廬山站高架站房樁柱一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

郭熙斌

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(zhuān)四條鐵路線的交匯樞紐。隨著新建安九高鐵的開(kāi)工建設(shè)，自2020年9月起，廬山站開(kāi)始了大規(guī)模的擴(kuò)建改造，改擴(kuò)建后的站房由東、西站房和跨線高架候車(chē)室組成，建筑面積由原來(lái)的4 000 m2擴(kuò)建為60 000 m2，站場(chǎng)規(guī)模為8臺(tái)25線。東、西站房為混凝土框架結(jié)構(gòu)，高架候車(chē)室為鋼框架組合結(jié)構(gòu)，地下1層、地上2層，局部設(shè)有夾層；屋面均為鋼桁架結(jié)構(gòu)。屋面最高點(diǎn)標(biāo)高為34.90 m，±0.0標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高31.950 m。圖1為廬山站鳥(niǎo)瞰效果圖。

新建高架候車(chē)室的結(jié)構(gòu)柱布置在既有站臺(tái)上，由于京九場(chǎng)普速和昌九場(chǎng)城際不具備轉(zhuǎn)場(chǎng)條件，高架候車(chē)室施工過(guò)程中1～3站臺(tái)之間的正線需要正常運(yùn)營(yíng)，站臺(tái)上的施工為鄰近營(yíng)業(yè)線施工。圖2為廬山站場(chǎng)平面圖。

圖2 廬山站場(chǎng)平面

2 地質(zhì)情況

根據(jù)中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司提供的勘察報(bào)告[1]，工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)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(chǎng)地范圍未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用。各土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土層分布及主要力學(xué)指標(biāo)

工點(diǎn)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(dòng)幅度在1～3 m間。

3 高架候車(chē)室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高架候車(chē)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(yàn)算要求，設(shè)計(jì)采用樁基礎(chǔ)。圖3為高架候車(chē)室結(jié)構(gòu)分析模型。

圖3 高架候車(chē)室結(jié)構(gòu)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(jī)可能發(fā)生傾覆，影響既有線運(yùn)營(yíng)；大型設(shè)備可能侵入鐵路限界[2]。在滿足營(yíng)業(yè)線及鄰近營(yíng)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(tái)上高架候車(chē)室擬采用挖孔樁基礎(chǔ)，樁端持力層選擇○1523中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

3.1 初步設(shè)計(jì)方案

初步設(shè)計(jì)采用“沉井支護(hù)+挖孔樁+承臺(tái)”方案(以下稱(chēng)為方案一)，高架站房鋼管混凝土柱通過(guò)多樁聯(lián)合承臺(tái)與樁基連接。先施作沉井支護(hù)，沉井連續(xù)墻施工完成后，施工挖孔樁和承臺(tái)基礎(chǔ)，不破壞既有站臺(tái)墻，減小對(duì)鄰近到發(fā)線的影響。

按方案一，現(xiàn)場(chǎng)先施工3根試樁。試樁情況如下:人工挖孔樁，樁徑1 000 mm，擴(kuò)大端直徑2 200 mm，樁長(zhǎng)16.0～16.7 m，樁身混凝土標(biāo)號(hào)C40，樁端進(jìn)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(jié)果，以3站臺(tái)為例，共設(shè)計(jì)挖孔樁36根，樁徑、擴(kuò)大端直徑及持力層等要求與試樁一致，樁頂標(biāo)高-6.0 m，有效樁長(zhǎng)10～12.5 m；布置有6處6樁聯(lián)合承臺(tái)，承臺(tái)外圍設(shè)置沉井支護(hù)，沉井頂標(biāo)高-1.25 m、底標(biāo)高-6.10 m。沉井、承臺(tái)、樁基及鋼管混凝土柱布置見(jiàn)圖4。

圖4 沉井、承臺(tái)、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(kāi)通時(shí)間提前，廬山站站改工程施工組織也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，2、3站臺(tái)按方案一施工將有大量工作從鄰近營(yíng)業(yè)線施工被迫改為營(yíng)業(yè)線施工，進(jìn)一步增加了施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。為了加快施工效率，在建設(shè)單位主持下，經(jīng)參建各方現(xiàn)場(chǎng)勘察與協(xié)調(diào)，按調(diào)整后的施組要求，對(duì)2、3站臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案優(yōu)化。

優(yōu)化方案為:取消沉井支護(hù)和承臺(tái)結(jié)構(gòu)，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(hù)壁作為基坑支護(hù)，鋼管混凝土柱直接錨入樁內(nèi)，即樁柱一體化設(shè)計(jì)(以下稱(chēng)為方案二)。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

經(jīng)比較分析，方案二較之方案一施工風(fēng)險(xiǎn)可控、施工效率高、工程造價(jià)減少，滿足變更后的施組要求，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用方案二實(shí)施。

每根柱下設(shè)置一根直徑2.8(2.5)m的挖孔樁，樁頂標(biāo)高-1.25 m，樁長(zhǎng)為13～15.5 m；為了滿足鋼管混凝土柱埋入式柱腳的構(gòu)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(lèi)似于樁帽的作用。對(duì)承載力要求較大的采用大直徑擴(kuò)底灌注樁[3]，擴(kuò)底直徑3.6～3.8 m，擴(kuò)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(biāo)號(hào)為C35，樁端進(jìn)入持力層2.5～4.0 m。為防止施工對(duì)樁端持力層的擾動(dòng)破壞，保證持力層的完整性，在樁端處設(shè)置底筋[4]，雙向布置φ16＠150。樁身縱剖面見(jiàn)圖5，基礎(chǔ)平面布置見(jiàn)圖6。

圖5 樁身縱剖面

圖6 典型位置基礎(chǔ)平面(單位:mm)

3.4 承載力計(jì)算及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

單樁承載力計(jì)算包括豎向和水平承載力。本工程挖孔樁樁端支承于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，按大直徑嵌巖樁設(shè)計(jì)。

3.4.1 單樁豎向承載力

單樁豎向承載力特征值Ra應(yīng)按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]5.3.9條計(jì)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)樁側(cè)阻力按混凝土護(hù)壁外直徑計(jì)算；擴(kuò)底樁的擴(kuò)大部分及其以上兩倍樁徑長(zhǎng)度范圍內(nèi)的樁周側(cè)阻力不計(jì)。

(2)樁身強(qiáng)度取樁身直徑d進(jìn)行計(jì)算；受壓樁的混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足樁基規(guī)范5.8.2條規(guī)定的受壓承載力設(shè)計(jì)要求。

(3)挖孔樁為大直徑樁，除嵌巖樁的嵌巖段以外，均應(yīng)考慮尺寸效應(yīng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，進(jìn)行單樁承載力驗(yàn)算。

3.4.2 單樁水平承載力

對(duì)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(jì)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)設(shè)計(jì)樁徑應(yīng)取護(hù)壁內(nèi)直徑進(jìn)行計(jì)算。

(2)承受水平荷載的樁應(yīng)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(shè)計(jì)要求。

(3)考慮高速鐵路運(yùn)營(yíng)影響，參考朱曉偉[6]的試驗(yàn)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(hù)壁設(shè)計(jì)

大直徑挖孔樁護(hù)壁設(shè)計(jì)是方案二能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵，利用護(hù)壁作為基坑支護(hù)能夠滿足鄰近營(yíng)業(yè)線施工要求。

護(hù)壁厚度應(yīng)按所承受的土壓力及地下水的最大側(cè)壓力來(lái)確定，護(hù)壁承受的環(huán)向壓力σ應(yīng)滿足:

式中:K為安全系數(shù)，取1.5～2.0，當(dāng)樁徑大、土質(zhì)差時(shí)應(yīng)取大值；fc為護(hù)壁混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，應(yīng)取護(hù)壁拆模時(shí)的實(shí)際值[7]。

根據(jù)計(jì)算，結(jié)合《大直徑擴(kuò)底灌注樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 225—2010)[8]7.4.7-3條要求，本工程護(hù)壁厚度:上口為200 mm，下口為150 mm；在護(hù)壁厚度方向配置雙層φ10＠200的環(huán)形和豎向構(gòu)造鋼筋，豎向鋼筋上下搭接長(zhǎng)度為250 mm。護(hù)壁及孔頂構(gòu)造見(jiàn)圖7。

圖7 混凝土護(hù)壁及孔頂構(gòu)造(單位:mm)

為防止護(hù)壁脫落，混凝土護(hù)壁應(yīng)按自重小于護(hù)壁周?chē)倐?cè)摩阻力來(lái)驗(yàn)算穩(wěn)定性[9]。上節(jié)護(hù)壁混凝土強(qiáng)度大于3.0 MPa后，方可進(jìn)行下節(jié)土方開(kāi)挖施工。

4 施工常見(jiàn)問(wèn)題及處理

4.1 鄰近營(yíng)業(yè)線施工

在鄰近營(yíng)業(yè)線的站臺(tái)上施工時(shí)，作業(yè)過(guò)程不能影響正線運(yùn)營(yíng)。為確保施工期間列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全，施工過(guò)程中按設(shè)計(jì)要求做好各項(xiàng)監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)軌道水平位移、路基沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平及豎向位移等。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整土方開(kāi)挖順序，合理安排土方開(kāi)挖速度[10]。

4.2 地下水

按調(diào)整后的施組要求，挖孔樁施工安排在當(dāng)?shù)乜菟竟?jié)(當(dāng)年11月至第二年3月)實(shí)施，以減小地下水對(duì)施工的影響。施工過(guò)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(kāi)挖的同時(shí)用潛水泵抽水，搶挖成孔后及時(shí)澆筑護(hù)壁。降水過(guò)程中要做好周?chē)鷪?chǎng)地的監(jiān)測(cè)工作，避免降水對(duì)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(yàn)收后，要迅速組織混凝土灌注，避免暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)發(fā)生意外?；炷翝仓话銘?yīng)先施工較淺的樁孔，后施工較深的樁孔。澆筑樁身混凝土?xí)r如遇孔壁滲水，應(yīng)采用防水材料封閉滲漏部位。

5 檢測(cè)與驗(yàn)收

5.1 樁身完整性檢驗(yàn)

本工程大直徑嵌巖樁(一柱一樁)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，每根樁都采用低應(yīng)變法和鉆芯法兩種方法檢測(cè)樁身完整性。鉆芯法與低應(yīng)變法檢測(cè)相互補(bǔ)充、驗(yàn)證，提高樁身完整性檢測(cè)的可靠性。

檢測(cè)結(jié)果:所有樁均為Ⅰ類(lèi)樁。

5.2 承載力檢驗(yàn)

承載力檢驗(yàn)在樁身完整性檢驗(yàn)之后進(jìn)行。按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[11]3.3.4條要求，對(duì)于設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的樁基，應(yīng)采取單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行承載力驗(yàn)收檢測(cè)。

本工程單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為13 600～22 500 kN，受場(chǎng)地條件和試驗(yàn)?zāi)芰ο拗?，目前常用的堆載法和錨樁法單樁靜載荷試驗(yàn)在本項(xiàng)目上均無(wú)法實(shí)施；高應(yīng)變法檢測(cè)承載力也不適用于大直徑擴(kuò)底樁和大直徑灌注樁。設(shè)計(jì)中曾考慮采用自平衡法，自平衡法需要在樁身平衡點(diǎn)處埋設(shè)載荷箱[12]，試驗(yàn)完成后，內(nèi)部的荷載箱會(huì)打開(kāi)并將樁體拉斷，雖有注漿法填補(bǔ)荷載箱斷面的做法，但因質(zhì)量難以控制和檢測(cè)，這種檢測(cè)方式一般不建議用于設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的工程樁。

嵌巖樁承載力的檢驗(yàn)，實(shí)際上就是檢驗(yàn)對(duì)樁端持力層地基抵抗通過(guò)樁身傳遞的上部荷載能力的檢驗(yàn)，因此，當(dāng)無(wú)法進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)抓住灌注混凝土前對(duì)樁端持力層的鑒別[13]。通過(guò)對(duì)方案一在同條件下1 m直徑試樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果分析，本工程挖孔樁持力層鑒別可信度高、地質(zhì)條件鑒別較簡(jiǎn)單、成樁質(zhì)量容易保證。

工程樁終孔時(shí)逐孔迸行了檢查驗(yàn)收?，F(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)單位提供的《巖石芯樣單軸抗壓強(qiáng)度報(bào)告》顯示:樁端持力層巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(frk)在6.08～7.45 MPa之間，每一個(gè)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(bào)告顯示，樁端持力層下沒(méi)有影響承載力的不良地質(zhì)。根據(jù)沉降觀測(cè)單位于2021年9月(結(jié)構(gòu)已封頂)提供的數(shù)據(jù)，3站臺(tái)結(jié)構(gòu)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(nèi)，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限值要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)于施工場(chǎng)地受限，大型成孔機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)或不能適用的區(qū)域，挖孔樁仍是一種經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)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(jī)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(gòu)件轉(zhuǎn)換所造成的成本上升。

(4)樁柱一體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用挖孔樁護(hù)壁作為基坑支護(hù)工程。

(5)對(duì)于端承型大直徑灌注樁的承載力，根據(jù)終孔時(shí)樁端持力層巖性報(bào)告結(jié)合樁身質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告核驗(yàn)的方法是合理和可行的。