常情况下, 在相应位置的旋喷桩/搅拌桩施工完成并初凝后但终凝前, 应安排打入相应的钢板桩。但由于场地条件限制, 且钢板桩的施工效率远远高于搅拌桩/旋喷桩, 故部分钢板桩插入施工时, 搅拌桩/旋喷桩已终凝, 强度已较高, 致使钢板桩打入难度很大。对此, 先采用地质钻探机沿着钢板桩沿线施作引孔 (该引孔无需密布, 能满足钢板桩施工即可) , 再利用钢板桩机将钢板桩逐条打入/嵌入搅拌桩/旋喷桩内。在预先施作引孔的位置, 打入钢板桩后, 还需采用高压注浆的形式, 向引孔内注浆以使其密实, 从而使钢板桩与搅拌桩/旋喷桩能够更好地结合并共同受力。

在每根搅拌桩/旋喷桩施工完成后, 立即在桩顶中心位置插入1条1m长的20钢筋 (HRB400) , 其嵌固段长800mm, 外露段长200mm (与压顶板厚度相同) 。在所有搅拌桩/旋喷桩和钢板桩均施工完成后, 开始安装压顶板钢筋。压顶板钢筋 (HRB400) 采用12@200×200, 安装时应与钢板桩和插筋焊接固定, 以增强整体性能。钢筋安装并验收合格后, 浇筑200mm厚C25压顶板混凝土并进入养护期。

为增强钢板桩的整体性能, 在每排钢板桩两侧均采用└160×12连接 (见图6) , 且2排钢板桩之间再设置32@1 600的对拉钢筋 (HRB400) 将2排钢板桩对拉连接。钢筋两端需采用直螺纹滚丝机进行螺纹加工, 加工长度应满足钢板桩两侧锁紧螺母的安装需求。

实施中, 所有水泥、钢筋、混凝土等材料, 均需按照对应的规范进行取样送检。同时, 为了保证地基处理效果, 需对搅拌桩/旋喷桩进行抽芯检测, 其28d无侧限抗压强度应≥1.5MPa。所有检测合格后, 及时组织验收并进入下一道工序。

通过将基坑支护桩优化为组合重力式挡墙后, 避免了施工支护桩之前的超前钻探及溶洞处理工序, 采用搅拌桩、旋喷桩和钢板桩的组合工艺, 克服了场地条件的限制, 在保证施工质量与基坑安全及施工机械设备安全的前提下, 大大加快了施工进度, 最终确保了凸出部的施工节点。钢板桩本身是一种可周转的支护结构, 但用于此组合支护体系后, 由于其埋入水泥搅拌桩或旋喷桩内, 且支护时间长达数月, 导致后期无法拔出, 这也将是后续推广时尚需研究克服的问题, 从而能更好地控制工程造价。