杭州萧山国际机场陆侧交通中心基坑逆作法设计

杭州萧山国际机场陆侧交通中心基坑逆作法设计

文/陈东，杨学林，刘晓燕，李瑛，刘兴旺，谢锡荣，陈劲

▲  拟建建筑和现场场地关系示意图

▲  建筑模型俯视图

▲  萧山机场总效果图

陆侧交通中心工程北侧已建地铁车站埋深约20.0m，与本项目共用其南侧地连墙；东侧已建航站楼和站前拼宽高架在项目施工期间要求“不停航、不停运”，保护要求非常高。其中东侧已建航站楼距离本工程基坑东侧边缘最近约30m，设置1层地下室，工程桩为15m长管桩；站前拼宽高架距离本工程基坑东侧边缘最近约15m，采用钻孔灌注桩基础；南侧为同时建造的高铁车站，挖深约22~26m，采用地下连续墙结合多道内支撑支护；西侧为同时建造的航站楼工程，挖深为8~12 m 。

陆侧交通中心工程分为东、西两个基坑，其中西侧为B区、东侧为C区。B1区采用顺作法施工，设置三道混凝土内支撑进行支护，B2区采用半逆作法施工；综合考虑环境安全、工程形象、施工进度等各种因素后，C区地下室采用逆作法施工。C区基坑平面面积约4.1万m ² ，东西向长度约150m，南北向长度约280m。除北侧与已建地铁车站共用地下连续墙外，陆侧交通中心工程基坑东侧、南侧均设置地下连续墙作为围护墙；各分区间均设置钻孔灌注桩及三轴水泥搅拌桩作为分隔桩。

▲  基坑东西向围护剖面示意图

注： γ 为土体重度， c 为土体粘聚力， φ 为内摩擦角，kv为垂直渗透系数，kh为水平渗透系数，（）中为经验值。

由于陆侧交通中心基坑北侧与已建地铁车站共用地下连续墙，西侧为采用顺作法和半逆作法的B区，因此C区南侧和东侧临近使用中航站楼及站前高架，为重点保护对象。经计算分析后，C区采用1000mm厚“二墙合一”地下连续墙作为挡土止水结构。地下连续墙外侧采用渠式切割水泥土连续墙（TRD）作地墙槽壁加固并兼作加强止水帷幕，逆作施工顺序为依次向下施工B0、B2和B3层楼板、底板作为基坑水平内支撑，初步设计中逆作立柱基本与结构立柱重合。B1板由于平面上不连续，考虑在其余结构完成后再顺作施工。

设计采用了MIDAS GTS三维有限元软件对基坑开挖过程进行了整体建模，分析基坑开挖可能对东侧航站楼产生的影响。分析结果表明，采用以上围护结构，基坑开挖对航站楼的变形影响较小，各个工况下航站楼及站前拼宽高架的水平及竖向变形均可控制在1cm以内。同时采用了地下连续墙及TRD工法止水帷幕，坑外仅进行控制性降水，也可避免坑内降水对坑外的影响。

逆作法楼层板既要承受使用阶段荷载，也要考虑施工阶段承受水平荷载以及竖向栈桥及堆场等施工荷载。楼层板设计应是使用阶段及施工阶段的包络设计。本工程特别之处还在于逆作区西侧楼板支点为B区顺作区的水平支撑，刚度相对较弱，在东侧土压力作用下，楼层板有整体向西变形趋势；同时还要考虑到施工阶段的竖向构件为逆作的型钢立柱，相较于使用状态下的结构柱刚度差异很大，再结合施工阶段楼板开洞等因素，因此在施工阶段地下室结构的东西向侧向刚度是偏弱的，对东侧变形控制不利。为此，采取了4项措施增强施工阶段的结构东西向侧向刚度：

措施一： 增加临时钢立柱，减少柱跨。原有结构柱网主要为9m×12m，局部有柱跨达到18m，增加钢立柱后，柱网基本控制在9m×6m。钢立柱主要为500mm×500mm角钢格构式立柱，另有16根直径800mm钢管立柱。

▲  结构设计楼板及施工阶段楼板平面图

▲  施工现场照片

措施二： 合理布置洞口，并采取适当的洞口加固措施。结合楼板已有洞口、楼梯，以及施工要求布置洞口。洞口开设遵循“小且密”的原则，以分散布置的多个小尺寸洞口取代一个大尺寸洞口，洞口开设的间距不超过30m。南侧为人防区，存在较多人防口部，均作为施工洞口处理，逆作施工阶段不施工，待顺作施工阶段整体一次性施工。因此在基坑南侧周边出现连续开洞，这些范围均采用临时支撑进行加强。

措施三： 对逆作区东北角及东南角特定区域楼板、临时支撑做进一步加强，同时也要求施工顺序上该两部分楼板能够最早形成，以期形成两个角撑体系，减少整体向西侧的变形。设计采用了平面杆系有限元对楼板承受水平荷载下的变形进行了分析。模型a为西侧无约束工况，模型b为增加角撑工况。计算结果表明：通过设置角撑，逆作结构整体位移可得到有效控制。

▲  设置角撑后楼板平面传力路径示意

措施四： 为严格控制永久立柱的侧向位移，在部分区域立柱间设置剪刀撑以提高立柱整体侧向刚度。竖向立柱因逆作区结构整体水平向位移趋势，由竖向受力转变成水平与竖向双向受力，笔者根据动态施工条件下竖向立柱的承载力和稳定性研究成果，复核了立柱稳定性。根据复核结果，主要在东西向栈桥区域立柱间设置了剪 刀撑。

▲  现场栈桥立柱间剪刀撑布置

▲  现场栈桥立柱间剪刀撑布置

整个陆侧交通中心工程基坑土方量高达180万m ³ ，由于逆作法楼板需先施工，空间受限，土方开挖存在一定难度。施工中除了采用“水冲法”提高挖土效率外，还考虑到B0层至B2层间高差9 m ，存在足够的车辆行走空间，因此将B0层、B2层均作为主要施工操作层，均设置了栈桥及堆场，采用了双层栈桥体系以提高施工效率。

▲  水冲法现场施工

节点设计是逆作法设计的关键内容。特别是本工程由于周边环境的特殊性，除逆作法常见的梁柱节点、洞口加固节点等外，还有与北侧地铁车站共墙交界面节点、西侧与顺作法交界节点等等。以下对一些关键节点设计进行介绍。

原结构设计图纸中后浇带设置较多，包括温度后浇带和沉降后浇带。逆作施工中须在后浇带两侧增设立柱桩对悬挑梁进行支撑以确保施工中结构安全，且为了形成整体传力体系，还要在后浇带内设置传力型钢或采取其他水平传力措施，工序复杂、成本较高、对工期影响较大。经过综合分析比较后，对后浇带设置进行优化。一是采用跳仓法施工，减小温度应力，控制变形与裂缝，取消了温度后浇带；二是通过桩基差异沉降施工控制及基础刚度调平设计，减小沉降差，同时在主楼周边设置了大跨度（12m~18m）板，进一步减小沉降差对结构安全及建筑舒适度的影响，实现沉降后浇带的取消，从而使得造价降低，关键是缩短了工期。

本工程大部分竖向立柱为角钢格构柱，并有很大一部分是为减少柱跨而设置的临时格构柱。由于结构梁宽尺寸种类较多，梁柱节点也出现了多种形式。初步设计考虑在梁宽大于格构式立柱边长时，梁可直接穿越立柱；在梁宽小于或等于格构式立柱边长时，则采用梁加腋形式，使梁钢筋能穿越立柱。

但在实际施工中发现加腋处钢筋、模板加工复杂，对工效影响很大，且直梁加腋后影响美观。经设计分析后，对部分梁宽进行加宽，尽可能较少加腋情况。本工程还有16根钢管桩，对应柱跨达到18m，由于两端弯矩较大，梁柱节点均采用环梁形式。

▲  钢管立柱环梁式梁柱节点图

▲  梁柱节点现场实施照片

▲  梁柱节点现场实施照片

整个交通中心工程2019年5月开始全面进行桩基施工，2019年10月逆作区进行第一层土方开挖，至2020年2月B0板基本施工完成；2020年5月开始进行B2板施工至7月施工完成；2020年10月部分区域开挖至基底开始施工底板，至2021年2月，逆作区地下室结构基本施工完毕。整个施工周期约一年四个月，基本达到了工期要求。自桩墙施工开始，整个施工过程中均对土体变形、周边环境等进行了监测。总体变形控制较好，基坑开挖对周边环境影响较小，但是在基坑东侧中部变形较大，经分析为东侧基坑暴露时间较长所致。

陆侧交通中心工程基坑逆作区深层土体水平位移与高架桥墩沉降监测点平面布置如下图所示，TX27代表深层土体水平位移27号监测点，JZ33代表高架桥墩沉降33号监测点，余同。

C区基坑施工工况主要分为五个阶段，依次为：桩墙施工（Stage0），B0板施工（Stage1），B2板施工（Stage2），B3板施工（Stage3）以及底板施工（Stage4）。

地连墙外侧深层土体水平位移各测点随工况的典型变化曲线如下图所示，变形最大TX21监测点的最大水平位移约为70mm。测点的深层土体水平位移曲线整体表现为朝向基坑内部的内凸状，最大值所处深度均位于开挖面附近。仔细分析该点在不同工况的深层土体水平位移曲线，Stage2到Stage3产生的位移产生较大跳跃，即B2层板直至开挖到底，占总变形量的80.6%。

下图为C区东侧5个测斜点的深层土体最大水平位移平面分布图，常规基坑分布情况是“中间大，两边小”，而本项目仅表现为中间略大于两边，两侧普遍变形在40mm左右，说明结构刚度加强对变形控制有效果。

▲  深层土体最大水平位移平面分布

高架桥墩沉降变化曲线如下图所示，正值为隆起，负值为沉降。桥墩沉降均小于控制值10mm 。高架桥墩沉降在Stage3和Stage4发展最快，如JZ61测点在该阶段的变形占总变形量的47.27%。高架沉降变形呈现出远离基坑侧的变形最大，而靠近基坑侧的变形最小的特点，可能原因是靠近基坑侧的高架桥墩下为嵌岩桩，远离基坑的两排桩相对较短且未入岩。嵌岩桩因桩底土层好，受基坑开挖影响较小。

▲  高架桥墩沉降监测曲线图