淺論土木工程

劉志娥

【摘 要】應該說大部分土木工程技術是改革開放后為了適應工程建設發展的需要而引進的。目前筆者經過總結，認為近三年來有如下幾項新技術：

1、地下工程與深基礎施工技術，特別是深基坑的邊坡支護和信息化施工技術，同時還有特種地基（包括軟土地基）的加固處理技術。

2、高層建筑成套施工技術。特別是超高層鋼結構、勁性鋼筋混凝土結構和鋼管混凝土結構的應用技術。

3、小型混凝土砌塊建筑和框架輕墻建筑體系技術，用于改進與提高多層建筑功能質量。

4、建筑節能、環保與生態建設技術。

5、開發智能建筑技術，研究解決施工安裝與調試中的問題。

6、建筑施工中的現代信息技術。

7、復雜結構定位測控技術。

8、建筑企業的現代管理和計算機應用技術。

【關鍵詞】加固處理；建筑節能；環保；信息化；智能建筑等

1. 引言

（1）目前，我國已經開始大規模地利用地下空間進行地下鐵道﹑地下停車場、地下倉庫、地下商場等地下結構的建設及熱力管道、電力管道、通信電纜、給排水管道、燃氣管道各種管道的鋪設。在地下空間的開發利用過程中，地下結構技術也得到了長足的發展。以下主要對各種新型的地下空間結構的施工技術作了簡單的介紹。

（2）隨著我國城市化進程的加快，城市建設快速發展，城市規模不斷擴大，城市人口急劇膨脹，許多城市都不同程度地出現了建筑用地緊張、生存空間擁擠、交通阻塞、基礎設施落后、生態失衡、環境惡化等疾病，給人們的居住生活帶來了很大影響，也嚴重制約了城市經濟與社會的進一步發展，成為我國現代城市可持續發展的障礙。因此，地下空間在城市可持續發展中的作用與地位日益突出，越來越得到人們的重視。在國際上，1991年，《東京宣言》提出“21世紀是人類地下空間開發利用的世紀”的口號。

（3）現代土木工程技術是伴隨現代化建設而發展的。土木工程功能化，交通高速化，城市建設立體化，綜合改飛善人居環境已成為現代土木工程的特征。近3年以來土木工程新技術不斷發展，為此筆者為您介紹具體土木工程的技術應用新情況。

2. 部分新技術的應用情況

2.1 地基處理綜合應用新技術。

近幾年，多種地基處理技術的綜合應用得到重視和發展，比如在澳門國際機場人工島建設中綜合應用了換填法、排水固結法、振沖密實法和表層壓密法等多種地基處理方法，取得了很好的經濟效益和社會效益。多種地基處理技術的綜合應用是很重要的方向，下面簡單介紹我公司在浦東國際機場三跑道地基處理的情況：

2.2 三跑道是上海航空樞紐港的重要組成部分，總體規劃將其定位為一跑道的近距跑道，位于現有一跑道西側，與一跑道平行相距460m。三跑道按照4F標準建設，跑道長3400m，道面寬60m，兩側道肩各寬7.5m。同時設置東（西）兩條平行滑行道、六條快速出口滑行道、六條穿越滑行道和西貨運機坪等。

2.2.1 三跑道場區內主要工程地質問題：

通過工程地質條件和沉降計算分析情況，可以認為，三跑道場區主要存在兩個工程地質問題：沉降變形問題和淺層土不均勻及低強度問題。

2.2.1.1 沉降變形問題：

①淺部土層沉降變形。

②中部土層沉降變形。

③不均勻沉降變形。

2.2.1.2 淺部土層不均勻和低強度問題：

淺部土層的最大特征是不均勻性。在淺部土層厚度不大的范圍內，物理力學性能差異較大，容易產生不均勻變形；其次，對于同一土層的不同位置，其物理力學性能也有較大的差異。

2.2.1.3 地基處理的目標分析和確定：

（1）工后沉降問題越來越引起人們的關注，一方面因為在軟土地區已經建成的機場都發生了或多或少的工后沉降量，并且工后沉降已大于原有設計的沉降控制指標，比如浦東機場一跑道、寧波櫟社機場、溫州永強機場、杭州蕭山機場、珠海機場、深圳機場以及濟南機場等；另一方面因為盡管客觀上發生了一定程度的工后沉降，所有這些機場經歷了時間的考驗，目前都處于正常、安全和高效的運行狀態，沒有發生工后沉降問題所導致的飛行安全問題；再一方面因為國際民航組織亦未制定出明確的工后沉降相關規定和標準，而目前國內外軟土地區機場由于工后沉降控制問題所涉及到的問題較多，其取值直接影響到工程造價及道面的今后使用狀態，人們對這個問題的看法及看問題的角度仍不一致。根據大量的事實和數據，目前比較一致的看法是重點控制工后差異沉降。

（2）鑒于以上分析，提出“全范圍淺層處理+古河道深層處理”方案，從技術上來說，該方案的設計原則是允許工后沉降的均勻發生，但控制差異沉降坡度在1‰以內。從施工工期而言，“全范圍淺層處理+古河道深層處理”方案施工時間可以控制在6個月以內，并且通過增加施工設備和作業面等手段，易于全場區掌控施工周期。同時，大面積淺層處理的工程費用將大大減少，三跑道地基處理面積115萬m2，大面積淺層處理可節省費用約1.8億元。

2.2.1.4 三跑道地基處理方案：

一直以來，地基處理就是浦東機場場道工程建設的重要步驟和環節。合理的地基處理措施可以為跑道提供穩定堅實的基礎，為今后跑道的正常運營和維護發揮潛在的作用；合理的地基處理措施不僅要求技術先進，還要求經濟合理。針對三跑道存在淺層土不均勻、低強度和差異沉降變形等主要工程地質問題，在經過實驗的基礎上，上海機場建設指揮部于2005年8月底組織召開了三跑道大面積地基處理方案專家研討會，確定了全范圍“井點降水+墊層+沖擊碾壓”淺層處理結合古河道區域“真空預壓”深層處理的方案。該地基處理方案原則上允許工后沉降的均勻發生，但解決了大家關注的工后差異沉降和道槽基礎強度等問題，達到了技術可行、經濟合理、縮短工期的目標。“井點降水+墊層+沖擊碾壓”淺層處理方案和“真空預壓”深層處理方案屬于在國內機場首次大面積成功應用，不僅節省了近億元的投資，還縮短了2個月的工期，也為沿海軟土地區的機場飛行區地基處理方式提供了有益借鑒。endprint

（1）淺層地基處理方案確定的理由：

淺層地基處理有很多種工藝，比如沖擊碾壓、強夯、重型機械壓實、振沖擠密、換填和排水擊密法等。根據三跑道的場地條件和工程地質條件，確定三跑道淺層地基處理采用以下兩種方案之一：“井點降水+墊層+沖擊碾壓”方案和“井點降水+強夯+墊層+沖擊碾壓”方案，在兩種方案的比選中，在同樣能達到淺層地基處理目的的前提下專家認為，“井點降水+墊層+沖擊碾壓”方案是三跑道經濟而有效的淺層地基處理方案。這也是三跑道系統真正的設計革命，反映出民航設計總院和民航華東設計院的博弈中以華東院勝出而告終。

（2）深層地基處理方案確定的理由：

預壓法是深層地基處理常用的經濟而有效的方法，根據場區實際情況，提出了“堆載預壓”和“真空預壓”兩個方法并進行比選。真空預壓法和堆載預壓法都屬于預壓法，對深層軟弱土基處理效果顯著，通過在預壓期內基本或部分完成工程荷載作用下的預期沉降，從而減少工后沉降的發生，同時提高地基的承載力和穩定性。針對三跑道，真空預壓法和堆載預壓法相比具有更適用的特點：

三跑道的古河道區域深層地基處理采用真空預壓法。

2.2.2 三跑道地基處理施工工藝創新點：

（1）三跑道場地屬河口、砂嘴、砂島地貌，為百年前新淤積而成的濱海平原，地基土質總體上具有高含水量、高壓縮性、低強度的工程特征。通過工程地質條件和沉降計算分析認為，三跑道場區主要存在兩個工程地質問題：沉降變形問題（主要是在古河道區域與兩側引起的差異沉降變形）和淺層土不均勻及低強度問題。如何有效解決上述問題是本次地基處理工程的一大難題。

（2）針對三跑道存在的主要工程地質問題，提出了全范圍采用“高真空降水+山皮石墊層+沖擊碾壓”淺層加固處理，古河道區域采用“真空預壓+山皮石墊層+沖擊碾壓”深、淺結合處理，以達到減少差異沉降的目的。

（3）無論是真空預壓還是沖擊碾壓，在如此大面積的機場場道地基處理中都是首次采用。雖然沖擊碾壓在二跑道地基處理時已經作為代替滿夯的措施開始使用，但三跑道第一次將其作為單獨的地基處理手段本身就是一種大膽的嘗試。真空預壓與沖擊碾壓相結合的地基處理方式的成功運用，不僅為三跑道地基處理節約了投資，縮短了工期，同時也為類似工程提供了有益的借鑒。

2.2.3 沉降分析和容許沉降量的計算：

（1）工程荷載：對三跑道天然地基而言，其主要工程荷載包括道面結構荷載和填土荷載。其中，道面結構荷載為20.5KPa，填土荷載為8.6KPa。工程總荷載為29.1KPa。

（2）沉降變形計算式：地基沉降變形計算采用建筑地基基礎設計規范（GB50007-2002）的分層總和法。

（3）沉降變形計算結果：在工程荷載（道面結構荷載和填土荷載）作用下，跑道中線處天然地基的沉降為34.7cm（正常區域）和43.5cm（古河道區域）。

2.2.4 三跑道系統地基處理方案的實施：

2.2.4.1 真空預壓地基處理：

真空預壓技術是一個組合工藝，完成過程也需要其他的地基處理方法配合實現，如深層攪拌樁和塑料排水板的技術，設計技術要求如下：

①排水墊層材料采用砂礫石（上部10cm厚可采用中粗砂，以利于保護真空密封膜），墊層厚度為50cm，砂礫石墊層要求有良好的滲透性，滲透系數不低于10-2cm/s，含泥量不超過3%。

②塑料排水板采用C型，寬度10cm，厚度不小于4.5mm。塑料排水板呈等邊三角形平面布置，間距為1.5m。

③塑料排水板入土深度以穿透第④淤泥質粘土層為準，約為20m。

④真空預壓的膜下真空度應保持在650mmHg以上。

⑤密封帷幕采用水泥攪拌樁。水泥攪拌樁的滲透系數檢測采用原位注水滲透檢測，現場成樁7天后取芯進行注水試驗，要求樁體的滲透系數小于1×10-6cm/s。

表1

機型 機重t 壓實

輪重t 振幅cm 頻 率擊/秒 行駛速度Km/h 勢能KJ 動能KJ沖擊力t

LICP3 27 12 22 1.7 12～15 25 200 250

LICP5 24 10 20 2.6 12～15 20 130 200

⑥卸載標準：真空預壓累計時間為60天，各真空預壓分區完成累計沉降平均值為25cm。

2.2.4.2 真空預壓地基處理監測、檢測內容：

①、孔隙水壓力監測②、地下水位監測③、膜下真空度監測④、地面沉降監測⑤、分層沉降監測⑥、深層位移監測⑦、原位十字板剪切試驗。

2.2.4.3 真空預壓施工工藝：

（1）真空預壓標準化施工是從施工準備、砂礫墊層施工工藝、塑料排水板施工工藝、水泥攪拌樁施工工藝、真空預壓工藝共5個施工工藝方面進行明確的規范和統一。

①塑料排水板的施工。

②水泥攪拌樁密封墻的應用：主要是解決砂質粉土地層滲透系數過高的問題，該區域為 2.94～7.71×10-4cm/s，施工過程中如果不采取密封措施將難以達到設計的真空度。因此，在周邊采用水泥攪拌樁密封墻，增強密封效果和降低維護真空的成本，降低土體的滲透性。

③真空預壓階段的施工：

真空預壓工藝主要施工流程包括場地準備、真空設備及安裝、密封薄膜及密封溝、抽真空、成品保護等5個工藝。

（2）真空預壓施工的主要成果和達到的指標如下：

經過90天真空預壓，試驗區平均沉降量為21.8cm，最大沉降量達到27.3cm。

第④層淤泥質粘土的分層沉降量約占總沉降量的60%左右，其十字板不排水抗剪強度提高29.4%，靜探比貫入阻力Ps提高18.5%；可見，真空預壓工藝達到了有效處理深部軟弱土層的目的。endprint

水泥攪拌樁作為第③2砂質粉土的氣密性措施，效果明顯，能夠使膜下真空度長期保持在80KPa以上。

2.2.4.4 高真空降水施工：

（1）高真空降水處理影響質量的關鍵在于其降水設備和井點管的布置方案，施工中必須嚴格按照設計的要求和方案組織施工。

（2）高真空降水設備：為帶平衡裝置的可調高真空系統，系統包含高真空泵、平衡器、射流泵等。

（3）井點管布置：高真空降水井點管按照如下方案布置（井點降水管平面布置圖見圖1）：

A.井點管的布置為深層4m×8m，入土深度6m；淺層4m×4m，入土深度3m。

B.成井工藝基本要求：孔徑≮150mm、井點管直徑≮50mm、濾水管長度≮1.2m。

圖1 井點降水管平面布置圖

表2

大小

項目

比貫入阻力當量值（MPa） 標準貫入當量值（擊） 地基反應模量（MPa/m3）

平均值 4.05 9.83 75.95

最大值 7.55 14.0 148.90

最小值 3.10 7.4 60.30

備注 檢測點220點 檢測點數220點 檢測點數185點

2.2.4.5 沖擊碾壓施工及工藝流程：

（1）原理及流程：沖擊碾壓是利用三邊形或五邊形重輪來產生集中沖擊能量對土基進行壓實。這兩種機型工作中振幅不同，頻率不同，組合作用時土層產生不同振幅，不同頻率的振動響應，不易導致液化傾向。與傳統的振動壓路機相比，沖擊碾壓將一般碾壓機具的高頻率、低振幅振動改為低頻率、高振幅振動，壓實沖擊能量可增加lO倍（以25kJ三邊形沖擊壓實機為例），壓實影響深度可達5m，在3～4m深度內壓實效果明顯，對土基強度的提高有顯著作用，而且沖擊碾壓速度提高1～2倍，工作效率高。

（2）沖擊式壓實機械參數表（見表1）。

（3）三跑道沖擊碾壓地基處理后檢測綜合結果見表2（比貫入阻力頻度分布圖見圖2，標準貫入錘擊數頻度分布圖見圖3、道面區地基反應模量頻度分布圖見圖4）：

2.3 計算機應用技術。

（1）工程概況。

某大廈用地面積約6180m2，總建筑面積26695m2。本基坑工程開挖深度為9.6m～10.5m，局部集水井、電梯井落深區開挖11m～12.7m。基坑圍護采用SWM工法+二道砼圓環支撐相結合的圍護形式。

本工程場地地貌類型屬河口、砂嘴、砂島地貌，原地面標高為3.78m～4.62m之間，場地高差0.84m。

圖2 比貫入阻力頻度分布圖

圖3 標準貫入錘擊數頻度分布圖

圖4 道面區地基反應模量頻度分布圖

（2）場地概況。

基地周邊地下管線情況為：云鵑路管線排設情況，云鵑路西側由基地紅線向外分別為；上水（200mm）平面距紅線1.5米左右，埋深1.0～1.5米左右；信息（15孔）平面距紅線2米左右，埋深0.8米左右；污水（600mm）平面距紅線5.5米左右，埋深4.5～5.5米左右。云鵑路東側電力排管（15孔）平面距紅線26米左右，埋深2.0米左右；燃氣管線（159mm）平面距紅線25米左右，埋深1.5米左右最近的上水管線離基地紅線距離約為1.5米。沿環湖西二路上東側管線排設情況，由基地向外分別排設為供排水（要搬遷）；電力排管（15孔）平面距新做圍墻1米左右，埋深2.0米左右；污水（600mm）平面距新做圍墻2.5米左右，埋深4.5～5.5米左右、信息（15孔）平面距新做圍墻5米左右，埋深0.8米左右；最近的電力排管距基地新做圍約為1米。

（3）各土層主要特征參數。

A.根據本工程巖土勘察報告顯示本地塊各土層主要特征參數分別如表3：

表3

層號土層名稱厚度（m）重度（γ）固結快剪C（KPa）φ（°）孔隙比（e）滲透系數（20℃）KV（cm/s）Kh（cm/s）

①1 素填土 1.05

①3 沖填土 1.67 17.9 15.0 16.01.053 2.66e-05 4.85e-05

②3 砂質粉土 12.48 18.7 6.0 32.0 0.837 9.06e-04 1.03e-03

④ 淤泥質粘土 4.3 17.0 11.0 11.5 1.364 1.75e-07 2.58e-07

⑤ 灰色粉質粘土 8.92 17.6 16.0 15.0 1.162 1.93e-07 2.78e-07

⑦1 砂質粉土 19.0 7.0 32.0 0.763

B.根據地質資料顯示，基坑位于以飽和的粉性土為主的沖填土及砂質粉土中，容易在地下動水條件下產生流砂現象。

（4）設計概況。

根據以上情況，基坑設計需要謹慎，為此建立了考慮周邊環境條件的、“基坑支撐一層并開挖一層（開挖第一層之前無支撐）為一工況，內支撐置換一層并拆除一層為一工況”的深基坑多工況模擬模型，開展了基坑變形控制計算機模擬的拓展分析，分析了土體變形模量、內摩擦角和粘聚力對基坑變形的影響，為基坑工程的變形控制提供理論依據和模擬參考。

（5）效果。

我們嚴格根據以上設計監理的工況進行施工，效果非常明顯。基坑的所有變形量均在規范范圍。

參考文獻

[1] 《土木工程學科前沿 》.

[2] 《土木工程概論》.

[3] 《土木工程施工新工藝》.

[文章編號]1619-2737（2014）12-18-933endprint