广州新白云国际机场航站楼结构设计 李桢章 伍国华(广东省建筑设计研究院,广州510010)摘要 本文介绍了广州新白云国际机场航站楼的结构设计.航站楼的基础采用嵌岩桩,楼盖为预应里混凝土结构,屋盖为相贯焊接空心管桁架结构.广州新白云国际机场航站楼是中国目前在岩溶地区兴建的规模最大的公共民用建筑,也是中国目前规模最大的相贯焊接空心管结构工程,其中16米~37米搞的三角形变截面人字形柱、12米及14米跨度的屋面箱形压型钢板是首次在中国应用关键词 岩溶地区 预应力混凝土 相贯焊缝 钢管桁架 人字形柱 压型钢板一、 总述广州新白云国际机场是国家重点工程，首期建设规模为年旅客吞吐量2500万人次，航站楼首期工程的建筑面积约35万M2场区的基本风压为0.45KN/M2，基本设防烈度为6度，抗震措施设防烈度为7度航站楼建设方案及 初步设计由美国PARSONS公司和URS Greiner公司设计，施工图设计又广东省建筑设计研究院完成．航站楼建筑 群由伸缩缝自然分成四部分：主楼、东西共两栋连接楼、东西共四条指廊、东西共四条高架连廊，航站楼总平面图见图1 二、 基础工程概况1、基础工程概况广州新白云国际机场位于广州市白云去人和镇与花都区花东镇之间，距广州市中心海珠广场的直线距离为28 千米，地处珠江三角洲北部，为亚热带复盖型岩溶地区，水文地质条件极为复杂。
混凝土楼盖的柱网为18M× 18M，主楼钢桁架的跨度为７６.９m，单柱的最大轴力约25000KN在设计阶段完成了1052个地质勘察钻探孔， 在施工阶段完成了3146个超前钻探孔及施工检验孔根据地质资料揭示自上而下的土（岩）层为：（1）松散杂 填土、耕土；（2）可塑粉质粘土；（3）松散粗沙；（4）可塑――软塑粉质粘土；（5）松散砾砂；（6）软 塑――流塑粉质粘土；（7）灰岩约有1/4的钻孔发现有土洞、溶洞或溶沟、溶槽越深，软土堆积约厚场区 内最高的土洞高29米，最高的溶洞高22米，基岩的埋深为15~60米，大部分基岩的埋深为25~35米，基岩为微风 化石灰岩，岩石单轴饱和和抗压强度为26~178Mpa石灰岩岩溶发育，石芽、石柱、石墩、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞等纵横交错，布满全区，岩石面之上，分布着能形成土洞 的软一流塑形软土地下水主要为上部砂层的孔隙水和基岩裂隙水，富水性中等，两含水层之间有众多的水力 联系地基条件存在多方面影响基础稳定性的因素2、浅基础的可行性及摩擦桩实验初步设计时勉励多种基础方案选择，分别是天然低级浅基础、中等深度摩擦桩基础以及端承桩深基础 天然低 级的基础持力层为软土层，这些软弱土层的强度低，厚度大，工程性质差，需要对土层进行广泛的加固，并需 探明基础持力层范围内的土洞、溶洞及溶沟槽，再对这些岩溶进行填充加固。
摩擦桩的基础持力层也是在较软 土层，为了检验各种摩擦桩的承载力，先后进行了多种摩擦桩的静载荷破坏试验图2A是有钢桩靴的Φ500预 应力管桩,用35＃柴油锤锤击沉桩,桩长14米,桩底以下4米有土洞,桩端持力层为可塑粉质粘土, 1#试桩单桩竖向 抗压极限承载力为300KN,破坏何在为548KN.图2B是2#试桩,距离1#试桩2米处用35#柴油锤打下一根没有桩靴的 开口Φ500预应力管桩,桩长同样为14米,沉桩后在桩端压入约1.53水泥浆2#试桩的单桩竖向抗压极限承载力为 900KN，破坏荷载为1023KN图3是桩侧压浆的6桩承台，同样为14米桩长的Φ500预应力管桩，用35#柴油锤沉桩，6桩承台一共压入14m3水泥 浆静载实验过程中沉降均匀，在最大实验荷载15000KN作用下桩顶累计沉降为18.34mm，6桩承台的竖向极限承载力≥15000KN综合这些试验，我们认为：在石灰岩岩溶地区，摩擦桩是一种可行的基础形式，普通的摩擦桩承载力低，不经济 摩擦桩可用后压水泥浆加固，单桩宜用桩底压浆，多桩承台用桩侧压浆的效果很好为了防止沉桩过程土洞崩塌 及验证桩的承载力，沉桩机械宜采用静压桩机采用天然地基或摩擦桩基础的主要缺点是地基的长期稳定性差， 如果附近发生长期的大规模取水，或者深层抽水，势必改变场区的水文地质情况，影响浅基础的安全于稳定。
3、嵌岩桩设计嵌岩端承桩是穿过土洞、溶洞及溶沟槽，桩嵌入微风化岩层嵌岩桩的主要优点是：桩嵌入微风化岩层，受力 可靠，沉降小，受其他因素影响小场地微风化岩层埋深一般为30米左右，岩层埋藏不深对嵌岩桩的施工有利 场区内岩溶大部分是岩溶裂缝以及高度小于1米的溶洞，连同的大溶洞不多，施工嵌岩混凝土灌注桩是可行的 航站楼的主体结构决定采用嵌岩端承桩在本工程，灌注桩的混凝土浇注并无太大问题，主要的困难是如何确 定桩终孔标高及如何穿越土洞、溶洞、溶沟槽桩终孔标高由地质勘察孔、超前钻孔以及施工验孔决定Φ14 00桩每桩做3孔超前钻，Φ1200及Φ1000桩每桩做2孔超前钻，Φ800及Φ600桩每桩做1孔超前钻或利用原有的地 质勘察孔，超前钻入岩6~9米，以确保桩底完全基岩厚度≥3d，若超前钻于是时的实际情况有较大差异，则在桩 施工时再做验孔检查当灌注桩穿越土洞时，可抛填泥块或袋袋粘土填充土洞当桩遭遇溶洞或溶沟槽时，在 抛填泥块的同时掺抛片石填充溶洞，若土洞或溶洞的高度较大，可采用钢护筒钢护筒造价高，要求施工精确 在实际中应用不多若岩面倾斜，可反复修孔、纠正无效再用抛填掺石块或片石的粘土处理如遇塌孔，回填 粘土，加大泥浆比重，反复冲击造壁后，继续冲孔。
桩孔附近常备200M3以上的泥浆及50M3以上的粘土泥块、石 块、片石，松散粘土用袋装好，以备应急救险使用嵌岩桩全截面入岩1米，无遇到岩溶时，一根Φ1200桩工期 约为10天，其中入岩段需要3~4天，遇到岩溶或岩面倾斜，一根桩的工期约为一个月，遇到复杂的岩溶，一根桩 相对浅基础来说深基础的工期长，施工困难除施工原因外，影响嵌岩桩质量的不利因素是：（1）桩端持力层范围内若存在洞顶厚度不大，又未被发现的小溶洞，会对桩基础的安全构成潜在的威胁2）桩端持力层范围内的岩溶裂缝发育，岩石破碎，降低了持力层的岩石质量3）场区内存在溶沟、溶槽、石柱、石墩、落水洞的边壁，这些边壁的高度一般为10~20米，有的在桩侧形成临 空面，影响桩的稳定性 我们响应的设计措施是：（1）控制嵌岩桩的轴力本工程嵌岩桩的实际受力约为 桩承载力的70%由于场地内竖向发育的溶蚀裂隙分布复杂，尽管进行了多次工程勘察，桩基施工中又采取 了多项有效措施，但仍有溶蚀裂隙和细小溶洞未被发现，在桩基抽芯检测时又被揭露航站楼主楼冲孔灌 注桩的抽芯率达到13%，抽芯的桩有4%发现有溶蚀裂隙，岩芯呈半边溶蚀或者裂隙中可见溶痕、溶蚀或者裂 隙中可见溶痕、溶蚀现象，在一定程度上破坏了岩体完整性，使其整体的力学强度降低。
溶洞、溶蚀裂隙 中有流动的地下水，溶蚀作用将使溶洞、裂隙的规模扩大，岩体进一步受损害据推算，在100年内，石灰 岩的溶洞、溶蚀裂隙将在现有的规模上扩大约30~60MM，虽然此时溶洞、溶蚀裂隙侧壁的岩体不会因桩端施 压而破坏，但其整体力学强度有所降低对这些在抽芯中发现的桩底持力层有缺陷的桩都做了静载试压， 静载试压合格周再加压注浆补强考虑到种种的不利因素，桩的承载力留有较大富裕量是必要的2） 按建筑物的重要性及柱轴力的大小，我们采用了不同基础形式主楼的屋盖结构是76米跨度的空间桁架， 地面以下有一层或而层地下室（地铁站），主楼柱的最大轴力为25000KN，主楼采用的是嵌岩桩--筏板基础 筏板厚1.4米及1.6米，采用后张有粘结预应力混凝土结构，底下室的挡土结构为钢筋混凝土地下连续墙 航站楼的两翼，包括动西连接楼及东西指廊，屋盖为24~35米跨度的钢桁架，楼盖为18米及12米柱网的混凝 土结构，无地下室，最大轴力的柱为15000KN，采用嵌岩桩基础航站楼的地面比原土面搞2~3米，地面结构 地下通道结构采用静压管桩基础桩--筏基础的安全等级最好，嵌岩桩基础次之，摩擦桩的安全等级较低 （3）非桩- -筏基础的嵌岩桩，若发现桩侧形成较高的临空面，桩侧注浆，提高桩的稳定性。
4、航站楼桩基础工程简介主楼最大的箱形柱截面为2500×4500mm，轴力为2500KN，柱下布置4根嵌岩桩，其余柱分别为单柱及双柱两 翼连接楼中柱的轴力为15000KN，为3根嵌岩桩的基础，其余柱为单桩及双桩基础，指廊柱为单桩及双桩基础 嵌岩桩曾考虑过采用带钢护筒及硬合金钻头的干式成孔钻孔桩，后因国内这类桩机的数量太少而改为湿式成 孔泥浆护壁反循环冲孔灌注桩航站楼工程冲孔数量约为2000根，桩混凝土量约为4万M3；静压管桩数量约30 00根，两类桩的总长度为140千米，平均每根桩长度为28米，Φ1200桩承载力为10000KN实际应用时约为7000K N静压管桩的承载力为600~1000KN桩基础工程的施工工期从2000.5~2001.3，共约10个月本工程岩面最 陡的一根桩Φ1400冲孔桩一侧入岩21米，另一侧入岩1米，岩面倾角为86o施工最困难的一根桩，耗时96天 施工时冲锤被溶洞卡死，钢丝绳拉断，不得已的情况下派潜水员下桩底放炸药爆破，多次作业后才将冲锤取出 相对桩来说，地下连续墙的施工要顺利得多，地下连续墙的主要功能是挡土及挡水，连续墙也承重及抗浮， 连续墙入微风化石灰岩500MM，无对墙底岩体完整性提出要求，连续墙围封后，降水顺利，效果很好。
5、航站楼桩基础工程检测简介桩基础的质量检测分别为静载实验、抽芯、动测、超声波检测、桩混凝土试压等5种 主楼冲孔桩共447根，静压管桩共681根静载试压共进行4根，占冲孔桩总数的1.9%，4根静载试验桩的承载力 全部合格抽芯桩59根，占冲孔桩总数的13%，抽芯桩的桩身混凝土全部合格冲孔桩动测351根，占冲孔桩的 78.5%，检测桩全部合格其中I类桩占76.35%超声波检测38根，占Φ1200及Φ1400桩总数的18.7%，全部合格 其中I类桩占94.74%桩混凝土试压447组，全部合格，平均强度44.76%Mpa主楼 冲孔桩的检测率为100%，每一根桩都经过静载、或者抽芯、或者动测、或者超声波检测静压桩动测76根，占 全部静压桩总述的11.2%全部合格，其中I类桩占88.76%两翼桩的检测密度少于主楼，检测全部合格从检测 结果看，桩的质量良好三、 混凝土结构设计1、 混凝土结构工程概况主航站楼长325M，宽235M，地下局部2层，柱网18M×18M，建筑面积约14万M2，地下部分地下部分不分缝，混凝 土结构的最大长度325M，地面以上用三道伸缩缝把主楼混凝土平面分成6个结构单元，混凝土结构的最大长度为 96M。
东西连接楼每翼各位450M×62M，地上3层，柱网18M×18M，两翼连接楼的总建筑面积约12万M2，每翼用三 道伸缩缝把混凝土平面分成4个结构单元，每个结构单元的长度为108M东一西一指廊每翼约360M×34M，东二 西二指廊每翼约252M×34M，地上三层，柱网12M×12M，指廊的总建筑面积约9万M2东一西一指廊用三道伸缩 缝把混凝土平面分成4个结构单元长度为84M主楼剖面图见图4 连接楼剖面图见图5，指廊剖面图见图6主楼地面以上混凝土结构工期为2001.8~2002.1，东西两翼混凝 土结构工 期为2001.11~2002.4航站楼混凝土结构的特点是结构单元长、柱网大主框架梁的高度为1M，宽度分别为2M、2.5M、 3.0M，为宽扁梁结构主楼负二层基础筏板的板厚1.6M，体积约9000M3，主楼负一层两块基础筏板的板厚 .4M，每块 的体积约13000M3，为大体积混凝土板 在航站楼的混凝土结构中，我们全部采用了后张部分预应力混凝土结构。