·86· 福 建 建 筑 2023 年

从图 8 可以看出,采用相同的图例,不难看出,

GHS 模型坑底的剪切刚度 Eur显著大于 HSS 模型。

4. 3 基坑底隆起对比

图 9 所示为基坑开挖过程的总位移变形图。

(a)开挖深度 3. 2m(GHS)

(b)开挖深度 6. 3m(GHS)

(c)开挖深度 10m(GHS)

(d)开挖深度 3. 2m(HSS)

(e)开挖深度 6. 3m(HSS)

(f)开挖深度 10m(HSS)

图 9 GHS 与 HSS 模型开挖过程变形图

从图 9 看出,在开挖到深度 3. 2 m 时,GHS 模型

和 HSS 模型隆起量极值分别为 3. 35 和 3. 77;在开挖

到深度 6. 3 m 时,GHS 模型和 HSS 模型隆起量极值

分别为 5. 29 和 6. 66;在开挖到坑底深度 10 m 时,

GHS 模型和 HSS 模型隆起量极值分别为 4. 79 和

8. 78。 统计数值如表 2 所示。

表 2 坑底隆起极限值统计表

开挖深度 HSS GHS 降低比例

3. 2m 3. 77 3. 35 11. 1%

6. 3m 6. 66 5. 29 20. 6%

10m 8. 78 4. 79 45. 4%

从表 2 可见,GHS 在基坑开挖全程,都获得显著

更少的隆起量。 本工程采用 GHS 模拟坑底地层,可

减少 45. 4% 的坑底隆起量极值。

4. 4 地铁管片竖向变形

在 3. 3 节中模拟工况中,基坑开挖前增加“激活

既有 3 号线地铁隧道管片结构”,同时将其内部的土

体和水全部开挖,基坑开挖对地铁管片竖向变形如图

10 所示。

2023 年 09 期 总第 303 期 张家勇·土体 GHS 与 HSS 模型选择对基坑数值分析结果的影响 ·87·

(a)HSS 模型

(b)GHS 模型

图 10 隧道竖向位移云图

从图 10 可以看出,受到开挖卸载影响,基坑下方

的隧道段向上隆起。 HSS 模型和 GHS 模型的隧道顶

部隆起量值最大值分别为 3. 12 mm 和 1. 55 mm。 采

用 GHS 模型计算的下卧盾构隧道的变形量,小于采

用 HSS 模型计算的变形量。

5 工程实测分析

由于监测基坑底隆起量难度较大,监测很难准

确,因此,竖向位移监测点布设在隧道衬砌结构道床

和拱底位置,如图 11 所示。

图 11 监测点布置图

下卧盾构隧道道床结构竖向位移和管片水平收

敛如图 12 所示。

(a)竖向位移

(b)水平收敛

图 12 隧道实测数据

根据监测数据情况显示,各监测点累计隆起量均

位于 0. 62 mm ~ 1. 61 mm 之间。 其中,右线最大累计

沉降量为 1. 61 mm,与 GHS 模型计算值 1. 55 mm 较

为接近。

6 结语

(1)基坑开挖后,坑底相邻区域第三主应力显著

降低,HSS 模型坑底刚度与第三主应力相关。 GHS 模

型坑底刚度与当前平均主应力和前期应力相关,因

此,GHS 坑底应力相关刚度的计算应力水平,比 HSS

模型的更高,GHS 模型坑底的剪切刚度 Eur显著大于

HSS 模型。

(2)在基坑开挖各阶段,采用 GHS 模型,在基坑

开挖全程都获得显著更少的隆起量。 当开挖至坑底

地层(开挖 10 m),可减少 45. 4% 的坑底隆起量极值。

(3)HSS 模型和 GHS 模型的隧道顶部隆起量值,

最大值分别为 3. 12 mm 和 1. 55 mm。 采用 GHS 模型

计算的下卧盾构隧道的变形量,小于采用 HSS 模型计

算的变形量,更加接近于工程实测值。

·88· 福 建 建 筑 2023 年

参 考 文 献

[1] Huang M S,Wang W D,Zheng G. A review of recent advances in the underground engineering and deep excavations in soft soils [ J]. China Civil Engineering Journal,

2012,45(6):146 - 161.

[2] Wu S H,Ching J Y,Ou C Y. Probabilistic observational

method for estimating wall displacements in excavations

[J]. Canadian Geotechnical Journal,2014,51(10):1111 -

1122.

[3] 胡建林,孙利成,崔宏环,等. 修正摩尔库伦模型下的深

基坑变形数值分析[ J]. 辽宁工程技术大学学报(自然

科学版),2021,40(02):134 - 140.

[4] 俞峰,苟尧泊,谢征兵. 基坑开挖回弹对工程桩承载性状

的影响分析[J]. 施工技术,2017,46(S2):26 - 30.

[5] 何怡,苏丽娜,庄心善. 改进邓肯—张模型在基坑减载土

体中的应用[J]. 建筑科学,2010,26(09):87 - 90,103.

[6] Ardakani A,Bayat M,Javanmard M. Numerical modeling of

soil nail walls considering Mohr Coulomb,hardening soil and

hardening soil with small - strain stiffness effect models[J].

Geomechanics and Engineering,2014,6(4):391 - 401.

[7] 尹骥. 小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应

用[J]. 岩土工程学报,2010,32(S1):166 - 172.

[8] 王海波,徐明,宋二祥. 基于硬化土模型的小应变本构模

型研究[J]. 岩土力学,2011,32(1):39 - 43,136.

[9] 施有志,柴建峰,赵花丽,等. 地铁深基坑开挖对邻近建

筑物影响分析[ J]. 防灾减灾工程学报,2018,38 (06):

927 - 935.

[10] 顾晓强,吴瑞拓,梁发云,等. 上海土体小应变硬化模型

整套参数取值方法及工程验证[ J]. 岩土力学,2021,42

(03):833 - 845.

[11] 罗敏敏,陈赟,周江. 小应变土体硬化模型参数取值研究

现状与展望[J]. 工业建筑,2021,51(04):172 - 180.

[12] 赵保,田雷,赵伟阳,等. 杭州富水粉砂水泥土 HSS 模型

参数实验研究[ J]. 浙江工业大学学报,2021,49 (01):

53 - 59.

[13] 施有志,林树枝,车爱兰. 基于深基坑监测数据的土体小

应变刚度参数优化分析[ J]. 应用力学学报,2017,34

(04):654 - 660,813.

(上接第 46 页)

处理平台,实现各系统应用数据的联动共享,对园区

运营的各环节、各要素进行端到端的管理,全面提高

园区运行效率。 最后,构建智慧物流园区云平台,以

大数据和云计算技术为基础,为客户、司机、承运商、

客服、监督部门等提供一个统一交互平台。 使用者可

以利用一体机、电脑或移动设备进入相关 APP,进行

信息交互、运输交易、客服服务、调度配载、结算服务

和监控管理等功能使用。

4 结语

基于人工智能和大数据技术,智慧物流平台通过

信息整合、资源共享、融合创新等方式将制造企业、商

贸企业等物流需求方,物流企业、物流园区等服务供

给方,金融机构、相关政府部门及其他相关合作伙伴,

打造智慧物流生态系统。 智慧公路港作为物流系统

的重要组成部分,涉及多个利益主体,需要科学、系统

地进行规划。 空间作为承载各种功能活动的载体,对

其进行合理设计,是物流园区系统规划的重要环节。

在公路港的规划设计中,要做好物流园区功能的细分

和整合。 在集约用地,在发挥综合园区的价值的同

时,为物流仓储、增值服务和配套服务创造良好的空

间条件。 通过对流线的合理组织、建筑的弹性设计,

可以实现公路港货物高效运转,满足客户个性化仓储

需求的目的。 智慧物流是一项复杂的系统工程,它不

仅需要物流机构、互联网企业、物流用户等直接相关

方的参与,还需要众多物流相关领域的参与和帮助,

如政府政策的监管作用、经济社会的支持作用、技术

创新的驱动作用、法律法规的保障作用。 只有构建起

良性的、健康的生态链,才能促进整个系统稳定运行,

推动智慧物流不断发展。

参 考 文 献

[1] 王瞿建,欧宁,俞骏. 我国公路港物流模式的发展探析

[J]. 物流工程与管理,2016,38(1):5 - 6.

[2] 林锋. 江西省公路港及联运一体化建设研究[J]. 中国物

流与采购,2019(4):30 - 31.

[3] 费梦琪. 物流园区信息化发展现状和阻碍因素分析[ J].

中国储运,2016(9):116 - 119.

[4] 鲁建东. 物流园中存在的诚信问题探讨[ J]. 物流科技,

2007(4):51 - 52.

[5] 齐晗,张宁. “公路港”物流模式对物流园区发展的影响

[J]. 安徽工业大学学报(社会科学版),2019,36(5):27

- 29.

[6] 张英贤. 泉州传化公路港 内外互联 - 上下融合[ J]. 驾

驶园,2016(11):24 - 25.

[7] 如何看待公路港模式在我国物流园区发展中的作用

[N]. 现代物流报. 2014 - 4 - 18.

[8] 王琳琳. 现代物流园建筑规划设计要素研究[J]. 中国住

宅设施,2020(6):61,63.

[9] 花屹. 嘉兴市交通物流业发展的制约因素与对策思考

[J]. 交通企业管理,2011,26(1):54 - 56.

[10] 李铌,江蓉蓉. “互联网 + ”物流园规划研究———以长沙

高铁新城物流园为例[ J]. 美与时代( 城市版),2016

(1):100 - 102.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

原位孔内剪切试验在某弃土场稳定性分析中的应用研究

张添锋

(福建省地质工程勘察院 福建福州 350002)

摘 要:弃土场的填土强度参数的准确获取,对边坡的合理设计具有重要影响。 因此,利用目前较为先进的原位孔内

剪切仪,对弃土场的素填土开展 9 组有效试验分析。 试验结果显示,该弃土场的素填土抗剪强度指标平均值为 c =

8. 20kPa,φ = 28. 22°,标准值为 c = 7. 28kPa,φ = 27. 24°,变异系数分别为 0. 180 和 0. 055,试验结果的离散性相对较小,

粘聚力较小的特征也与现场砂性土含量较高的实际情况相符。 根据原位孔内剪切试验获取的强度参数所进行的稳定

性分析,结果均为基本稳定,与弃土场边坡现状较为吻合。 试验结果可为后续的边坡支护设计提供较为合理的参考。

关键词: 弃土场;素填土;原位孔内剪切试验;边坡稳定;设计参数

中图分类号:TU4 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0089 - 04

Application of in - situ borehole shear test in the stability analysis of a spoil ground

ZHANG Tianfeng

(Fujian Geological Engineering Survey Institute,Fuzhou 350002)

Abstract:The accurate acquisition of the strength parameters of the filled soil of the dump site has an important influence on the rational

design of the slope. Therefore,9 groups of effective test analysis were carried out on the plain filled soil in the spoil ground by using the current relatively advanced in - situ borehole shear test instrument. The test results show that the average shear strength index of the plain filled

soil in the spoil ground is c = 8. 20kPa,φ = 28. 22°,and the standard value is c = 7. 28kPa,φ = 27. 24°. The coefficient of variation is 0. 180

and 0. 055,respectively. The dispersion of the test results is relatively small,and the characteristics of the low cohesion are consistent with

the actual situation of the high content of sandy soil in the field. The stability analysis results based on the strength parameters obtained from

the in - situ borehole shear test are basically stable,which is also consistent with the current situation of the slope in the spoil ground. The

test results can provide a more reasonable reference for the subsequent slope support design.

Keywords:Spoil ground; Plain fill; In - situ borehole shear test; Slope stability; Design parameters

作者简介:张添锋(1987. 8 - ),男,工程师。

E-mail:863286718@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 07

0 引言

抗剪强度参数是进行边坡支护设计的关键。 对

于一些弃土场形成的边坡,由于其填料大多夹杂碎、

砾石等、性状较为复杂,完整取样难度相对较高,加上

取样导致的扰动,使得室内土工试验结果往往误差较

大;而若纯粹采用经验参数,常常导致设计过于保守。

因此,弃土场边坡这类填方边坡的合理支护设计,一

直以来,都是个棘手的难题。 近年来,原位孔内剪切

试验仪逐渐被应用于岩土体的强度参数获取。 其在

原位岩土孔壁上直接进行剪切试验,测定其抗剪强度

参数的一种原位测试方法,根据仪器型号的不同,适

用于任何可成孔的土体和岩体,试验深度也可根据钻

孔深度而调整。 它保证了土体天然状态,使土样不发

生扰动,含水量不变,可根据上覆土层自重施加法向

荷载,保证了土体的应力状态,因而与室内试验相比

更加符合实际情况,且试验操作便捷。 因此,原位孔

内剪切试验,可以说是获取弃土场填料抗剪强度参数

的较好手段。

1 工程概况

屏南东山岗弃土场位于屏南县棠口镇上培村西偏

南4. 60 km 处,该弃土场由城区建设及道路建设开挖的

弃土堆放而成,成分以素填土为主,含少量杂填土,夹杂

部分碎、砾石等,呈松散状,无序堆填。 堆填过程中未经

分层碾压,堆填场地无排水措施,弃土时间 5 ~ 10 年。

弃土场主变形方向100°,斜长约 370 m,宽50 m ~260 m,

上宽下窄,面积约 64 000 m

2

,坡高 35 m ~ 90 m,堆积体

方量约 300 万方。 场地地势西北高东南低,该弃土场

目前已堆土完成,现状由西北至东南呈四级台阶(图

1),典型的工程地质剖面图[1]

,如图 2 所示。

·90· 福 建 建 筑 2023 年

该弃土场目前已堆土完成。 总坡高 10 m ~ 80 m,

现状呈四级台阶,局部形成相对高差 10 m ~ 50 m、坡

度为 20° ~ 35°的高陡填方边坡,坡体局部有多条冲

沟。 受降雨等不利因素影响,现状填方高陡边坡可能

失稳下滑,越过已有挡坝向下游运动,造成坡脚处金

造溪堵塞,形成堰塞湖,威胁下游村庄;同时,弃土场

周遭为养殖场及加工厂,弃土场失稳,可能会危害养

殖场、加工厂及人员安全,应及时进行综合治理。

因此,本项目采用目前较为先进的原位孔内剪切

仪,对弃土场的素填土开展测试分析,以便为后续的

边坡支护设计提供更为合理的参考依据。 图 1 场地航拍图

图 2 典型的工程地质剖面图

2 试验原理

原位孔内剪切试验是在原位岩土体上直接进行

剪切试验[5]

(图 3)。 通过对场地进行钻孔,而后将剪

切头下放至所需深度,通过剪切头,对孔壁施加不同

法向应力,而后对剪切头进行提拉,记录提升过程中

的孔壁剪应力。 最后,通过多组“ 法向应力 - 剪应

力”数据进行拟合,获取岩土体的莫尔 - 库仑破坏包

线,其斜率倾角即为内摩擦角 φ,其破坏包线与纵轴

的截距即为黏聚力 c。

3 试验结果分析

在该弃土场典型位置选取 3 个钻孔(图 4),每个

钻孔开展了 3 组有效试验,有效试验结果共计 9 组。

图 5 是现场实景图与以及后续获取的典型土体级配

曲线。 图 3 原位孔内剪切试验原理示意图

2023 年 09 期 总第 303 期 张添锋·原位孔内剪切试验在某弃土场稳定性分析中的应用研究 ·91·

图 4 试验孔分布

(a)试验照片

(b)级配曲线

图 5 现场实景图与典型土体级配曲线

图 6 给出了钻孔 1 中所获取的岩土体抗剪强度

包络线,完整的试验数据记录如表 1 所示。 由表 1 可

知,该弃土场的素填土抗剪强度指标平均值为 c =

8. 20 kPa, φ = 28. 22°,标准值为 c = 7. 28 kPa, φ =

27. 24°,变异系数分别为 0. 180 和 0. 055,试验结果的

离散性相对较小,粘聚力相对较小的特征也与现场砂

性土含量较高的实际情况相符(图 5( b))。 同时,由

级配曲线可以发现,土体中所含有的粗颗粒,也可能

是导致内摩擦角较高的原因。 加上原位测试相比于

取样回实验室测试的方案扰动更小,能够更为妥善地

还原岩土体的原始状态,从而使得强度参数结果也

较高。

(a)第一组:c = 8. 8kPa,φ = arctan(0. 607) = 31. 3°

(b)第二组:c = 6. 6kPa,φ = arctan(0. 5) = 26. 6°

(c)第三组:c = 8. 8kPa,φ = arctan(0. 54) = 28. 4

图 6 钻孔 1 中所获取的岩土体抗剪强度包络线

表 1 试验结果统计表

组号 粘聚力/ kPa 内摩擦角/ ° 试验深度 m

1 8. 8 31. 3 4

2 6. 6 26. 6 3. 5

3 8. 8 28. 4 3

4 10 27 2

5 7. 7 27. 4 1. 5

6 9. 4 27. 3 5

7 8. 5 29. 2 5. 5

8 9. 5 27. 1 6

9 6. 6 29. 7 6. 5

统计样本数(个) 9 9

最大值 9. 5 31. 3

最小值 6. 6 26. 6

平均值 8. 20 28. 22

标准差 1. 473 1. 563

变异系数 0. 180 0. 055

标准值 7. 28 27. 24

4 边坡稳定性分析

选取了弃土场的典型剖面(图 2),基于原位孔内

剪切试验获取的强度参数(表 2),进行了边坡稳定性

·92· 福 建 建 筑 2023 年

分析。 其中,对边坡稳定结果影响最大的素填土,采

用的是原位孔内试验数据。 图 7 是稳定性分析结果,

结果表明,该典型剖面的圆弧形滑面天然工况稳定性

计算结果为 Fs = 1. 13,静力平衡折线法稳定性计算为

Fs = 1. 05,均处于基本稳定状态。 这与弃土场边坡的

现状较为吻合,因而在一定程度上证明了试验结果的

准确性与有效性。 由于现场素填土的完整取样难度

相对较高,导致室内土工试验结果误差较大;同时,这

类素填土的经验强度参数值往往偏保守。 若采用室

内土工试验结果( c = 12. 4 kPa,φ = 20. 3°) 或经验参

数(c = 10 kPa,φ = 12°)进行边坡稳定性分析,则必然

会计算出边坡严重失稳的结果,与现状大相径庭。 因

此,通过目前较为先进的原位孔内剪切试验,能更为

合理准确地确定岩土体的强度参数,为边坡支护的合

理设计提供更为严密的参考依据。

需要说明的是,由于原位孔内剪切试验仅代表测

试孔的岩土体参数,但填土差异性和离散性较大,可

能导致试验结果存在“一孔之见” 的局限性,无法全

面准确地体现整体场地岩土体的特征。 因而,本次试

验结果仅可作为初步的参考,不宜直接作为设计参数

使用。 这些,在后续工程设计时,应专门予以考虑,并

增加试验孔数量,以便更为全面地揭示场地的特性。

表 2 稳定性分析所采用的计算参数

重度 粘聚力 内摩擦角

素填土① 18. 0∗ 7. 28 27. 24

含碎石填土① - 1 20∗ 5∗ 35∗

耕植土① - 2 17∗ 10∗ 4. 5∗

凝灰熔岩残坡积黏黏性土② 18. 23 16. 7 26

全风化凝灰熔岩③ 20∗ 25∗ 30∗

砂土状强风化凝灰熔岩④ 21∗ 30∗ 35∗

碎块状强风化凝灰熔岩⑤ 22∗ 35∗ 40∗

中风化凝灰熔岩⑥ 24∗

注:①参数中带∗者为地区经验值;②剪切指标采用统计标准值;

③素填土参数为原位孔内剪切试验数据。

(a)典型剖面的圆弧形滑面天然工况稳定性计算:Fs = 1. 13 (b)典型剖面的静力平衡折线法稳定性计算:Fs = 1. 05

图 7 基于原位孔内剪切试验结果的稳定性分析

5 结论

对一个以素填土为主,夹杂部分碎、砾石等,性状较

为复杂的弃土场开展原位孔内剪切试验,而后基于试验

结果对边坡稳定性进行分析,主要结论如下:

(1)原位孔内剪切试验结果表明,该弃土场的素

填土 抗 剪 强 度 指 标 平 均 值 为 c = 8. 20 kPa, φ =

28. 22°,标准值为 c = 7. 28 kPa,φ = 27. 24°,变异系数

分别为 0. 180 和 0. 055,试验结果的离散性相对较小。

粘聚力相对较小的特征,与现场砂性土含量较高的实

际情况相符。

(2)采用原位孔内剪切试验获取的强度参数,对

弃土场边坡进行稳定性分析。 结果表明,典型剖面的

圆弧形滑面天然工况稳定性计算结果为 Fs = 1. 13,静

力平衡折线法稳定性计算为 Fs = 1. 05,均处于基本稳

定状态,与弃土场边坡的现状较为吻合,在一定程度

上证明了试验结果的准确性与有效性,避免了采用因

取样不完整而导致误差较大的室内土工试验结果,以

及较为保守的经验参数值,可为后续的边坡支护设计

提供更为合理的参考依据。

参 考 文 献

[1] 屏南县棠口镇东山岗弃土场安全隐患整治工程地质勘

察勘察报告[R]. 福州:福建省地质工程勘察院. 2022.

[2] 张智超,叶龙珍,陈俊新,等. 原位孔内剪切试验在路基

边坡支护设计中的应用[ J]. 东南大学学报(自然科学

版),2021,51(2):278 - 284.

[3] 刘恒晖. 某弃渣场填方的原位钻孔剪切试验研究[ J]. 福

建建设科技,2022(04):47 - 49.

[4] 陈俊新. 基于原位钻孔剪切试验的填方边坡治理数值模

拟[D]. 北京:中国地质大学,2018.

[5] 于永堂,郑建国,刘争宏,等. 钻孔剪切试验及其在黄土中

的应用[J]. 岩土力学,2016,37(12):3635 - 3641,3649.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

多种组合支护结构在某医院复杂基坑项目中的应用

李弥淦

(福州市城乡建总集团有限公司 福建福州 350014)

摘 要:为了更好促进地下空间的综合利用,分析介绍多种组合支护结构在某医院复杂基坑项目中的应用情况。 通过

对实际工程项目的实践,分析探讨工程的基本情况、周边环境、基坑的水文地质状况和施工重难点,提出了复杂基坑工

程的支护方案。 同时,对多种组合支护结构的施工工艺流程和施工工艺方法进行梳理介绍,并提出施工过程中基坑和

边坡的监测要点。 项目的多种组合支护结构,保证了基坑开挖过程中的安全性,也保护了周边环境,具有较大的经济

效益,满足了工期要求。

关键词: 组合支护结构;深大基坑;基坑监测;施工要点

中图分类号:TU4 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0093 - 05

Application of multiple support structures in a complex foundation pit project of a hospital

LI Migan

(Fuzhou Urban and Rural Construction Group Co. ,Ltd,Fuzhou 350014)

Abstract:In order to better promote the comprehensive utilization of underground space, the application of various combination support

structures in a complex foundation pit project of a certain hospital is analyzed and introduced. Through practical engineering projects, the

basic situation of the project, surrounding environment, hydrogeological conditions of the foundation pit, and key and difficult construction

points are analyzed and discussed, and a support plan for complex foundation pit engineering is proposed. At the same time, the construction process and methods of various combination support structures are summarized and introduced, and key monitoring points for foundation

pits and slopes during the construction process are proposed. The various combination support structures of the project ensure the safety

during the excavation process of the foundation pit, protect the surrounding environment, and have significant economic benefits, meeting

the requirements of the construction period.

Keywords:Multiple support structures; Deep - large foundation pits; Foundation pit monitoring; Construction points

作者简介:李弥淦(1989. 01 - ),男,工程师。

E-mail:315977243@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 20

0 引言

随着城市化建设的进一步推进,工程项目基坑支

护结构的安全性和可靠性,是工程施工过程中应重点

考虑的因素,深刻影响着工程项目的安全管理、环境

保护、质量把控、工期计划和社会影响[1 - 2]

。 因此,需

要充分结合项目自身的情况、周边环境、地质情况、基

坑深度以及支护等级等各项因素,进行基坑支护形式

的综合设计[3]

。 随着现阶段城市开发,对地下空间利

用呈现出多样化和复杂化的特点[4 - 5]

,仅采用单一式

的支护结构,不足以满足基坑工程施工对安全性、 经

济性以及工期等的需求[6]

。 为了更好地匹配复杂建

设工程对基坑支护安全建设的要求,进行多种支护结

构组合施工具,有重要意义。

目前,学者的研究主要是基于单一支护结构的研

究[7 - 8]

。 因针对多种组合支护结构在医院复杂基坑

项目中的研究相对较少,因此,本文对多种组合支护

结构在某医院复杂基坑项目中应用的实际案例进行

梳理和介绍,为同类工程建设提供一定的借鉴。

1 工程概况

1. 1 项目概况

某医院项目位于福建省福州市仓山区金塘路与

金林路之间。 总建筑面积 296 853. 57 m

2

,其中地下

室总面积为 101 234. 49 m

2

。 其共由 2 个地块组成,

分别为地块一、地块二。 地块一住院楼为地下一层、

其余区域为地下二层,地下面积为 91 825. 41 m

2

;地

块二为地下一层,面积为 9409. 08 m

2

。 项目主要功能

建设门急诊、医技、病房、临床试验、科研、教学、医疗

服务及相关配套用房等,总床位数 1200 床。 其是集

医疗服务、教学培训和新技术研发于一体的大专科小

综合三级甲等医院和科技平台,如图 1 所示。

·94· 福 建 建 筑 2023 年

图 1 工程项目鸟瞰图

1. 2 周边环境情况

建设用地内岩土种类较多,且场地上部存在软弱

土,地基的均匀性差,属不均匀地基,工程建设适宜性

分类属适宜性较差。 东北侧用地红线与不对围墙间金

林路存在挖方边坡,坡顶标高为 9. 800 m ~ 15. 100 m,

场地内坡地设计标高为8. 800 m。 该边坡设计为永久

性边坡,边坡开挖深度为 1. 000 ~ 6. 300 m。

地块一位于场地的西侧,为整个项目的主要建筑

场地,建筑设计 ± 0. 000 = 9. 100 m,设置一 ~ 两层地

下室。一层地下室区域底板垫层底标高为 - 6. 150

及 - 6. 250,坡顶地面整平标高为 - 0. 500,地下室一

层基坑开挖深度为 5. 650 m ~ 5. 750 m。 两层地下室

区域底板垫层底标高为 - 10. 350,坡顶地面整平标高

为 - 0. 500,地下室两层基坑开挖深度为 9. 850 m。

地块二位于场地的东南角位置,为医住楼,建筑

设计 ± 0. 000 = 8. 800 m,设置一层地下室,底板垫层

底标高为 - 6. 700(局部为 - 7. 000、 - 8. 300),坡顶地

面整平标高为 - 0. 800,基坑开挖深度为 5. 900 m ~

7. 500 m。 地块一基坑边与地块二基坑边距离 48. 6 m,

其扩孔锚杆位置相互错开且距离较远,不会相互影响。

具体如图 2 所示。

图 2 周边环境情况图

1. 3 基坑水文地质状况

场地地质从上至下分别为:①杂填土;②粉质黏

土;③淤泥;④中砂;④ - 1淤泥;④ - 2粉质黏土;⑤淤泥

(质土);⑥粉(砂) 质黏土;⑦淤泥质土;⑦ - 1 中砂;

⑦ - 2 (含砂、含碎石)粉质黏土;⑧残积砂质粘性土;⑨

全风化花岗岩;⑩砂土状强风化花岗岩;???碎块状强

风化花岗岩;???中等风化花岗岩。 桩基持力层为⑩砂

土状强风化花岗岩,地下室土方开挖层为①杂填土;

②粉质黏土;③淤泥;④中砂;④ - 1 淤泥;④ - 2 粉质黏

土;⑤淤泥(质土);⑥粉(砂)质黏土。

稳定水位埋深为 0. 10 m ~ 4. 30 m,高于拟开挖基

坑底部。 孔隙承压水主要赋存和运移于(4) 中砂、

(7 - 1)中砂中,为强透水层,两层砂土水力联系紧密。

该含水层稳定水位埋深为 2. 40 m ~ 8. 80 m,稳定水位

标高为 2. 70 m ~ 6. 50 m。 基坑开挖深度范围内主要

揭露的含水层为杂填土及中砂层,基坑开挖以管井降

水井进行降水为主,结合场地集水明排的降水措施。

将地下水位降至基坑底面下不小于 0. 5 m,以确保坑

壁、坑底的稳定性和施工安全。

2 施工重难点分析

(1)地下水位埋藏较浅,易发生基坑底隆起、基

坑偏移、桩身倾斜断裂的等问题,降水施工尤为重要。

(2)基坑土方开挖时段为 3 月 ~ 7 月,处在局部

雨季节。 需防止基坑被雨水浸泡, 确保基坑开挖

安全。

(3)采用多种基坑支护形式,各支护间如何结合

给施工造成较大的难度。 另外,本工程底板面和底板

底标高较多,承台和电梯基坑深度存在多种尺寸,开

挖时,对土面的控制要求较高。

(4)地块一局部有负二层地下室,负一层与负二

层地下室的施工顺序及交接处的处理方式较为复杂。

3 支护方案选择

本工程基坑面积大,开挖深度大,且有高低差部

分,较为复杂。 由于不同施工方案需要投入的成本费

用不同,在不影响基坑施工安全性的基础上,综合考

量成本因素而选择不同的施工方案。 由于基坑支护

工程安全等级为地下室两层区域一级,支护结构要性

系数为 γ = 1. 10;地下室一层区域为二级,支护结构

重要性系数 γ = 1. 05,故选择多种支护形式进行施

工。 最终确定施工方案为土钉墙、冲钻孔灌注桩加扩

2023 年 09 期 总第 303 期 李弥淦·多种组合支护结构在某医院复杂基坑项目中的应用 ·95·

孔锚索、SMW 工法桩加扩孔锚索联合支撑的方案,具

体施工方案如表 1 所示。 因地下水位高于地下室底

板,施工时,应外加降水井进行降水。

本工程东北侧边坡工程抗震设防烈度为 7 度,基

本地震加速度为 0. 10 g,安全等级为二级,支护结构

重要性系数为 γ = 1. 0,整体稳定安全系数大于 1. 30。

故本边坡工程采用钢筋锚杆 + 现浇钢筋混凝土面板

支护结构。

表 1 基坑支护方式明细表

序号 支护形式 支护区域 施工方案

1 土钉墙

①地块一、二部分负一层;

② 负 一 层 与 负 二 层 交

接处;

采用坡率 1∶ 0. 3 ~ 1∶ 1 放坡 + 内挂 C6mm@ 200mm × 200mm、@ 300mm × 300mm

钢筋网 + 喷射 80 厚 C20 混凝土 + 横距 1000 ~ 1500mm,纵距 1200 ~ 1500mm,

长度 6000 ~ 12000mmФ48mm × 3mm 注浆锚管 ( 局部插入深 4000mm 间 距

150mmФ80mm 的木桩)

2

冲钻孔灌注桩加深层水泥

土搅拌桩加扩孔锚索

地块一负二层行政科研楼

围护桩采用冲孔灌注桩 Ф900 ~ 1000mm@ 1200 ~ 1500mm,长度约 18 ~ 24m +

三轴水泥 搅 拌 桩 3Ф850mm @ 1200mm, 长 度 约 15 ~ 18m + 水 泥 土 搅 拌 桩

3Ф850mm@ 1200mm,深度约为 11500mm ~ 13000mm,宽度为 8050mm + 下倾为

30° ~ 35°锚杆,自由段长度 6 ~ 12m,旋喷桩径为 250mm,锚固段长度 12 ~ 22m,

锚固段旋喷桩径为 500mm + 扩孔锚杆端头采用 500mm × 500mm 腰梁固定。

3 SMW 工法桩加扩孔锚索

地块一部分负一层及负

二层

三轴水泥搅拌桩 3Ф850mm@ 1200mm,长度约 12m(18m) + 长度 12m 的 HM488

× 300 × 11 × 18 型钢桩间距 900mm,型钢插一跳一;(长度 18m 的 HN700 × 300

型钢桩间距 1200mm,型钢插一跳一) + 下倾为 30°锚杆,自由段长度 5 ~ 12m,

旋喷桩径为 250mm,锚固段长度 12 ~ 22m,锚固段旋喷桩径为 500mm + 扩孔锚

杆端头采用 1200mm × 700mm 冠梁(500mm × 500mm 腰梁)固定

4

水泥土搅拌桩(内插不可

回收 Ф48 钢管)加土钉墙

地块一局部负一层

三轴水泥搅拌桩 3Ф850mm@ 1200mm,长度 8 - 10m,内插 Ф48mm × 3mm 钢管

间距 600 - 1200mm,长度 8 - 10m + 坡率 1:0. 4 放坡 + 内挂 C6mm@ 200mm ×

200mm、@ 300mm × 300mm 钢筋网 + 喷射 80 厚 C20 砼 + 横距 1200mm,纵距

1200mm,长度 8000 ~ 10000mmФ48mm × 3mm 注浆锚管的形式

4 施工工艺流程和施工工艺方法

4. 1 支护系统施工

4. 1. 1 土钉墙支护

(1)施工工艺流程

边坡放样→挖土→修坡(施工坡外截水沟)→坡

面和坡顶初喷→斜向锚管施工→绑扎坡面钢筋网→

设置坡面排水系统→坡面混凝土复喷→坡面混凝土

养护→斜向锚管注浆→下一层土方开挖。

(2)施工要点

①遇负一层负二层交界处承台与锚杆冲突处,先

行施工基坑支护,待负二层土方回填完毕后,再进行

负一层承台开挖施工。

②遇锚杆或锚管与桩冲突处,可适当调整位置进

行避让。

③边坡应设置变形观测点,观测边坡变形,安排专

职安全警戒人员,设置警示标牌,安装栏杆等防护用具。

④采用挖掘机进行土方作业时,用仪器控制严禁

边坡出现超挖,基坑的边坡应留 100 mm ~ 150 mm,用

人工清坡,以保证边坡平整,并符合设计规定的坡度。

⑤开挖过程中如遇到土质有异常,与原设计文件

不同时,应及时报告,由专业人员确认后,是否进行设

计变更。

4. 1. 2 围护桩加深层水泥土搅拌桩加扩孔锚索支护

(1)施工工艺流程

围护桩施工→深层水泥土搅拌桩施工→冠梁槽

开挖→扩孔锚索施工→冠梁施工→支座(腰梁)安装

及预应力锁定→土方开挖→下一层基坑支护施工及

土方开挖。

(2)施工要点

①钻孔灌注桩施工时,应保证桩径偏差不大于

50 mm,垂直度偏差小于 1 / 300,桩位允许偏差不大于

50 mm,桩底沉渣不超过 200 mm。

②围护桩正式施工前,为了了解土层情况、施工特

性及进行孔壁稳定性测试,宜试成孔,试成孔为2 根。

③深层水泥土搅拌桩第一次喷浆搅拌提升:搅拌

头下沉至设计深度后开启灰浆泵,待浆液到达出浆口

在桩底喷浆 30 s 后,喷浆头边喷浆边提升搅动,使浆

液与土混合均匀。 搅拌头提升速度控制在 0. 5 ~

0. 6 m / min。具体数据以施工前的试验桩所取得数据

为准。

④扩孔锚钻进过程中若遇到塌孔,应立即停钻,

并通知监理工程师后采用注浆固壁处理,24 h 后重新

钻进、后采用跟管钻进工艺。 锚孔钻进结束后,使用

高压空气孔中岩(土) 粉及水全部清除出孔外,经观

场监理检验合格后,方可进行锚筋体安装。

·96· 福 建 建 筑 2023 年

4. 1. 3 SMW 工法桩加扩孔锚索支护

(1)施工工艺流程

SMW 工法桩施工→土方开挖→扩孔锚索施工→

支座(冠梁、腰梁) 安装及预应力锁定→下一层土方

开挖。

(2)施工要点

①利用经纬仪校直钻杆垂直度。 每次施工前,必

须适当调节钻杆,使钻杆垂直度误差控制在 1 / 250

内,同时在钻杆上做好标记,控制搅拌桩长不得小于

设计桩长。

②在三轴搅拌桩施工过程中会涌出大量泥浆。

为保证桩机的安全移位及施工现场的整洁,需要使用

挖机在搅拌桩桩位上预先开挖沟槽,导向沟沟槽土方

直接外运。 地块一沟槽自场地整平标高 - 0. 5 m 处

开槽,地块二自场地整平标高 - 0. 8 m 处开槽,沟槽

宽 2. 0 m,深 2. 0 m。

③与型钢桩交接处,腰梁采用钢筋混凝土的形式

与型钢桩进行连接设置,腰梁与支护桩连接方式,采

用 2C25@ 1500 吊筋锚入压顶梁中 900 mm,吊筋锚入

腰梁长度不小于 33 d。

4. 1. 4 水泥土搅拌桩(内插不可回收 Ф48 钢管) 加

土钉墙支护

(1)施工工艺流程

边坡放样→水泥土搅拌桩施工→挖土→修坡→

坡面和坡顶初喷→斜向锚管施工→绑扎坡面钢筋网

→设置坡面排水系统→坡面混凝土复喷→坡面混凝

土养护→斜向锚管注浆→下一层土方开挖。

(2)施工要点

施工步骤同深层水泥土搅拌桩,在水泥土搅拌桩

施工完毕后,插入 Ф48t = 3 mm 厚钢管。 钢管长度为

8 m,间距 1200 mm,钢管插入后无法回收

4. 2 土方开挖

按照现场的施工进度情况,地块一部分先对 1

- 8 轴以西部分土方进行分层开挖。 当土方开挖至

住院楼及其附属楼负一层底板后,先行施工负一层

与负二层交界处基坑支护工程,再对门诊楼负二层

土方开挖进行开挖。 当地块一中 1 - 8 轴以西负二

层地下室结构施工完成,即可回填土方施工 1 - 8 轴

以西负一层结构。 剩余 1 - 8 轴以东部分土方按桩

基验收顺序分段分层开挖,地块二土方开挖由东向

西进行分层退土。 退土过程中,要注意支护结构,必

须先达到强度方可进行下一层土方开,如图 3 ~ 图 4

所示。

图 3 土方开挖

图 4 地下室开挖方向图

4. 3 基坑降排水

本工程地下室基坑南北最长 185 m,东西最宽

417 m,共布置 Ф219 × 3. 5 mm 钢制滤水管降水井 118

口,长度为 18 m,开孔 Ф16@ 30 × 30 梅花形布置。 管

外采用 40 目尼龙网二层铁丝绑扎,其外 2 mm ~ 5 mm

砂砾滤料,厚不少于 115. 5 mm 填塞。

采用本方案进行降排水效果明显,能够满足现场

施工的实际,地下水位对施工土层的影响较小。

4. 4 支护结构拆除

由于本工程部分基坑支护锚索施工已超出红线范

围,故对可回收扩孔锚索钢绞线进行回收。 因钢绞线

已进行张拉使用,故回收钢绞线无法再次使用,回收后

为废材料。 钢绞线回收前,首先利用前夹式千斤顶,对

锚杆施加大于其原荷载的张拉力,将其工作夹片拆除;

用千斤顶将其先行抽出一段,并根据千斤顶的出力情

况观察,当回收力下降后,可利用电动卷扬机或绞车,

将各单元的钢绞线逐根抽出。 锚索回收时,必须保证

腰梁与地下室边墙的净间距为 2 m,确保锚索的回收。

5 基坑监测要求

5. 1 监测要求

本工程边坡支护应对以下项目进行监测:坡顶水

平位移和垂直位移、地表裂缝、坡顶建筑物变形、降

雨、洪水与时间关系、锚杆拉力、支护结构变形、支护

结构应力、地下水、渗水与降雨关系。 本基坑侧壁安

2023 年 09 期 总第 303 期 李弥淦·多种组合支护结构在某医院复杂基坑项目中的应用 ·97·

全等级为一级 ~ 二级,应对下列项目进行监测:支护

结构水平位移、沉降、土体深层水平位移、桩身内力、

立柱变形、地表的变形和裂缝、地下水位、周围建筑

物、周边管线变形,具体的监测点位如图 5 所示。

图 5 监测点位图

5. 2 监测预警

5. 2. 1 基坑支护预警

(1)监测数据达到表 2 中规定的预警值时,应进

行预警。

(2)基坑支护结构或周围土体的位移值突然明

显增大,或基坑出现流沙、管涌、隆起、陷落或较严重

的渗漏等。

(3)基坑支护结构的锚杆体系持续过大变形、压

曲、断裂、松弛或拔出的迹象。

(4)周边建筑的结构部分、周边地面出现较严重

的突发裂缝,或危害结构的变形裂缝。

(5)周边管线变形突然明显增长或出现裂缝、泄

露等。

(6)根据当地工程经验判断,出现其它必须进行

危险报警的情况。

表 2 支护结构及周边环境监测报警值

监测项目

一级 二级

累计值

绝对值(mm) 控制值

变化速率

(mm/ d)

累计值

绝对值(mm) 控制值

变化速率

(mm/ d)

坡顶(桩顶)水平位移 25 0. 20% 2 40 0. 50% 4

坡顶(桩顶)竖向位移 20 0. 10% 2 25 0. 30% 3

深层水平位移 40 0. 40% 2 50 0. 70% 4

桩身内力 0. 7f - - -

锚杆内力 0. 7f - - -

周边地表竖向位移 25 - 2 50 - 4

地下水位 1000 500 1000 500

注:控制值为相对基坑深度(h)的控制值。

5. 2. 2 边坡支护预警

(1)水平位移:坡顶水平位移不大于 0. 2% H(H

为边坡高度),且不大于 20 mm。

(2)沉降变形:沉降变形需满足《建筑地基基础

设计规范》 (GB50007 - 2011)中相关要求,不得影响

相邻构筑物的正常使用或差异沉降允许值。

(3)深层土体水平位移:测斜管深度不宜小于边

坡高度的 1. 5 倍,深层位移不大于 30 mm。

(4)锚杆拉力监测:应选择有代表性的锚杆,测

定锚杆的应力损失。

6 结论

本工程结合基坑的特点及周边环境情况,对不同的

区域分别采用土钉墙、冲钻孔灌注桩,加深层水泥土搅拌

桩加扩孔锚索、SMW 工法桩加扩孔锚索和水泥土搅拌桩

(内插不可回收 Ф48 钢管)加土钉墙等多种组合式支护

结构,在保证基坑开挖施工的安全性和周边环境的前提

下,也满足了业主方对于施工进度、经济效益及工期的需

求,可为今后类似工程提供一定的参考经验和价值。

参 考 文 献

[1] 杨光华. 广东深基坑支护工程的发展及新挑战[ J]. 岩石

力学与工程学报,2012,31(11):9.

[2] 杨光华. 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[ J].

北京:地质出版社,2004.

[3] 张玉成,杨光华,胡海英,等. 多种支护型式在超大深基

坑工程设计中的组合应用[C]. 第八届全国基坑工程研

讨会. 2014.

[4] 魏仁杰. 多种基坑支护形式在深基坑中的组合应用[ J].

岩土工程技术,2017,31(6):5.

[5] 王卫东,吴江斌,黄绍铭. 上海地区建筑基坑工程的新进

展与特点[J]. 地下空间与工程学报,2005(4):7.

[6] 江杰,肖萌,刘智勇,等. 复杂环境下多种支护结构并存

的深基坑监测分析[ J]. 广西大学学报:自然科学版,

2018,43(1):10.

[7] 雷扬,易念平,陆海丽. 填土深基坑施工监测及失稳分析

[J]. 广西大学学报:自然科学版,2015,40(4):6.

[8] 陈宏东,都华,冯林平,等. 深挖填土基坑监测及安全性

分析[J]. 广西大学学报:自然科学版,2010,35(2):6.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

下穿高速段市政道路软土地基处理的设计研究

———以前洋路下穿高速为例

陈言幸

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

摘 要:软土地基处理是高速公路涉路工程中的重点和难点。 为研究下穿高速段市政道路软土地基处理设计,以闽侯

青口汽车城福厦客专附属维修道路工程前洋路下穿沈海高速路段软土地基处理为例,进行多方案比较和研究,在综合

考虑地质条件、工程要求、施工可行性、高速桥梁安全等因素下,推荐采用小直径钻孔灌注桩的软土地基处理方案,为

类似工程设计提供借鉴。

关键词: 下穿高速;软土地基处理方式;小直径钻孔灌注桩

中图分类号:U41 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0098 - 05

Research on Design of Soft Soil Foundation Treatment of Municipal Roads Underpassing the Expressway

———Taking Qianyang Road underpassing Expressway as an Example

CHEN Yanxing

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research Co. ,Ltd. Fuzhou 350001)

Abstract:Soft soil foundation treatment is the key and difficult point in highway - related engineering. This paper aims to study the soft soil

foundation treatment design of municipal road under expressway. Taking the soft soil foundation treatment of Qianyang Road under Shenhai

Expressway,an auxiliary maintenance road project of Fuzhou - Xiamen Passenger Dedicated Line in Qingkou Automobile City of Minhou,as

an example,the soft soil foundation treatment scheme of small diameter bored pile is recommended under the comprehensive consideration of

geological conditions,engineering requirements,construction feasibility and safety of high - speed bridges,which provides reference for similar engineering design.

Keywords:Roads underpassing the expressway; Soft soil foundation treatment method; Small diameter bored pile

作者简介:陈言幸(1990. 10 - ),男,工程师。

E-mail:361284362@ qq. com

收稿日期:2023 - 03 - 23

0 引言

经过多年的发展,我国的高速公路与城市道路建

设有着非常显著的成就。 因此,城市道路与现有高速

的交叉现象不可避免。 为保障高速公路桥梁结构安

全和稳定,下穿高速段市政道路的软土地基处理,成

为高速公路涉路工程中保障措施的重要一环。 本文

结合具体的项目实例,对软土地基处理方式的适用范

围进行比较探索,采用小直径钻孔灌注桩处理下穿高

速路段市政道路软土地基。

1 工程概况

1. 1 下穿高速段市政道路工程概况

闽侯青口汽车城福厦客专附属维修道路工程位于

祥谦镇兰圃村和青口镇前洋村(图 1),是福州市东南

汽车城兰圃产业园内外联系的重要通道,共包含 6 条

市政道路,道路总长 3352. 215 m。 其中,前洋路起点与

现状 324 国道平面交叉,由西向东,下穿沈海高速,终

点与纵一路平面交叉,道路长度 536. 796 m,设计速度

30 km/ h,城市次干路,道路红线宽度 30 m,双向四车

道。 在前洋路桩号 AK0 + 420 - AK0 + 500 路段下穿沈

海高速(规划路立交中桥和青口互通匝道)(图 2)。 下

穿段沈海高速运营桩号为 K2088 + 722,现状净空高度

仅为 4 m,属穿越式涉路工程。

图 1 下穿区位图

2023 年 09 期 总第 303 期 陈言幸·下穿高速段市政道路软土地基处理的设计研究 ·99·

图 2 前洋路与沈海高速交叉平面图

1. 2 沈海高速概况

(1)高速路基横断面布置

路基宽 24. 5 m,其中中间带 3. 0 m(含路缘石带)

2 m × 0. 5 m,行车道 2 m × 7. 50 m,外侧路缘带 2 m ×

0. 5 m,硬路肩 2 m × 2. 0 m,土路肩 2 m × 0. 75 m。

中央分隔带形式:设置超高的路段为凹型,内设

矩形排水槽。 不设超高的填方路段,采用耕植土种草

皮,下设纵向弹簧软管盲沟结合横向塑料排水管处

理。 车行道、路缘带和硬路肩路面横坡均按 2% ,土

路肩路面横坡按 4% 。

路堤边坡:高度小于等于 8 m,坡率为 1∶ 1. 5。 护

坡道沿 1. 0 m,边坡每隔 100 m 设一人行踏步,坡脚标

准排水沟顶宽 2. 2 m,底宽 0. 6 m,沟深 0. 8 m,沟侧坡

率为 1∶ 1。 该段无路堑边坡。

(2)规划路立交中桥概况

规划路立交中桥全长 43. 70 m,单幅桥面净宽

11. 0 m,桥面横坡 2% ,纵坡 0. 7‰和 0. 8‰两个坡度。

该桥于 1997 年 6 月 8 号开工,1998 年 11 月 30 日

竣工。

下部结构: 桥墩为柱式, 台为肋式台, 桥墩为

ϕ1. 2 m 钻孔灌注桩基础。

上部结构:孔数 - 跨径为 10 + 20 + 10(孔 - m)预

应力空心板梁。

1. 3 涉路要求

根据《福建省高速公路涉路工程管理办法》

[1] 第

八条规定穿越高速公路桥下空间的公路、城市道路、

厂(场)区道路,应保证高速公路桥下净空高度不低

于 5. 5 m。 本工程需对现状地面进行下挖,最大下挖

深度为 2 m。

1. 4 下穿高速段市政道路标准横断面

高速下穿道路横断面为 1. 95 m + 7 m(机动车

道) + 0. 5 m(双黄线) + 7 m(机动车道) + 5. 75 m =

22. 2 m(图 3)。 机动车道两侧设置 SS 级钢筋砼防撞

护栏,防撞护栏与桥墩净距大于 1. 5 m。 桥下净空高

度要求机动车道≥5. 5 m,人行道≥2. 5 m。

图 3 前洋路下穿沈海高速横断面图

1. 5 工程场地地质

据《闽侯青口汽车城福厦客专附属维修道路工程

岩土工程勘察报告》,工程场地地质情况如表 1 所示。

表 1 各土层岩土参数值表

岩土

名称

重度

r

kN/ m

3

承载力

特征值

推荐值

压缩模量 快剪 钻(冲)孔灌注桩

Es1 - 2

MPa

黏聚力

C

内摩擦

角 φ

侧阻力

标准值

qik

kPa

负摩阻

力系数

β

① 17. 5

∗ 70

∗ 8

∗ 12

∗ 25

∗ 0. 40

② 18. 4

∗ 170

∗ 5

∗ 20

∗ 12

∗ 35

∗ 0. 25

③ - 1 16. 0

∗ 40

∗ 1. 6

∗ 7. 0

∗ 3. 0

∗ 18

∗ 0. 15

③ - 2 17. 0

∗ 60

∗ 2. 4

∗ 9. 5

∗ 5. 5

∗ 20

∗ 0. 15

③ - 3 18. 5

∗ 150

∗ 5

∗ 22

∗ 13. 5

∗ 50

∗

④ 18. 6

∗ 180

∗ 2

∗ 28

∗ 45

∗

⑤ 21. 0

∗ 300

∗ 3

∗ 32

∗ 120

∗

⑥ 18. 6

∗ 170

∗ 6

∗ 23

∗ 10

∗ 50

∗

⑦ 18. 7

∗ 180

∗ 6

∗ 23

∗ 10

∗ 50

∗

⑧ 19. 5

∗ 200

∗ 7

∗ 18

∗ 18

∗ 55

∗

⑨ 20. 0

∗ 250

∗ 25

∗ 25

∗ 80

∗

⑩ 22. 0

∗ 350

∗ 30

∗ 30

∗ 90

∗

??? 23. 0

∗ 600

∗ 35

∗ 35

∗ 120

∗

??? 24. 0

∗ 2000

∗ 50

∗ 40

∗ 200

∗

岩土名称备注:①杂填土、②粉质黏土、③ - 1 淤泥、③ - 2 淤泥质

土、③ - 3 粉质黏土、④中砂、⑤卵石、⑥粉质黏土、⑦粉质黏土、⑧残积

砂质黏性土、⑨全风化花岗岩、⑩砂土状强风化花岗岩、???碎块状强风

化花岗岩、???中风化花岗岩。

图 4 下穿沈海高速位置地质勘探剖面图

·100· 福 建 建 筑 2023 年

由于前洋路 AK0 + 420 - AK0 + 500(下穿沈海高

速)存在淤泥③(图 4),该段软土具天然含水量高、孔

隙比大、压缩性高、透水性差、力学性质差等特征,所

以,路基沉降对高速公路桥梁安全和稳定有较大影

响,根据高速公路管理部门的要求,必须对路基软基

进行处理以满足高速桥梁的安全和稳定。 同时应符

合《建筑地基基础设计规范》

[3]

(GB 5007 - 2011)、

《建筑与市政工程地基基础通用规范》

[4]

(GB 55003

- 2021)、 《 公路与市政工程下穿高速铁路技术规

程》

[5]

(TB 10182 - 2017)等相关规范、技术要求。

2 软土地基处理方案

2. 1 工程要求

本工程软土地基处理方式的选择受净高约束很

大,即下穿沈海高速段净高要求施工设备在 5 m 以

下,实际处理的软土地基深度均在 20 m 以上,属于深

层地基处理。 同时,要求软基处理方案不能对既有高

速桥墩产生挤土效应,以免影响已建高速的运营

安全。

2. 2 软土地基处理方案比较

(1)水泥搅拌桩

水泥搅拌桩处理深度不宜超 15 m,为复合地基

处理法。 其通过水泥和土体发生一系列物理力学反

应,改善土体物理力学性质,提高地基承载力,降低地

基压缩性。 工期较短,工程造价每延米约 65 元。 处

理后,路基存在一定沉降变形,影响桥梁安全和稳定,

同时,施工设备净高较高,不适用于本工程。

(2)CFG 桩

CFG 桩处理深度不宜超 25 m,为复合地基处理

法,是由水泥、粉煤灰和碎石或石屑形成的一种可变

强度桩。 其工期短,工程造价每延米约 120 元。 处理

后,路基存在一定沉降变形,影响桥梁安全和稳定。

同时,施工设备净高较高,不适用于本工程。

(3)高压旋喷桩

高压旋喷桩处理深度不宜超 25 m,为复合地基处

理法。 其是以高压旋转的喷嘴,将水泥浆喷入土层与

土体混合,形成连续搭接的水泥加固体,工期短,工程

造价每延米约 200 元。 采用高压旋喷桩处理软土地

基时,随高压喷射压力的增大或者持续作用的时间增

长,产生的超孔隙水压力也会增大,土体的侧向位移

随之增大,从而造成挤土效应,影响桥梁安全和稳定。

(4)预应力管桩

预应力管桩处理深度可超 30 m,是由圆筒形桩

身、端头板和钢套箍等组成的刚性桩。 其工期短,工

程造价每延米约 260 元。 采用预应力管桩时,会产生

挤土效应,影响桥梁安全和稳定,同时施工设备净高

较高,不适用于本工程。

(5)小直径钻孔灌注桩

小直径钻孔灌注桩处理深度可超 30 m,为钢筋

混凝土刚性桩。 其工期短,工程造价每延米约 1500

元,采用低净空设备施工。 同时,考虑桥下施工净高

限制及加强对高速桥墩的保护,采用全套管施工

工艺。

综合考虑上述方案、设备及工程技术要求,本工

程采用小直径钻孔灌注桩进行软土地基处理,采用低

净空全套管施工工艺。

沈海高速正投影 5 m 范围内,采用小直径钻孔灌

注桩;采用低净空全套管施工工艺,然后分节吊入焊

接钢筋笼,最后灌注水下混凝土成桩。

3 小直径钻孔灌注桩设计

本工程小直径钻孔灌注桩设计桩长约 21 m,桩径

60 cm,桩间距横向 2. 4 m,纵向 2. 5 m,矩形布置(图

5),桩基为 C30 钢筋混凝土浇筑。 小直径钻孔灌注桩

应穿透粉质黏土层③ -3,进入卵石层不小于 50 cm。

图 5 下穿沈海高速位置软基处理方案

结构形式:上部结构为 45 cm 钢筋混凝土板 +

10 cm沥青混凝土面层,下部结构为小直径钻孔灌注

桩,桩基深入基底岩层不小于 50 cm。

小直径钻孔灌注桩桩顶标高应比设计高 0. 5 m

以上,多余部分在接钢筋混凝土板前,必须凿除清理,

清理后的桩头应无松散层,以保证混凝土强度。

传力途径:钢筋砼板→桩体→桩基基底岩层(图6)。

图 6 结构示意图

2023 年 09 期 总第 303 期 陈言幸·下穿高速段市政道路软土地基处理的设计研究 ·101·

通过整体现浇钢筋砼板,将上部荷载传递到桩

体,再通过桩体将荷载直接传递到桩基基底持力层,

避免上部荷载形成的土压力以及土体变形对高速桥

墩产生直接的影响。

4 单桩竖向承载力计算

桩参数:桩身直径 d = 600 mm。

根据《建筑桩基技术规范》

[2]

( JGJ 94 - 2008)

5. 3. 5 公式计算:

Quk = u∑qsik

l

i + qpkAp

4. 1 LK9 钻孔

Quk = u∑qsik

l

i + qpkAp

= 3. 14 × 0. 6 × (25 × 0. 126 + 18 × 16. 499 + 50 ×

3. 3 + 120 × 0. 5 ) + 2000 × 3. 14 × 0. 3 × 0. 3 =

1554. 549 kN

单桩竖向承载力特征值 Ra = Quk

/ 2 = 777. 27 kN;

取 Ra = 750 kN。

4. 2 LK10 钻孔

Quk = u∑qsik

l

i + qpkAp

= 3. 14 × 0. 6 × (25 × 3. 347 + 18 × 15. 303 + 50 ×

2. 602 + 120 × 0. 5 ) + 2000 × 3. 14 × 0. 3 × 0. 3 =

1599. 947 kN

单桩竖向承载力特征值 Ra = Quk

/ 2 = 799. 97 kN;

取 Ra = 750 kN。

5 桩身强度验算

5. 1 基础资料

截面形状:圆形;截面直径:d =600 mm;桩身混凝土

强度 C30;基桩类型:灌注桩;设计依据:《建筑地基基础

设计规范》

[2]

(GB 5007 -2011)8. 5. 11 公式计算。

5. 2 计算结果

Ra≤Ap

f

cφc

= 3. 14 × 0. 3 × 0. 3 × 14300 × 0. 6 = 2424. 708

kN,桩身采用构造配筋。

依据《建筑桩基技术规范》

[2]

(JGJ 94 - 2008)4. 1. 1

条规定,灌注桩正截面配筋率取0. 6%,实配10 20。

6 桩基布设

本工程小直径钻孔灌注桩设计桩长约 21 m,桩

径 60 cm,桩间距横向 2. 4 m,纵向 2. 5 m,矩形布置,

处理面积约 1357. 726 m

2

,布设 210 根桩。

根据《建筑桩基技术规范》

[2]

( JGJ 94 - 2008)

5. 1. 1 - 1 公式计算:

Nk =

Fk + Gk

n

6. 1 基础资料

车辆荷载:20. 492 kPa,路面结构:45 cm 钢筋混

凝土板 + 10 cm 沥青混凝土面层。

6. 2 计算结果

Nk =

Fk + Gk

n

= ( 20. 492 × 1357. 726 + 1357. 726 × 0. 55 ×

25) / 210

= 221. 387 kN

Ra = 750 kN > Nk,满足要求。

7 沉降与稳定验算

7. 1 技术标准

(1)沉降标准

应符合《城市道路路基设计规范》

[6]

(CJJ 194 -

2013)6. 2. 8 规定,如表 2 所示。

表 2 路基容许工后变形 m

道路等级

工程位置

桥台与路堤相邻处 涵洞、通道处 一般路段

快速路、主干路 ≤0. 1 ≤0. 2 ≤0. 3

次干路、支路 ≤0. 2 ≤0. 3 ≤0. 5

(2)稳定标准

应符合《城市道路路基设计规范》

[6]

(CJJ 194 -

2013)7. 2. 3 规定,如表 3 所示。

表 3 稳定安全系数

指标选取

安全系数

验算方法

固结有效应力法 改进总强度法

不考虑

固结

考虑

固结

不考虑

固结

考虑

固结

简化毕肖

普法、间

布法

直接快剪 1. 1 1. 2 — — —

静力触探、十字板剪 — — 1. 2 1. 3 —

三轴有效剪切指标 — — — — 1. 4

7. 2 验算结果

(1)沉降验算

根据《 城市道路路基设计规范》

[6]

( CJJ 194 -

2013)7. 2. 11 公式计算:

S = ψp∑

m

j = 1

∑

nj

i = 1

σj,iΔhj,i

Esj,i

= 0,沉降满足要求。

(2)稳定验算

根据《 公路软土地基路堤设计与施工技术细

则》

[7]

(JTG/ T D31 - 02 - 2013)4. 2. 2 公式计算:

F =

∑

B

A

(CqiLi + WΙi

cosαi

tanφqi + WΙΙiUi

cosαi

tanφcqi) +∑

C

B

(cqiLi + WΙΙi

cosαi

tanφqi)

∑

B

A

(WΙ + WΙΙ)i

sinαi +∑

C

B

WΙΙi

sinαi

= 4. 994,稳定系数满足要求。

·102· 福 建 建 筑 2023 年

8 排水设施设计情况

结合钢筋砼板,在行车道两侧设置排水边沟,雨

水通过道路横坡、纵坡及两侧排水沟,流入最低点位

置集水坑,再通过雨水管道接入设计雨水检查井,经

一体化雨水泵站排入前洋河;同时,在下穿坡段高点

位置设置横向截水沟,接入设计雨水管网,提前截流,

以减少高速桥下雨水汇入量。

9 低净空全套管施工工艺及施工注意事项

9. 1 施工工艺

(1)在开工之前,应查明本软基处理范围内是否

存在地下管线、或地下建(构) 筑物等。 若有存在地

下管线、或地下建(构)筑物等,则应先移除。

(2)施工前应采用适宜的方法、方式,对地形、地

质资料进行核对验证,特别是对地质条件以及各类地

质过度段的横纵向地质变化情况,进行核对验证。

(3)对场地进行清障整平(压实需分层静压,采

用人工或小型机械)。

(4)测放桩位:根据设计图纸现场实地放样,确

定并保护好桩位中心点。

(5)钻机就位及调平:移动全套管钻机至放样桩

位,使套管钻机抱管器中心对准桩位中心并调平。

(6)下沉钢套管、旋挖管内土:分节下沉钢套管,

2 m一节,下沉一节钢套管后,立即旋挖一节管内土,

钢套管通过法兰螺栓连接,钢套管下沉至设计桩底标

高,然后采用小型旋挖机旋挖管内土至设计桩底标

高,确认持力层。 钻孔应一次成孔,中途不得停顿,钻

至设计高程并检查合格后,应及时清孔,清孔可采用

抽碴法或吸泥法。 孔底应平整,无松渣,淤泥,沉淀或

扰动过的软层。

(7)分节吊入焊接钢筋笼。

(8)灌注水下砼成桩。 成桩后,桩身顶端浮浆应

清理干净,直至露出新鲜混凝土面。

9. 2 施工注意事项

(1)施工前,应按高速施工管理相关办法,办理

报批手续,通过审批后,方可安排施工。

(2)施工前,应核实路基与高速桥墩位置是否准

确若存在差异,应及时上报建设单位、监理、设计,以

便及时调整。

(3)施工期间设置专人,对下穿段内高速既有设施

进行巡视、检查,及时排除施工现场问题,做好施工记录。

(4)施工前,应作好系统排水工程,防止积水软

化基底。

(5)严格执行高速施工的有关规定,机具设备不

得侵入限界,并按规定设置安全标志及防护;施工期

间应规范桥下重型机械行走区间,弃土应堆放在高速

影响区外。

(6)应先施工临近高速公路桥墩的灌注桩,再分

段施工路幅中间的灌注桩。

9. 3 施工期间对高速公路桥梁保护

(1)施工前,在高速公路既有桥下设置临时限高

架,防止进入桥下施工的车辆、机械与高速既有桥梁

板发生碰撞,保护桥梁板安全。

(2)施工前,高速桥墩四周需设置临时护栏(围

挡)和警示标志,防止车辆、机械碰撞高速桥墩。

(3)施工时,严格控制车辆行驶秩序,不得乱行

乱驶。

(4)施工时,严禁使用大型机械,避免对桥梁结

构造成影响,确保高速公路安全运营。

(5)施工时,严禁任何机械对高速既有桥墩造成

触碰和扰动。

(6)在既有高速桥墩上设置监测仪,随时监测对

高速既有桥墩的影响,以确保高速公路安全运营。

(7)桥下路床、路基、路面碾压施工作业时,禁止

使用强振,应采用弱振和加强碾压次数,满足强度要

求。 桥墩 3 m 范围应采用人工开挖。

10 结语

针对新建市政道路受下穿沈海高速规划路立交中

桥和青口互通匝道净空限制的情况,考虑具体地质条件、

加固要求、施工可行性、高速桥梁安全等因素,提出采用

小直径钻孔灌注桩的软土地基处理方案及施工设计,该

方案获各方认可,亦可为类似工程设计提供借鉴。

参 考 文 献

[1] 〔2017〕124 号福建省高速公路涉路工程管理办法[Z]. 2017.

[2] JGJ 94 - 2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京:中国建筑工

业出版社,2008.

[3] GB 5007 - 2011 建筑地基基础设计规范[S]. 北京:中国

建筑工业出版社,2011.

[4] GB 55003 - 2021 建筑与市政工程地基基础通用规范

[S]. 北京:中国建筑出版社,2021.

[5] TB 10182 - 2017 公路与市政工程下穿高速铁路技术规

程[S]. 北京:中国铁道出版社,2017.

[6] CJJ 194 - 2013 城市道路路基设计规范[ S]. 北京:中国

建筑工业出版社,2013.

[7] JTG/ T D31 - 02 - 2013 公路软土地基路堤设计与施工

技术细则[S]. 北京:人民交通出版社,2013.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

某过江提水工程 160m 三角桁式拱管桥设计分析

张婧怡1 黄育凡2

(1. 湖州交通规划设计院 浙江湖州 313000; 2. 福州大学土木工程学院 福建福州 350116)

摘 要:为协调跨江管道桥兼具景观、通航等需求,某过江提水工程管道桥采用截面为正三角形三肢钢管桁架结构,一

跨过江。 全桥计算跨径 160 m,矢高 25 m,矢跨比 1 / 6. 4,拱肋截面采用 3 根 Ф1000 mm 钢管组成,壁厚 24 mm。 弦杆间

的连接腹杆钢管外径均为 400 mm,壁厚 16 mm。 在拱脚 4 m 范围内采用外包混凝土形式,钢管外 20 cm 等间距布置剪

力钉,并配抗裂钢筋,厚度 450 mm。 拱座采用圬工混凝土扩大基础,拱座基础以中风化基岩为持力层。 采用空间有限

元程序 MIDAS / Civil 对拱管桥进行计算,结果表明,主拱结构强度、稳定性,K 型节点和焊缝强度,基础抗滑、抗倾覆计

算均满足规范要求。 目前,拱管桥运营状况良好,达到预期目标,可为今后过江管道桥设计提供参考。

关键词: 桥梁工程;拱管桥;三角桁式拱;桥梁设计

中图分类号:U44 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0103 - 06

Design and Analysis of 160m Triangular Truss Arch Pipe Bridge

for a River Crossing Water Lifting Project

ZHANG Jingyi

1 HUANG Yufan

2

(1. Huzhou Traffic and Plan Design Institute,Huzhou 313000;2. College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116)

Abstract:A River Pipeline Bridge has the needs of both landscape and navigation. The arch pipe is used to cross the river in one span,and

the section is an equilateral triangle steel tubular truss structure. The calculated span of the bridge is 160m,the rise height is 25m,the rise

span ratio is 1 / 6. 4,and the arch rib section is 3 steel pipe with diameter of 1000mm and thickness of 24mm. The outer diameter of connecting web steel pipes between chords is 400mm,and the thickness is 16mm. Concrete shall be wrapped within 4m of the arch abutment. Shear

nails shall be arranged at equal intervals 20cm outside the steel pipe,and crack resistant reinforcement shall be provided,with thickness of

450mm. Masonry concrete expansion foundation is adopted for the arch pedestal,and the moderately weathered bedrock is used as the bearing stratum. The spatial finite element program MIDAS / Civil is used to calculate the structural static force of the bridge. The results show

that the strength and stability of the main arch structure,the strength of K - joints and welds,and the anti sliding and anti overturning calculation of the foundation meet the specification requirements. At present,the bridge is in favorable operation and has reached the expected

goal,which can provide reference for the design of river crossing pipeline bridges in the future.

Keywords:Bridge engineering; Arch pipe bridge; Triangular truss arch; Bridge design

基金项目:福建省自然科学基金项目(2022J01093)。

作者简介:张婧怡(1990 - ),女,工程师。

通讯作者:黄育凡(1986 - ),男,副研究员。

E-mail:yufanhuang@ fzu. edu. cn

收稿日期:2023 - 02 - 21

0 引言

随着我国工业的迅速发展,管道已经成为能源输

送的常见手段。 在遇到较大河流、山谷等阻隔时,通常

将管道设计成拱形,利用拱形管自身强度跨越障碍,即

拱管桥[1]

。 目前,国内拱管桥跨度已达到 150 m。 这

种结构可以充分利用构件自身的强度,避免多跨梁式

桥下部结构多等问题[2 - 3]

;又避免了斜拉悬索体系造

价高,施工工艺复杂,锚碇与两岸接线避让困难等问

题[4]

。 同时,在钢管内填充混凝土,成为钢管混凝土

拱,虽然自重有所增加,但是横向抗弯刚度提高,侧向

稳定承载力高,且节点性能、结构抗火性能、防腐性

能、抗震性能等都有较大改善,还可以避免在长期荷

载作用下,可能发生为钢管应力增加的问题。 本文分

析介绍一种将过江管道与三角桁式拱肋结合的拱管

桥设计案例,摈弃了常规设计中较为笨重的桥道系,

可为今后过江拱管桥设计提供参考。

·104· 福 建 建 筑 2023 年

1 工程总体设计

某提水工程拟从涪江供水至铜梁自来水厂,由水

厂、管线和提水泵站三部分组成。 管线由两根 DN1000

钢管(球墨铸铁管)并排组成,间距接口采用 T 型橡胶

圈或焊接,两根管道管中心间距 1. 8 m。 净距 0. 8 m。

全长约 23. 226 km;全线坡度 0. 3% ~800. 7% 。 拟建管

道桥走向服从管线总体布置,需横跨琼江。

(a)立面图

(b)平面图

图 1 总体布置图(单位:cm)

琼江河谷呈左右对称的“V”型谷,坡度约 25° ~

35°。 两岸墩台部位分布浅薄坡积覆盖层,工程性能

较差,需清除。 下伏基岩属强 ~ 微化泥岩岩体,强风

化泥岩厚度为1. 70 m ~ 3. 40 m,场地中风化基岩属较

完整,地基承载力相对较高,可作墩台基础。

根据规划要求,过江管道桥方案设计需满足以下

几点:

(1)保证管道桥一跨过江,且必须保证过江的安

全性;

(2)桥梁外形符合当地的整体景观要求;

(3)考虑造价经济。 根据以上要求,由于桥梁跨

径超过 150 m,一般采用斜拉悬索体系或拱桥体系过

江。 但是,同等情况下,斜拉悬索体系的造价是拱桥

体系的两倍,本桥址的地质条件满足拱桥所需的扩大

基础要求。 因此优先考虑拱桥体系,且跨径大于 150

m 时宜采用桁式截面[5]

。 其次,过江为两根管道架设

桥梁,显然不够经济。 若采用钢管桁式结构,钢管既

是桥梁结构,又是输水管道,可以节省投资。 因此,采

用组合拱式结构,可以很好地满足一跨过江的需求。

管道与主拱肋融为一体,外观上将更加优美,是一种

经济、合理的解决方式。

桁式截面以三肢或四肢桁式最为常见,过水拱管

桥主要承受静水荷载。 三肢桁式在具有较大的横向

刚度和纵向刚度的同时,比四肢桁式构件自重轻,因

此初步拟定采用三肢桁式截面。 但是,倒三角形截面

形心过高,容易引发稳定问题。 采用正三角形截面则

能较好地解决这个问题。 此外,拱桥的矢跨比以 1 / 4

~ 1 / 5 为甚,最多的则是 1 / 5

[6]

。 由于过水管道桥的

荷载较普通车行桥小,且矢跨比过大时,管道过水难

度增大,因此进一步减小矢跨比。

综合考虑以上因素,项目总体设计采用正三角截

面三肢钢管桁架拱结构。 全桥计算跨径 160 m,矢高

25 m,矢跨比 1 / 6. 4,管道桥总体布置如图 1 所示。

拱肋截面采用 3 根 Ф1000 mm 钢管弦杆组成的

正三角形空间桁架结构,壁厚均为 24 mm,上下弦钢

管中心的高度差为 4. 763 m,如图 2 所示。 上弦杆钢

管中心半径为 145. 263 m,竖向矢高 25. 848 m,全长

充填混凝土;下弦杆的横向间距为 5. 5 m,下弦杆钢

管中心半径为 140. 5 m,竖向矢高 25 m,为中空结构,

用于管道过江。

2023 年 09 期 总第 303 期 张婧怡,黄育凡·某过江提水工程 160m 三角桁式拱管桥设计分析 ·105·

(a)跨中截面 (b)拱脚截面

图 2 截面布置图(单位:cm)

在桥梁运营期,可能会发生船撞等意外事故。 同

时,为提高钢管桁架拱的整体稳定性,避免水和水蒸

气使拱脚内部钢管锈蚀,影响结构的耐久性,在拱脚

6 m 范围内采用外包混凝土构造[7]

。 为改善上弦杆

拱脚的受力性能,在拱脚 10 m 范围内的钢管内灌注

C40 泵送混凝土,用厚 16 mm 的钢板分隔混凝土填充

段和空钢管段,隔板与两边钢管之间,各用 8 块沿圆

周等间距布置厚 16 mm 的三角形钢板连接。 空钢管

段的三角形联接钢板几何尺寸稍大,以使拱肋刚度急

剧变化的情况有所缓解。 钢管外 20 cm 等间距布置

剪力钉,并配抗裂钢筋,厚度 450 mm。 桁架拱脚构造

如图 3 所示。

钢管桁架拱结构施工采用工厂放样、加工成型,

预拼装后分段运至现场,拼装焊接等,施工方法采用

缆索吊装配合少支架吊装施工,如图 4 所示。

图 3 桁架拱脚构造图(单位:mm)

图 4 桥梁缆索吊装施工

2 有限元模型与设计荷载

为充分考虑结构的空间效应,提高结构计算结果

的精确性,拱管桥采用空间结构分析软件 MIDAS /

Civil 进行计算。 模型共分 101 个节点,286 个单元,

如图 5 所示。

图 5 有限元计算模型

采用空间梁单元模拟钢管弦杆;桁架单元模拟腹

杆、上平联和上斜撑。 三根钢管弦杆在拱脚处与拱座

固结,钢管弦杆与腹杆、上平联和上斜撑之间的连接

方式采用刚性连接。 模型中充分考虑了成桥运营阶

段的桥梁各部分的结构刚度的模拟,和各种荷载的作

用。 对于上弦杆钢管混凝土截面,分别采用双单元共

节点法与组合截面法进行模拟,对比关键截面应力和

挠度计算结果,如表 1 所示,计算结果接近,验证了建

模方法正确性。 计算采用双单元共节点法模拟钢管

混凝土。

表 1 不同建模方法在自重下计算结果对比

建模方法 部件

拱脚应力

/ MPa

拱顶应力

/ MPa

拱顶挠度

/ mm

双单元共节点法

上弦管 - 11. 5 - 25. 2 - 22. 6

下弦管 - 28. 5 - 15. 2 - 23. 9

组合截面法

上弦管 - 12. 3 - 24. 7 - 22. 2

下弦管 - 28. 2 - 15. 3 - 23. 5

永久荷载包括钢管道结构自重、二期恒载和管道

内水重。 桥跨结构的自重,由计算程序根据结构单元

的截面形式和材料自动施加。 二期恒载考虑管道内外

防腐材料重、管道保温层重、管道附属设施重等。 管内

水重标准值,按水的重力密度 10 kN/ m

3计算,采用均布

荷载的形式施加在两根用于输水的钢管下弦杆。

可变荷载包括压力管内的静水压力、真空压力、

风荷载、雪荷载、温度作用、施工安装荷载或检修荷

载、流水压力、融冰压力等。 其中,压力管内的静水压

力标准值按工作内水压力 1. 15 MPa 加 0. 5 MPa 进行

设计,真空压力标准值取 0. 05 MPa;风荷载按《建筑

结构荷载规范》 (GB 50009 - 2012)

[8] 中的第 7 条进

行设计,基本风压取 0. 45 kPa;雪荷载按《建筑结构荷

·106· 福 建 建 筑 2023 年

载规范》(GB 50009 - 2012)

[8] 中的第 6 条进行设计,

基本雪压取 0. 2 kPa;拱管桥合龙平均温度 20℃ ,体系

整体升温 25℃ ,整体降温 25℃ ;施工安装荷载或检修

荷载标准值按 2. 0kN/ m 进行设计;支座不均匀沉降

取 50 mm。

荷载组合根据《自承式给水钢管跨越结构设计规

程》(CECS 214 - 2006)

[9]

(以下简称《跨越结构设计

规程》)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009 - 2012)

[8]

规定,考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态,

得到计算用荷载组合,如表 2 所示。

表 2 荷载组合

极限状态 荷载组合名称

各项作用效应系数的取值情况

自重 二期恒载 全跨水重 半跨水重 风荷载 整体升温 整体降温 检修荷载 拱座沉降

正常使用极限状态

组合 1 - 1 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

组合 1 - 2 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

组合 2 - 1 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

组合 2 - 2 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

组合 3 - 1 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

组合 3 - 2 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100 1. 100

承载能力极限状态

组合 4 - 1 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

组合 4 - 2 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

组合 5 - 1 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

组合 5 - 2 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

组合 6 - 1 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

组合 6 - 2 1. 320 1. 320 1. 397 1. 386 1. 386 1. 386

3 计算结果分析

3. 1 强度计算

对钢管结构按承载能力极限状态进行强度计算

时,根据《跨越结构设计规程》第 7. 1. 1 条规定,钢管

结构的管壁强度计算,应满足式(1)、(2)要求:

γ0σ≤f (1)

γ0σ≤f

t (2)

式中: γ0———管 道 重 要 性 系 数, 按 1. 0 取 值;

σ———钢管管壁的最大组合折算应力(MPa);f———钢

材的抗拉或抗压强度设计值(MPa);f

t———焊接管的

焊缝抗弯强度设计值(MPa),考虑焊缝强度折减,一

般按 0. 9 倍计算。

对钢管结构按承载能力极限状态进行强度计算

时,根据《跨越结构设计规程》第 7. 1. 2 条规定,钢管

管壁的截面最大组合折算应力按式(3)计算:

σ = σ

2

θ + σ

2

X - σθσX + 3τ

2

(3)

式中:σθ———管壁截面环向应力(MPa);σx———

管壁截面纵向应力( MPa); τ———管壁截面剪应力

(MPa)。

根据《跨越结构设计规程》第 7. 4. 1 条规定,管壁

截面的环向拉应力按式(4)计算:

σθ =

rFwd

t

=

476 × 1. 65

24

= 32. 725 MPa (4)

通过提取 MIDAS / Civil 相应计算数据,管壁截面

纵向应力 σx和剪应力 τ 最大值出现在上弦杆处,最不

利组合为组合 6 - 2,沿纵桥向的变化如图 6 所示。

(a)纵向应力

(b)剪应力

图 6 上弦管应力最大值(单位:MPa)

2023 年 09 期 总第 303 期 张婧怡,黄育凡·某过江提水工程 160m 三角桁式拱管桥设计分析 ·107·

根据式(3),此时各管壁截面的最大组合折算应

力如表 3 所示,均满足设计要求。

表 3 各弦管强度验算汇总 MPa

截面 弦管位置 最大值 限值

拱脚截面

上弦管 179. 1 335

下弦管 160. 7 335

拱顶截面

上弦管 109. 4 335

下弦管 78. 3 335

3. 2 稳定计算

钢管结构按承载能力极限状态进行稳定计算时,

根据《跨越结构设计规程》第 8. 3 条,进行拱管桥的平

面外稳定性验算。 通过有限元分析得到,N = 3651. 8

kN,A = 0. 0736 m

2

。

风荷载作用下,相对偏心距系数 e1 = 0. 37 < 4,取

φd = 0. 80。 此时,拱管桥稳定性应力 σ0 :

σ0 =

N

Aφd

=

3651. 8 × 10 - 3

0. 0736 × 0. 8

= 62. 0 MPa≤335 MPa

(5)

全跨竖向荷载作用下,相对偏心距系数 e1 = 0. 50

< 4,取 φd = 0. 74。 此时,则拱管桥稳定性应力 σ0 :

σ0 =

N

Aφd

=

3651. 8 × 10 - 3

0. 0736 × 0. 74

= 36. 1 MPa≤335 MPa

(6)

全桥稳定性满足要求。

因此,拱肋截面采用 3 根 Ф1000 mm 钢管组成的

正三角形空间桁架结构,满足设计要求。

3. 3 K 型节点支管承载力计算

Zheng

[10]对 119 座钢管混凝土桁式拱桥的主管

与支管的管径比进行了统计,常用管径比为 0. 4,如

图 7 所示。 因此,上下弦杆之间和下弦杆之间的连接

腹杆钢管外径均为 400 mm,壁厚均为 16 mm。

图 7 上弦管应力最大值图(单位:MPa)

按照《钢结构设计规范》 (GB 50017 - 2017)

[11]

第 13. 3. 1 条规定,K 型节点受压、受拉支管承载力不

得大于式(7)和式(8)计算得到的承载力。

N

pj

cK =

11. 51

sinθc

d

t

( )0. 2ψnψdψa

t

2

f

=

11. 51

0. 866

1000

24

( )0. 2 × 0. 8443 × 0. 441 × 1. 874

× 24

2

× 295 = 3321. 8 kN (7)

N

pj

tK =

sinθc

sinθt

N

pj

cK = 3221. 8 kN (8)

有限元分析可得腹杆最大轴压力为 1003. 73 kN,

最大轴拉力为 801. 24 kN,均小于规范限制 3321. 8

kN,满足规范要求。

3. 4 焊缝强度计算

根据《钢结构设计规范》 (GB 50017 - 2017)

[11]

第 13. 3. 9 条规定,在钢管结构中,支管与主管的连接

焊缝可视为全周角焊缝,按式(9)计算。

σf =

N

he

lw

≤βf

f

w

t (9)

式中:βf———正面焊缝的强度设计值增大系数,

承受动荷载的构件按 1. 0 计算;he———角焊缝的计算

厚度,直角焊缝等于0. 7hf,hf为焊脚尺寸;f

tw———角焊

缝强度设计值。

在圆管结构中,支管与主管的连接焊缝可视为全

周角焊缝。 由于 di

/ d = 16 / 24 = 0. 67 > 0. 65,支管与

主管的相交线长度按式(10)计算。

lw = (3. 81di - 0. 389d )

0. 534

sinθi

+ 0. 446 ( ) (10)

式中:d、di———主管和支管外径;θ———支管轴线

与主管轴线的夹角。

经有限元分析, 该管道桥支管最大轴向力为

1003. 73 kN,同时根据式(10)可得支管与主管的相交

线长度为 1228. 8 mm。 因此:

σf =

N

he

lw

=

1003. 73 × 10

3

12. 6 × 1228. 8

= 64. 8 MPa≤βf

f

w

t = 220 MPa (11)

所以,支管的设计满足规范要求。

3. 5 拱座与基础计算

拱座采用圬工混凝土扩大基础,两岸拱座立面根

据拱脚和地面线进行布置,拱座基础以中风化基岩为

持力层。 为保证基础安全,应进行基础抗滑验算和抗

倾覆验算。

(1)基础抗滑验算

拱脚与水平线之间的夹角为 34. 5

°

,基础自重 R2

·108· 福 建 建 筑 2023 年

= 22 050 kN,水的浮托力 Rw = 8820 kN;通过有限元

分析得到,拱脚处最大的轴压力为 7571 kN,水平力总

和 ΣHi = 6239. 5 kN。 因此,根据《跨越结构设计规

程》第 10. 2. 6 条进行基础抗滑验算:

∑Ri = - 7571 × sin 34. 5

°

+ 22050 = 17761. 7 kN (12)

查《跨越结构设计规程》表 5. 2. 6 得 Ks = 1. 30。

查《 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范》 ( GB 50007 -

2011)

[12]表 6. 7. 5 - 2 的 μ = 0. 7,

μ ∑Ri - Rw

( )

∑Hi

=

0. 7 (17761. 7 - 8820 )

6239. 5

= 1. 00≤Ks = 1. 30 (13)

基础沿水平抗滑稳定性满足要求。

(2)基础抗倾覆验算

根据《 跨越结构设计规程》 第 10. 2. 3 条和第

10. 2. 5 条,进行基础抗倾覆验算。 将基础按下端固

定、上端自由的单向偏心受压构件计算,基础底面偏

心距,应符合下列公式规定:

ey

a

≤

1

6

,ey =

My

∑Ri

(14)

ex

b

≤

1

6

,ex =

Mx

∑Ri

(15)

已知 a = 18 m,b = 14 m;由有限元分析提取得到

拱脚处最大的 Mx = 66. 4 kN/ m、My = 2124. 3 kN/ m,

带入式(10)和(11)可得 a = 18 m;b = 14 m。

ey

a

= 6. 67 × 10 - 3≤

1

6

(16)

ex

b

= 2. 7 × 10 - 4≤

1

6

(17)

基础抗倾覆满足要求。

因此,拱座与基础设计的设计满足规范要求。

4 结语

某跨江管道桥采用三角桁拱截面设计,将过江管

道与拱肋结合,摈弃了常规设计中较为笨重的桥道

系,具有外形美观,结构轻盈,功能实用的特点,可满

足生产、景观、经济等多方面要求。 该桥于 2014 年 12

月建成通水,经过 9 年的运营,效果良好,可为今后过

江管道桥设计提供参考。

参 考 文 献

[1] 薛强. 管道跨越设计简介[J]. 天然气与石油,1999(02):

31 - 35,55.

[2] 赵强,陈建华,陈景彦. 倒三角形桁架管道桥钢结构工业

制作的设计和计算[ J]. 东北电力学院学报,2005(04):

84 - 87.

[3] 胡世强. 重庆市长寿区钢管桁架管道桥设计[J]. 特种结

构,2008(01):74 - 75.

[4] 李冰,黄丽华,雷刚. 大跨度悬索管道桥的 ANSYS 有限

元分析综述[J]. 防灾减灾工程学报,2010,30( S1):262

- 265.

[5] 陈宝春,韦建刚,周俊,等. 我国钢管混凝土拱桥应用现

状与展望[J]. 土木工程学报,2017,50(06):50 - 61.

[6] Q. Wang,S. Nakamura,K. Chen,B. Chen and Q. Wu,Comparison between Steel and Concrete - Filled Steel Tubular

Arch Bridges in China[ J]. Journal of Constructional Steel,

2016,24:66 - 73.

[7] 范家怡,赵胤儒,汪基伟 . 钢管混凝土拱桥拱脚外包混

凝土最小厚度研究[ J]. 三峡大学学报(自然科学版),

2018,40(01):48 - 53.

[8] GB 50009 - 2012 建筑结构荷载规范[S]. 2012.

[9] CECS 214 - 2006 自承式给水钢管跨越结构设计规程

[S]. 2006.

[10] Zheng,J. ,Nakamura,S. ,Chen,K. M. and Wu,Q. X. Numerical Parameter Analysis on Stress Concentration Factors

of Concrete - filled Steel Tubular (CFST) K - joint under

Axial Loading[ J]. The 2017 World Congress on Advances

in Structural Engineering and Mechanics, Seoul,

Korea,2017.

[11] GB 50017 - 2017 钢结构设计规范[S]. 2017.

[12] GB 50007 - 2011 建筑地基基础设计规范[S]. 2011.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

沥青混合料结构对路用性能影响的机理研究

成相飞

(南京浦江工程检测有限公司 江苏南京 211801)

摘 要:沥青混合料作为沥青路面的面层材料,其结构性能与路面服务质量及寿命有重大关联。 当前沥青混合料研究

以宏观性能为主,多采用经验指标对混合料生产进行调整,而对混合料结构性能作用机理研究较少。 为此,对 SMA -

13 沥青混合料、Sup - 20 沥青混合料和 Sup - 25 沥青混合料进行深化研究,从混合料结构、材料组成、反应机理等方面

对不同类型沥青混合料的相关性能指标进行分析。 结果表明,SMA - 13 沥青混合料因添加了木质纤维,而具有较强的

高温抗变形能力,但较大的空隙率,导致其马歇尔稳定度和抗水损害性能偏低。 Sup - 20 沥青混合料和 Sup - 25 沥青

混合料依靠大粒径集料之间的相互交错,其马歇尔稳定度、动稳定度、劈裂强度较为优良。 通过深化分析混合料结构

差异对沥青路面性能的影响,为进一步提高高速公路沥青路面的施工质量,进一步保证高速公路的正常服役年限奠定

了理论基础。

关键词: 沥青混合料;混合料结构;路用性能;影响机理

中图分类号:U414 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0109 - 05

Study on influence mechanism of asphalt mixture structure forpavement performance

CHENG Xiangfei

(Nanjing Pujiang Engineering Testing Co. ,LTD,Nanjing 211801)

Abstract:As asphalt pavement layer material,asphalt mixture structural performance has a significant relationship with pavement service

quality and life. At present,the research of asphalt mixture mainly focuses on macro performance. The empirical index is used to adjust the

production of mixture. However,there are few studies on the mechanism of structural properties of the mixture. In this paper,SMA - 13 asphalt mixture,Sup - 20 asphalt mixture and Sup - 25 asphalt mixture were studied. The conventional road performance of different asphalt

mixtures was analyzed from the aspects of mixture structure,material composition and reaction mechanism. The results show that SMA - 13

asphalt mixture has strong high temperature deformation resistance due to the addition of wood fiber. However,it has a large void ratio,resulting in low Marshall stability and water damage resistance. Sup - 20 asphalt mixture and Sup - 25 asphalt mixture depend on the interlacing

between aggregates with large particle size,its Marshall stability,dynamic stability and splitting strength are excellent. Through further analysis of the influence of mixture structure difference on asphalt pavement performance,in order to further improve the construction quality of

highway asphalt pavement,further guarantee the normal service life of the highway to lay a theoretical foundation.

Keywords:Asphalt mixture; Structure of mixture; Road performance; Mechanism of influence

作者简介:成相飞(1983. 6 - ),男,高级工程师。

E-mail:648502378@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 03

0 引言

基于交通流量的飞速增加,沥青道路的使用性能

要求也逐渐提升。 沥青混合料作为沥青路面的面层

材料,其强度对路面结构承载起着不可或缺的作用。

现阶段 Sup - 25、Sup - 20 及 SMA - 13 沥青混合料配

合比设计已有较为成熟的经验,对于沥青混合料配合

比设计过程的各项指标,均有相应的技术要求。 其通

常通过试验室试验确定有效性[1]

。

沥青混合料结构及其路用性能评价,一直是道路

建设研究的重点课题。 Doyle 等[2]基于骨料与填料特

性,对沥青混合料的试验室和现场压实方法与车辙性

能进行分析,通过成像分析软件,分析不同压实的沥

青混合料,认为不同压实方法对材料性能将产生巨大

差异,且利用二维图像分析技术,可以量化骨料填充

的差异。 赵永利等分析了不同颗粒组成对级配状态

的影响,通过引入混合料的体积参数 VCA、VMA 和

VV,建立了基于多点支撑骨架状态的混合料体积设

·110· 福 建 建 筑 2023 年

计方法[3]

。 Pan 等从颗粒几何形貌的角度,提出了粗

骨料形态影响细骨料稳定性和永久变形行为的机理,

探究了集料对混合料性能的影响[4]

。 张含伟在常规

沥青混合料中,添加高灰分岩沥青 BRA 和聚合物改

性剂 SBS,形成复合改性沥青混合料,并且与改性

Sup20 和高模量 EME - 14 两种混合料进行对路用性

能对比,表明对提高沥青路面的抗车辙性能和抗水损

害性能具有显著改善作用[5]

。

沥青混合料结构经过多年实践及应用效果改良,

现在已经大规模应用于高速公路路面建设。 但是,当

前沥青混合料研究多以宏观性能为主要研究目标,以

经验性指标作为评价其性能的核心指标,未能深入揭

示沥青混合料的构成机理,从而使混合料的设计理论

缺少了必要的理论基础。

本研究依托南京至合肥高速公路扩建工程路面

施工项目,通过对高速公路上、中、下面层的路用性

能进行测试,从材料自身性能角度探究沥青混合料

的路面性能,研究混合料结构,对混合料高温、低温、

水稳定性等结果的影响,并提出不同混合料结构的

适用环境。 这些,为沥青路面混合料性能优化提升

奠定了理论基础,有利于促进高速公路沥青路面质

量提升。

1 试验部分

1. 1 原材料

本研究涉及的沥青上面层所使用沥青为 SBS 改

性沥青,中面层和下面层所使用的沥青为 70#基质沥

青,均由浙江某物资集团股份有限公司供应,其主要

性能指标的测试结果如表 1 所示。

沥青中添加纤维能够吸附沥青,进而改善矿料之

间的粘附性,降低沥青胶浆的剥落,提升沥青路面的

路用性能。 本研究利用江苏某材料科技有限公司生

产的木质素纤维,掺量为沥青混合料总质量的0. 3% ,

其主要性能指标测试结果如表 2 所示。

表 1 沥青主要性能指标测试结果

性能指标

测试结果

基质沥青 SBS 改性沥青

测试方法

25℃针入度(0. 1 mm) 65 52 JTG E20—2011 T 0604

软化点(℃ ) 48. 2 66. 2 JTG E20—2011 T 0606

5℃延度(cm) 43 26 JTG E20—2011 T 0605

闪点(℃ ) 261 248 JTG E20—2011 T 0611

25℃弹性恢复(% ) 82 96 JTG E20—2011 T 0662

135℃运动粘度(Pa·s) 2. 153 2. 372 JTG E20—2011 T 0625

48 h 软化点差值 0. 3 1. 8 JTG E20—2011 T 0661

RTFOT 残留物

质量变化(% ) - 0. 50 - 0. 21 JTG E20—2011 T 0608

25℃针入度比(% ) 79 78 JTG E20—2011 T 0608

表 2 木质素纤维主要性能测试结果

性能指标 测试结果 技术指标

外观合格率(% ) 100 ≥90

长度(mm) 6 —

直径(μm) 12 —

线密度(tex) 230 —

断裂强度(MPa) 2294 ≥2000

弹性模量( × 10

4 MPa) 8. 4 ≥8. 0

断裂伸长率(% ) 2. 6 2. 4 - 3. 1

吸油率(% ) 60 ≥50

本文选用玄武岩碎屑和石灰石碎屑作为粗集料

和细集料,选用石灰石粉末作为填料,并按照《公路工

程集料试验规程》 (JTG E42 - 2005),对粗集料、细集

料和填料进行测试,相关性能测试结果如表 3 所示。

粗集料、细集料和填料的各项技术指标均满足《公路

沥青路面施工技术规范》(JTG F40 – 2004)。

表 3 粗集料、细集料和填料相关性能指标

集料类型 性能指标 测试结果 技术要求

玄武岩粗集料

表观相对密度(–) 2. 68 ≥2. 60

吸水率(% ) 0. 7 ≤2. 0

压碎值(% ) 19. 1 ≤26

洛杉矶磨耗值(% ) 20. 1 ≤28

针片状含量(% ) 4. 4 ≤12

坚固性(% ) 3 ≤12

石灰石细集料

表观相对密度(–) 2. 71 ≥2. 50

含泥量(% ) 1. 7 ≤3

砂当量(% ) 66 ≥60

石灰石粉填料

表观相对密度(t/ m

3

) 2. 71 ≥2. 50

含水量(% ) 0. 53 ≤1. 0

亲水系数(–) 0. 49 < 1. 0

塑性指数(% ) 3. 1 < 4. 0

2023 年 09 期 总第 303 期 成相飞·沥青混合料结构对路用性能影响的机理研究 ·111·

1. 2 配合比设计

本次生产配合比设计方法,依据《公路沥青路面

施工技术规范》 (JTG F40 - 2004)、《公路工程沥青及

沥青混合料试验规程》(JTG E20 - 2011)、《公路工程

集料试验规程》 ( JTG E42 - 2005)及《江苏省高速公

路沥青路面施工技术规范》DB32 / T1246 - 2008,沥青

的上面层、中面层和下面层分别选用 SMA - 13、Sup -

20 和 Sup - 25 目标配合比设计,确定三种沥青混合料

的最佳油石比分别为 6. 0% 、4. 2% 和 3. 8% ,三种沥

青混合料的级配组成如表 4 所示。

表 4 沥青混合料级配组成

筛孔

(mm)

通过百分率(% )

上面层 SMA - 13 中面层 Sup - 20 下面层 Sup - 25

31. 5 — — 100

26. 5 — 100 99. 1

19 — 94. 2 78. 9

16 100 — —

13. 2 94. 0 78. 9 62. 7

9. 5 61. 1 63. 1 50. 4

4. 75 26. 6 37. 5 34. 2

2. 36 22. 3 24. 8 24. 3

1. 18 19. 3 17. 3 17. 5

0. 6 15. 8 11. 7 12. 4

0. 3 13. 5 8. 1 7. 5

0. 15 11. 3 5. 6 5. 6

0. 075 10. 1 4. 5 4. 2

1. 3 路用性能测试方法

1. 3. 1 马歇尔稳定度试验

根据生产配合比的级配调试结果,按目标配合比

设计确定的各自最佳油石比条件下,设置试件击实温

度保持在 160 ~ 165℃ ,利用 SYD - 0709 - 1 型马歇尔

稳定度仪,对三种沥青混合料进行马歇尔试验,将试

件放置在 60℃ 的水浴恒温箱中保温 40 min。 参照

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 ( JTG E20 -

2011)测定三种沥青混合料试件的密度、空隙率等各

项技术指标。

1. 3. 2 高温性能试验

为了验证高速公路沥青路面的高温稳定性,分别

对沥青路面上面层、中面层和下面层进行动稳定度试

验,并参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》

(JTG E20 - 2011)对成型的车辙板试件进行试验。 利

用 HYCZ -5 型全自动沥青车辙试验机对三种沥青混

合料车辙板试件养护保温 6 h,设置养护温度 60℃。 待

养护保温结束后,利用 0. 7 MPa 的试验胶轮,在 60℃温

度下,对试件反复碾压 1 h,通过读取 45 min 和 60 min

的车辙变形量,计算不同沥青混合料的动稳定度。

1. 3. 3 抗水损害试验

为了验证高速公路沥青面层的抗水损害性能,分

别对沥青路面上面层、中面层和下面层进行浸水马歇

尔试验和冻融劈裂试验。 对于浸水马歇尔试验,将试

件放置在 60 ℃的水浴恒温箱内保温 48 h,保温结束

后,利用马歇尔稳定度仪对试件进行测试。 对于冻融

劈裂试验,将 8 个沥青混合料马歇尔试件随机分成两

组,一组试件在 25 ℃下进行劈裂试验,另一组试件真

空饱水后,放置在 - 18℃ 的恒温箱内保温 16 h,取出

后放置在 60 ℃的水浴恒温箱内保温 24 h,最后在常

温下对该组试件进行劈裂试验。

2 结果与讨论

2. 1 马歇尔稳定度

沥青混合料马歇尔稳定度和矿料级配评价和检

验沥青路面的工程质量,具有极为重要的作用。 本文

利用马歇尔稳定度评价高速公路沥青路面上面层、中

面层和下面层的级配组成设计,并进一步对三种沥青

混合料各项技术指标进行检测,其试验结果如表 5

所示。

表 5 马歇尔稳定度及相关参数测试结果

级配类型

油石比

(% )

毛体积相

对密度

计算理论最

大相对密度

空隙率

(% )

VMA

(% )

VFA

(% )

VCAmin

(% )

稳定度

(kN)

流值

(mm)

SMA - 13 6. 0 2. 466 2. 587 4. 7 16. 6 71. 7 36. 3 8. 16 3. 09

Sup - 20 4. 2 2. 475 2. 576 3. 9 16. 6 76. 5 36. 1 9. 46 3. 29

Sup - 25 3. 8 2. 485 2. 565 3. 1 16. 5 81. 2 35. 9 8. 95 3. 37

表 5 是三种沥青混合料的马歇尔稳定度及相关

参数测试结果。 通过马歇尔稳定度和矿料级配组成

能够更好的评价道路工程的质量,利用马歇尔稳定

度,能够表征沥青混合料的抗挤压及高温抗车辙能

力,而流值能够表征沥青混合料的抗变形能力。 从表

5 可以看出,在三种沥青混合料中,Sup - 20 的马歇尔

稳定度最大,达到 9. 46 kN,而 SMA - 13 的马歇尔稳

定度最小,为 8. 16 kN,能够看出,由于 SMA - 13 的矿

·112· 福 建 建 筑 2023 年

料级配中具有含量较多的矿粉。 通过比较三种沥青

混合料的毛体积相对密度可以发现,SMA - 13 的毛体

积相对密度较小,归结于其矿料级配整体情况偏细[6]

。

同时,SMA -13 的空隙率较大,在沥青混合料中添加木

质纤维,能够增加沥青胶浆的粘聚力[7]

,但并不能更好

的填充缝隙,被水浴浸泡后,致使沥青混合料结构整体

性相对降低,最终导致 SMA - 13 的马歇尔稳定度和流

值最小,但其技术指标仍满足规范的要求。

而对于 Sup - 20 和 Sup - 25,两者矿料级配整

体偏粗,大粒径集料之间的相互交错,致使其沥青混

合料都具有较大的马歇尔稳定度值,能够抵抗更大

的变形。 相比于 Sup - 25,Sup - 20,具有更大的马

歇尔稳定度值。 其原因是 Sup - 20 的级配具有更好

的连续性,其集料之间的填充效果更好,形成了密实

的结构。

2. 2 高温性能

为了更好地表征沥青混合料在高温条件下的抗

变形能力,利用动稳定度试验,对高速公路上面层、中

面层和下面层的沥青混合料进行测试,其结果如表 6

所示。

表 6 动稳定度试验结果

级配类型 油石比(% )

动稳定度(次/ mm)

1 2 3 平均值 规范要求

SMA - 13 6. 0 7200 7450 7850 7150 ≥3000

Sup - 20 4. 2 6276 6421 6836 6511 ≥3000

Sup - 25 3. 8 1836 1728 1621 1728 ≥1000

表 6 是三种沥青混合料的动稳定度试验结果。

通过比较三种沥青混合料的高温性能可以发现,三种

沥青混合料的动稳定度值均能满足规范的要求。 在

三种沥青混合料中,SMA - 13 的动稳定度值和平均值

均最大,Sup - 20 次之,Sup - 25 的动稳定度值和平均

值都远小于其余两种。

相比于 Sup -25 和 Sup -20,SMA -13 的动稳定度

为7150 次/ mm,远高于其余两种沥青混合料,原因是木

质纤维的添加,改善了沥青混合料的高温抗变形能力。

木质纤维具有较大的断裂强度和断裂伸长率,其抗拉

伸性能较好,在沥青胶浆与集料之间起到了加筋的作

用,使沥青混合料整体性得到了提高[8 - 9]

。 此外,木质

纤维在沥青中的添加,提升了沥青粘附性,其归结于纤

维的吸附作用,进一步提高了沥青混合料的耐久性。

而对于 Sup -25,其动稳定度测试值最小,这与沥青混

合料的配合比设计有关。 但作为高速公路沥青混合料

下面层材料,其仍能够满足规范的要求。

2. 3 水稳定性能

为了研究沥青混合料对水环境的敏感性,对三种沥

青混合料进行浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验,

并分别计算得出沥青混合料试件的残留稳定度 MS0 及

冻融劈裂强度 TSR,其结果分别如图1 ~图2 所示。

图 1 为三种沥青混合料浸水马歇尔稳定度及残

留稳定度结果。 从图1 中可以看出,经过48 h 的水浴

保温后,三种沥青混合料的浸水马歇尔稳定度都有所

下降,说明在长时间高温水浴浸泡后,沥青混合料的

结构整体性下降。 SMA - 13 的马歇尔稳定度和浸水

马歇尔稳定度在三种沥青混合料中最小,是由于 SMA

图 1 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

图 2 沥青混合料冻融劈裂试验结果

- 13 的孔隙率较大,在水环境中长时间浸泡,致使孔

隙被填充,集料表面对于水的亲和度大于集料表面对

于沥青的亲和度,致使其浸水马歇尔稳定度大幅度下

降[10]

。 而对于 Sup - 25,其大粒径集料占比较大,小

粒径集料占比相对较少,在长时间高温水浴浸泡后,

由于集料间空隙间具有大量的水分,致使其残留稳定

2023 年 09 期 总第 303 期 成相飞·沥青混合料结构对路用性能影响的机理研究 ·113·

度小于 SMA - 13 和 Sup - 20,但其技术指标仍能满足

规范的要求。 三种沥青混合料的残留稳定度,均大

于 85% 。

图 2 为三种沥青混合料冻融劈裂试验结果,TSR

表示沥青混合料试件冻融循环前后劈裂强度比。 沥

青混合料试件真空饱水后,被放置在冷冻箱中,试件

空隙内水分的冻胀效果,会对其内部结构造成更严重

的影响。 冻融循环后,试件内部结构将处于最不利的

状态。 相比于浸水马歇尔试验,冻融劈裂试验能够更

好地模拟道路在冬季寒冷时期的实际工况。 从图 4

中可以看出,未经历冻融循环时,三种沥青混合料的

劈裂强度差别不大,但经过冻融循环后,三种沥青混

合料试件的劈裂强度都有明显的下降。 从 TSR 结果

可以看出,SMA - 13、Sup - 20 和 Sup - 25 的冻融劈裂

强度分别降低了 22. 57% 、11. 3% 和 10. 95% ,其中

SMA - 13 在冻融循环后劈裂强度下降幅度最大,其归

结于 SMA - 13 的空隙率较大,使水分能够更充分地

进入其中,且在冻胀后,破坏了沥青混合料试件内部

的结构[11]

。 而 Sup - 20 和 Sup - 25 因其较小的空隙

率,有效地减少了水分渗入到沥青混合料试件结构

内部。

3 结论

对高速公路沥青路面上面层、中面层、下面层不

同混合料结构性能进行横向对比,探究混合料结构对

马歇尔稳定度、高温抗车辙性能、抗水损害能力进行

研究,其主要结论如下:

(1)相比于中面层 Sup - 20 沥青混合料和下面层

Sup - 25 沥青混合料,上面层 SMA - 13 级配沥青混合

料虽然添加了木质纤维,但其具有较大的空隙率,致

使其马歇尔稳定度低于 Sup - 20 和 Sup - 25。

(2)木质纤维在沥青中的添加,提升了沥青粘附

性,改善了沥青混合料的高温抗车辙性能,使得 SMA

- 13 具有较好的高温抗变形能力。 同时,由于配合

比设计的因素,Sup - 20 和 Sup - 25 的动稳定度仍满

足规范的要求。

(3)三种沥青混合料都具有较优的抗水损害能

力。 由于上面层 SMA - 13 级配沥青混合料较大的空

隙率,大量水分侵入后的冻胀效果,对沥青混合料内

部结构产生了破坏,大幅度降低了 SMA - 13 试件冻

融循环后的劈裂强度。

参 考 文 献

[1] XIA C D,LV S T,YOU L Y,et al. Unified Strength Model

of Asphalt Mixture under Various Loading Modes [ J]. Materials,2019,12 (6): 889.

[2] DOYLE J D,SEFIDMAZGI N R,MEJIAS - SANTIAGO M,

et al. Relationship of Field versus Laboratory Compaction to

Hot - and Warm - Mixed Asphalt Rutting Performance

[J]. Journal of Transportation Engineering,Part B: Pavements,2021,147 (2): 04021014.

[3] 赵永利. 沥青混合料的结构组成机理研究[D]. 南京:东

南大学,2005.

[4] Tongyan Pan,Erol Tutumluer,Samuel H. Carpenter. Effect

of Coarse Aggregate Morphology on Permanent Deformation

Behavior of Hot Mix Asphalt [J]. Journal of Transportation

Engineering,2006 (7).

[5] 张含伟. BRA/ SBS 复合改性沥青混合料路用性能研究

与工程应用[J]. 公路交通技术,2022,38(05):8 - 13.

[6] 徐周聪,周浩南,张浩,等. 乳化沥青复合冷再生混合料

界面及其性能研究[ J]. 公路交通技术,2021,37 (06):

33 - 41.

[7] 吴金荣,李飞,宋风宁,等. 粉煤灰/ 聚酯纤维沥青混合料

马歇尔试验研究 [ J]. 硅酸盐通报,2020,39 (04):1343

- 1350.

[8] 陈华明,王志祥. 纤维对浇注式沥青混合料性能的影响

[J]. 公路交通科技,2021,38(07):1 - 8.

[9] 易富,葛丽娜,赵琪琪. 基于颗粒离散元的沥青混合料尺

寸效应及影响因素[J]. 公路交通科技,2020,37 (05):1

- 10.

[10] 何腾. 冻融循环下沥青与集料的黏附性及沥青混合料的

水稳定性试验研究[D]. 兰州:兰州理工大学,2019.

[11] 万宁,贺求生,张帅,等. 聚氨酯/ 环氧树脂改性沥青混合料

路用性能研究 [J]. 公路交通科技,2022,39 (09):9 -15.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

基于超多小半径平曲线的主干线公路

改造设计研究与实践

严鹏翔

(中交远洲交通科技集团有限公司 福建福州 350014)

摘 要:为了提高主干线公路的交通服务水平,加强对公路的改造升级。 对实际工程案例进行介绍,分析了工程的基

本情况、交通量、旧路面结构、病害和现有的建设条件,提出小半径平曲线主干线的改造设计方案。 文章比对了三种不

同的路面结构设计方案,根据经济效益和功能性能考虑,采用旧路整治铣刨加铺结构。 最后,介绍了关键节点的设计

情况和对重点部位进行可靠性验算。 本项目的设计方案满足业主方对于使用功能要求、经济效益及施工工期需求。

关键词: 小半径平曲线;主干线公路;整治铣刨加铺;改造设计

中图分类号:U4 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0114 - 05

Research and Practice on the Reconstruction Design of Main Highway Based on

Supermany Small radius Horizontal Curves

YAN Pengxiang

(CCCC Yuanzhou Traffic Technology Group Co. ,Ltd. ,Fuzhou 350014)

Abstract:In order to improve the traffic service level of main highways and strengthen the renovation and upgrading of highways. Introduce

actual engineering cases,analyze the basic situation,traffic volume,old pavement structure,diseases,and existing construction conditions of

the project,and propose a renovation design plan for the small radius horizontal curve main line. The article compares three different pavement structure design schemes,and based on economic benefits and functional performance considerations,adopts the old road renovation

milling and paving structure. Finally,the design of key nodes and the reliability verification of key parts were introduced. The design scheme

of this project meets the owner's functional requirements,economic benefits,and construction schedule requirements.

Keywords:Small radius horizontal curve; Main road; Rectification of milling and paving; Reconstruction design

作者简介:严鹏翔(1991. 05 - ),男,工程师。

E-mail:1010836778@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 10

0 引言

随着我国经济建设的发展,交通运输的需求也在

逐年增多[1]

。 公路和道路逐年增长的交通车流量以

及经年累月对路面产生的荷载,公路路面承受的压力

也在不断加剧,道路的承载能力和使用性能正在逐年

降低[2]

。 道路的破损和毁坏会直接影响当地的交通,

从而间接影响当地的经济发展[3]

。 目前对旧有道路

进行优化和改造是提高交通服务水平的有效方法之

一,对于道路重新发挥交通功能和带动当地经济具有

重要意义[4]

。

小半径平曲线段公路的设计是进行公路改造优

化需重点关注的环节,关系着公路在运行过程中的安

全,合理有效的设计可以在一定程度上减少安全事故

的发生[5]

,因此本文基于某个具有超多小半径平曲线

的乡镇公路的改造设计实践,对设计方案和设计要点

进行梳理和介绍,为同类工程设计提供一定的借鉴。

1 工程背景

国道 356 线是福建省干线路网规划“八纵十一横

十五联”中的重要组成部分,原来属于省道 S306 线,

是仙游通往永春、大田的主要通道,沿途经仙游、永

春、大田、永安、清流、宁化六个县市区。 本工程项目

拟对国道 356 线 K102 + 447 ~ K131 + 751 外山乡仙游

界至莆永高速东互通路段路面进行改造升级,是 2020

~ 2021 年度泉州公路局和永春县政府重点工程建设

项目。 本次项目改造起点位于永春县外山乡仙游界,

起点桩号 K102 + 447,沿线经洋坪村、枫林村、石城

村、外山乡、乾溪村、肖田村、内碧村、田中村、黄乾村、

2023 年 09 期 总第 303 期 严鹏翔·基于超多小半径平曲线的主干线公路改造设计研究与实践 ·115·

东关镇、溪南村等,终点位于永春县蒲永高速东互通

处,设计终点桩号 K131 + 775,路线全长 29. 328 km。

沿线主要城镇为外山乡、东关镇,如图 1 所示。

图 1 工程项目鸟瞰图

2 现状调查与分析

2. 1 交通量分析

本项目沿线交通的车辆主要以中重型货车为主,

经计算本项目起点至外山乡镇区段初始年大型客车

和货车双向年平均日交通量为 1687(辆/ 日),外山乡

镇区至终点段初始年大型客车和货车双向年平均日

交通量为 2137(辆/ 日)。 鉴于交通量为同一等级且

相差较小以及为便于施工控制,本项目在设计时采用

外山乡镇区至终点段的交通量作为全线交通量。 经

计算使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通

量为 6 826 457 辆,交通荷载等级均为中等交通荷载

等级。

2. 2 旧路面结构组成

旧路于 1998 年年底建成通车,其中 K102 + 447

(起点) ~ K115 + 500(碧卿农村)段于 2007 年路面经

打裂压稳后重铺水泥混凝土路面,重铺结构为 25 cm

水泥砼面层 + 18 cm 5% 水泥稳定碎石基层 + 18 cm

级配碎石底基层;K128 + 360(美升村) ~ K131 + 775

(终点)段于 2014 年路面经打裂压稳后重铺水泥混凝

土路面,重铺结构为 25 cm 水泥砼面层 + 18 cm 5% 水

泥稳定碎石基层 + 18 cm 级配碎石底基层重铺。 根

据实地取芯试验检测报告,共钻 29 个孔,现状结构层

厚度基本与原设计结构层厚度基本一致,水泥面层平

均厚度为 249 mm,5% 水泥稳定碎石基层平均厚度

179 mm,级配碎石底基层平均厚度 177 mm。

2. 3 旧路面病害调查

按现行的《公路水泥混凝土路面设计技术规范》

的有关规定进行病害种类、范围及程度的评价和分

级,全线路面板出现裂缝、断角、破碎及板边破裂病害

的共有 13 118 块,断板率为 5. 763% ,为中等级;本项

目 0. 20 mm < 弯沉值≤0. 45 mm 的共 30 处,占比约

0. 228% ,弯沉值 > 0. 45 mm 为 5 处,占比约 0. 038% ,

板底脱空比率为 0. 038% ,具体病害情况如图 2 所示。

根据现有病害情况,全线端板率较高,需对原有路面

进行改造升级。

图 2 现场旧路病害情况

2. 4 旧路面平纵线型

本项目按旧路拟合后路线总长 29. 328 km,共有

105 个平曲线,最小圆曲线半径 60 m,平曲线占路线

比例 65. 617% 。 共设置 126 处变 坡 点, 最 大 纵 坡

7. 0% ,最小坡长 120 m。 因此,本项目属于超多小半

径平曲线项目,在设计过程中应重点考虑对于小半径

平曲段的设计。

2. 5 建设条件

本场地抗震设防烈度为 7 度区,设计基本地震加

速度值为 0. 05 g,属设计地震第一组,建筑抗震设防

类别划分为丙类。 本项目改造范围均在路基范围内,

本工程场地未发现活动断裂构造形迹及岩溶、滑坡、

泥石流、采空区等不良地质现象,区域地质相对稳定,

场地稳定性较好,适宜工程建设。 本工程所用的沥

青、水泥、钢筋等建材可从永春县城或泉州市场采购,

利用现有宁光高速公路、国道 356 线可以运到施工

现场。

3 总体设计思路

根据第 2 节中对现场实际情况的调查可知,本工

程旧有项目建成时间较早,中间经过打裂压稳改造。

目前旧有路面的断板率较高,平均日交通需求量较

高,需对旧有路面进行改造升级。 根据现有建设单位

的预算和交通运输的舒适度等方面综合考虑,本项目

采用沥青材料进行加铺。 从施工场地标准化建设要

求以及现场原材料等采购情况考虑,在施工现场增设

一座混凝土搅拌站。 由于本项目平曲线的占比较高,

在施工图设计时应综合考虑平曲线的使用功能设计、

安全功能设计和现场重载车辆交通量较大问题。

·116· 福 建 建 筑 2023 年

3. 1 设计原则

(1)路面设计根据交通量及其组成以及公路的

使用功能、等级、特点、使用要求和所经地区的气候、

水文、地质等自然条件及材料供应情况、施工机具、劳

力和施工技术条件等因素,结合路面设计、施工经验

进行路面综合设计并进行路面结构的设计和验算。

(2)遵循路基路面结构整体化设计原则,以路床

(旧路面) 顶面回弹模量为设计指标,以路床顶面竖

向压应变为验算指标,其计算值应满足沥青路面永久

变形的控制要求。

(3)沿线自然区划及路床(旧路面)顶面回弹模

量本项目自然区划为浙闽沿海山地中湿区Ⅳ - 4,利

用旧路面打裂压稳后设计回弹模量不小于 300 MPa。

3. 2 设计标准

根据工程项目的使用要求,拟定本项目的设计标

准如下:

(1)道路等级:二级公路;

(2)设计速度:40 km / h;

(3)路基宽度:10. 5 m ~ 16 m;

(4)设计荷载:路面标准轴载 BZZ - 100;

(5)设计洪水频率:同旧路。

3. 3 路面结构设计方案比选

本项目为二级公路,目标可靠度为 85% ,目标可

靠指标为 1. 04,路面结构设计使用年限 12 年,采用轴

重为 100 kN 的单轴 - 双轮组荷载为设计轴载。 根据

现有路面情况,可采用 3 种方案进行加铺,具体如下:

(1)旧路整治铣刨加铺结构

该结构是利用铣刨机把损坏的旧混凝土路面刮

除一定厚度的旧混凝土或病害混凝土,重新再铺一层

沥青新面层的方式。 该方式可以消除旧路面破坏松

散部分以及促进新旧面的结合良好。

(2)旧路面打裂压稳加铺结构

主要通过门式破碎机对旧水泥混凝士路面进行冲

击,使其开裂以减小混凝土板尺寸,打裂后的水泥混凝

土块料互相咬合嵌挤在一起,形成强度。 水泥混凝土

面板打裂后,混凝土产生水平方向的体积膨胀,产生了

水平方向的预压应力,具有更好的结构稳定特征。 在

旧路面打裂压稳后重新加铺一层沥青材料的方式。

(3)旧路面碎石化加铺结构

碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术,

它是利用专用破碎设备将旧水泥混凝土路面打碎、压

稳后直接加铺沥青混凝土面层的施工方法。 其力学

性质与级配碎石有相似之处,所以将其命名为碎石化

技术。 碎石化技术是对旧水泥混凝土路面大修或改

造的重要方法,碎石化技术能够有效地抑制反射裂缝

的发生,而且施工工艺简单。

对以上 3 种结构设计加铺方案进行对比分析,对

比的情况如表 1 所示。

表 1 路面结构方案比较表

车道类型 旧路整治铣刨加铺结构 旧路面打裂压稳加铺结构 旧路面碎石化加铺结构

行车道

4cm 细粒式沥青混凝土上面层(AC -

16C)

4cm 细粒式沥青混凝土上面层(AC -

16C)

4cm 细粒式沥青混凝土上面层(AC - 16C)

6cm 中粒式沥青混凝土下面层(AC -

20C)

6cm 中粒式沥青混凝土下面层(AC -

20C)

6cm 中粒式沥青混凝土下面层(AC - 20C)

8cm 密级配沥青稳定碎石(ATB - 25) 8cm 密级配沥青稳定碎石(ATB - 25) 8cm 密级配沥青稳定碎石(ATB - 25)

旧路面整治补强铣刨 1cm 层铺法沥青表面处治封层 1cm 层铺法沥青表面处治封层

15 cm 5% 水泥稳定碎石调平层 36 cm 5% 水泥稳定碎石调平层

旧路面打裂压稳 旧路面碎石化

每平方米造价/ 233. 78 289. 99 302. 27

优点

加铺结构较薄,节省施工时间,对周边

已有建筑影响较小,造价相对较低。

可延缓水泥路面反射裂缝的出现,并

能充分利用原路面的强度。

能彻底消除旧水泥砼板裂缝反射的问题。 适

用于接缝传荷能力及路面损坏状况评价等级

为次等及以下的水泥砼路面改建。

缺点 较比较方案易出现反射裂缝

加铺结构较厚,影响周边已有建筑。

造价较高。

碎石化使原结构的整体强度降低,加铺后较

容易出现车辙。 造价较高。

根据使用要求及旧水泥混凝土路面的综合评定

结果,综合考虑加铺结构的经济性、合理性及可行性,

本项目主要路面结构采用旧路整治铣刨加铺结构

方案。

4 关键节点设计

4. 1 圆曲线超高

路基设计标高以路面中心标高为基准,高程近似

2023 年 09 期 总第 303 期 严鹏翔·基于超多小半径平曲线的主干线公路改造设计研究与实践 ·117·

1985 年国家高程基准。 本项目路线平面以尽可能和

现有旧路中线相吻合为原则进行拟合设计,对拟合后

半径小于 600 m 的平曲线,均设置长度不小于 35 m

缓和曲线,超高横坡主要根据设计速度、圆曲线半径、

自然条件、车辆组成及现状旧路的超高等因素综合考

虑运行速度与合成纵坡确定。 最大超高值按 8% 设

置,旧路超高值大于规范要求超高值时,超高值按规

范进行超高。 本项目设计标准为二级公路,设计速度

40 km / h。按规范标准设置超高值,旧路中线拟合后圆

曲线 R < 600 m 的共 89 个。

4. 2 路基横断面布置

本项目现有的路基宽度 12 m ~ 18 m 不等,路面

宽度 10 m ~ 15 m 等,断面型式主要有以下四种:2 m

× 5. 5 m(行车道) + 2 × 0. 5 m(路肩)、2 × 7. 5 m(行

车道) + 2 × 1. 5 m(路肩)、2 × 4. 5 m(行车道) + 2 ×

0. 75 m(路肩)和 2 × 7. 5 m(行车道) + 2 × 0. 5 m(路

肩)。 本项目为路面改建工程,根据建设单位的要求

并结合现状道路的断面型式,提出路段的路基宽度和

断面型式,项目改造重点基本保持原有的路基宽度不

变,并根据使用功能进行功能上的设计和新增。 以路

基宽度为 12 m 的横断面为例,在原有路面铣刨加铺

后,原有两侧土路肩顶部新增 C20 砼路肩与沥青面层

齐平,如图 3 所示。

(a)旧有路面

(b)新设计路面

图 3 路基横断面布置

4. 3 圆曲线加宽

对于半径小于 250 m 的平曲线,其弯道内侧的路

基及路面根据旧路情况等因素参照规范要求的第二

类标准进行加宽。 本项目实际铺筑沥青路面宽度,按

表 2 中的加宽宽度进行设计,固平曲线加宽通过施画

标线进行体现,要求标线施工时应严格按照规范值施

画弯道加宽后的行车道宽度。

表 2 双车道路面加宽表(第二类) m

序号 圆曲线半径 加宽值

1 200 ~ 250 0. 6

2 150 ~ 200 0. 7

3 100 ~ 150 0. 9

4 70 ~ 100 1. 2

5 50 ~ 70 1. 5

6 30 ~ 50 2. 0

4. 4 排水方案设计

(1)本项目现状设有边沟或盖板沟,为节省造

价,在满足排水需要的情况下,尽可能利用。

(2)局部旧沟存在积淤排水不畅、损坏、部分路

段为土边沟、旧沟尺寸过小、店面埕地暗沟存在排水

不良等路段,进行增设水沟或疏通。

(3)K112 + 889 ~ K113 + 259 路侧设为增设人行

道段,路表排水采用集中排水型式,排水路径为:路拱

横坡→偏沟式雨水口→横向排水管→纵向排水沟或

排至路基外。

4. 5 交通安全设施设计

由于本工程的小半径平曲线较多,为了避免车辆

在行驶该路段时发生安全事故,本项目非常注重对道

路交通安全设施的设计,对原有标志牌不清晰、老化、

锈蚀和净空不够等安全标志牌进行更新。 对“事故黑

点”等区域增设安全标志,对道路沿线的护栏进行加

高处理。 K102 + 447 - K107 + 485 为下长坡路段,春

季雾气较多,增设诱导标志等交安设施,如图 4 所示。

图 4 交通安全设施设计

·118· 福 建 建 筑 2023 年

4. 6 特殊路段的路面设计

为保证路面加高后纵坡平顺过渡,起终点均设置

120 m 过渡段,为确保路面加高后与现状相交道路的

平顺过渡,现状水泥路面的路口设置不小于 5 m 的沥

青路面过渡段。

为保证不同加铺厚度路段加高后纵坡的平顺过

渡,衔接位置均设置 5 m 过渡段,接缝处均设置高分

子抗裂贴。

5 设计验算

5. 1 半径验算

为验证本文设计的平曲线段的合理性,本文选择

交通最薄弱点进行验算。 选择本工程项目最小曲线

半径 R = 60 m 进行计算,并根据文献[6]的公式进行

计算,具体见式(1):

R = V

2

÷ 127(μ + i) (1)

其中,μ 为汽车行驶横向力系数,i 为道路超高横

坡度。 根据《公路工程技术标准》 和《公路路线设计

规范》规定,μ 取值 0. 05,i 取值 0. 06。

根据计算结果得到超高速公路的传统平曲线最

小半径值 R = 50 < 60 m,满足相关规定的要求。

5. 2 超高验算

为验证曲线超高的合理性,本文根据《公路路线

设计规范》 ( JTG/ D20 - 2017)条文说明续表 7 - 1 进

行选用,本项目的设计速度为 40 km / h,最小曲线半

径为 60 m,根据规范要求得到最小的超高值为 8% ,

与本文设计的取值一致,满足规范要求。

5. 3 沥青路面结构验算

通过病害修复后的旧路回弹模量值和设计弯沉,

采用 HPDS 路面计算软件进行计算。 各路段加铺厚

度如表 3 所示。 根据计算结果可知,设计方案的加铺

厚度均能满足不同路段的要求。

表 3 各路段加铺厚度计算表

序号 路段名称

计算厚度

(mm)

加铺厚度

(mm)

验收弯沉值

(0. 01mm)

1 铣刨加铺路段 18 18 16. 4

2 打裂压稳加铺路段 32 34 18. 1

3 碎石化加铺路段 53 55 27. 2

4 隧道加铺路段 10 10 16. 4

根据交通量预测数据计算结合道路病害情况,铣

刨加铺路段、打裂压稳加铺路段、碎石化加铺路段均

采用 4 cmAC - 16C 细粒式改性沥青砼、6 cmAC - 20C

中粒式改性沥青砼、8cmATB - 25 密级配沥青稳定碎

石。 隧道加铺路段采用 4cmAC - 16C 细粒式改性沥

青砼、6 cmAC - 20C 中粒式改性沥青砼。

6 结论

本文结合小半径平曲线工程项目的实际设计案

例进行介绍,针对小半径平曲线主干线公路的特性,

进行合理设计,设计方案在满足业主方对于使用功能

要求、经济效益及施工工期需求的基础上,得出以下

几点结论:

(1)本项目采用的最小半径、路面加宽方案、曲

线超高以及沥青材料加铺厚度等均满足规范和使用

性能要求。

(2)小半径平曲线主干线设计时布置合理的交

通安全设施可以有效降低安全事故的产生。

(3)设计时应综合考虑超高与排水因素,采取合

理有效的排水设置和曲线超高。

参 考 文 献

[1] 姚瀚林. 基于长期性能的山区不均匀软土路基设计方法

研究[J]. 四川建筑,2023,43(03):168 - 170,174.

[2] 王智圆. 改扩建公路路基路面设计中常见问题及解决措

施[J]. 建材发展导向,2022,20(12):3.

[3] 唐文元,谢东,尹万杰. 城市道路提升改造设计的探索与

实践[J]. 福建建筑,2022(9):134 - 138.

[4] 顾蓉. 市政道路旧路改造设计研究[J]. 中国新技术新产

品,2022(24):78 - 80.

[5] 张航,张肖磊,吕能超. 高速公路小半径平曲线超高可靠

性设计[ J]. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版,

2019,43(3):5.

[6] 赵酉超,毛红日,刘江东. 超高速公路安全平曲线半径研

究[J]. 西部交通科技,2019(2):5.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

基于数字孪生技术的 BIM 技术管理系统应用研究

———以昆山某中学项目建设为例

王咏琪 谢丹凤 张 鑫

(山东理工大学建筑工程学院 山东淄博 255000)

摘 要:基于数字孪生技术,对数字项目管理平台中的技术管理系统进行研究。 以昆山某中学项目建设为例,探讨其

如何优化施工过程,最终通过平台中的仪器管理、方案管理、交底管理、图纸管理等各管理模块的应用与配合,最终实

现工程项目的可视化、智能化、协同化管理。

关键词: 技术管理;数字项目管理平台;数字孪生

中图分类号:TU71 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0119 - 05

Research on the application of BIM technology management system based on digital twin technology

———Taking the construction of a middle school project in Kunshan as an example

WANG Yongqi XIE Danfeng ZHANG Xin

(Architectural Engineering Institute,Shandong University of Technology,Zibo 255000)

Abstract:This paper will study the technology management system in the digital project management platform based on the digital twin

technology,and take the construction of a middle school project in Kunshan as an example to explain how to optimize the construction

process. Finally,through the application and cooperation of various management modules in the platform,such as instrument management,

scheme management,disclosure management,and drawing management,the visualization,intelligence,and collaborative management of the

project will be finally realized.

Keywords:Technical management; Digital project management platform; Digital twins

作者简介:王咏琪(2002 - ),男。

通讯作者:谢丹凤(1981 - ),女,硕士,副教授。

E-mail:38533897@ qq. com

收稿日期:2023 - 02 - 26

0 引言

目前,国务院办公厅已颁布了《“十四五”数字经

济发展规划》,将协同推动数字产业化和产业数字化,

以促进中国传统产业转型升级。 传统建筑行业正逐

渐衰败,建筑行业需进一步发展,就只有促进新兴的

建筑行业数字化升级。 BIM 是数字孪生技术的一部

分,其包含 BIM 建模与 BIM 应用,将 BIM 技术应用于

建筑工程项目数字化管理,正是数字化技术的体现。

数字项目平台涵盖了进度计划、效率、成本、质量管理

等所有因素,并与所有的其它信息技术体系实现大数

据集成与系统集成,为建筑企业提供了可视化、智能

化、数字化的项目管理数据服务。 BIM 技术是数字孪

生技术中的一个方面,包含 BIM 建模与 BIM 应用。

将 BIM 技术应用于建筑工程项目数字化管理,正是数

字化技术的体现。 其中,技术管理模块通过运用 BIM

+ 数字孪生技术,并连接物联网的大数据等相关技

术,通过企业级和项目级之间的紧密联系,实现技术

管理业务的可视化、协同化、智能化管理。

1 数字孪生技术与 BIM 技术管理系统的发展

背景及趋势

1. 1 数字孪生技术的内涵

数字孪生技术,是以可视化的虚拟空间建模,复

制现实物理实体,提高产品研发和制造的生产精度和

效率[1]

。 其通过采用数字化建模的方式,创建一个与

物理实体一致的数字模型。 当物理对象数据发生改

变时,该数字模型可实时做出调整,最终实现与物理

实体的一致性。

1. 2 数字孪生的发展背景及趋势

随着大数据、物联网、5G 技术和云计算等新技术

·120· 福 建 建 筑 2023 年

的兴起,各个行业都在向数字化、智能化方向进行转

型升级。 数字孪生经历了技术沉淀、概念萌芽、应用

发展、行业渗透四个主要阶段。 但由于其具体应用范

畴的区别,其定义学术界还存在一定争议。 目前,数

字孪生已在航天、农业、工业、交通、建筑等多个领域

进行了研究与应用。 数字孪生技术凭借其在优化设

计、风险预判、远程监控、辅助决策等方面的深远应用

价值,在各行业显示出强大的生命力,有望在未来成

为各行业数字化转型的桥梁技术[2]

。

1. 3 BIM 技术管理系统的发展背景及趋势

目前,传统建筑行业日渐没落,国内建筑业竞争

加剧,建筑施工企业为改变现状,只能积极寻求转型

升级,或探索新的出路、新的管理手段、提高技术水平

等。 而加强施工管理,提高施工技术水平,这是建筑

施工企业增强实力的重要方面。 有必要明确掌握施

工技术管理的主要特点,以不断优化建筑施工技术管

理,提供运营与发展保障。 随着建筑行业的高速发

展,建筑施工企业不断涌现,只有持续强化建筑施工

技术管理,才能在市场竞争激烈的环境下,实现较好

的发展[3]

。 将 BIM + 数字孪生技术应用于 BIM 技术

管理系统,不仅完善了工程项目施工技术的监督管理

体系,又加强了数据和施工技术资料的规范化管理,

使得 BIM 技术管理系统不断走向智能化、可视化、数

字化发展的道路。 面向未来,建筑施工企业应在 BIM

技术管理系统中,继续加强对 BIM + 数字孪生技术的

综合应用,致力于走上可持续发展道路。

2 BIM 技术管理系统的功能分析

2. 1 BIM 技术管理简析

施工技术管理在整个工程施工中占据重要地位,

是其不可缺少的内容,其管理效果能够对建筑施工质

量产生直接影响。 技术管理主要是针对施工技术进

行管控,促使施工工艺和技术水平得到提升,不仅可

以让施工成本实现缩减,而且可以加快施工进度[4]

。

BIM + 技术管理系统秉承着“管理升级、技术先行”的

理念,建立图纸表单配合、BIM 集成与可视化等多个

功能为一体的施工计划和决策管理系统。 技术管理

模块分仪器管理、方案管理、交底管理、图纸管理、变

更管理、试验管理。 企业级与项目级在不同的管理方

面有着密切的联系,项目依托于平台功能,使得企业

项目能高效、高质量的完成。

2. 2 仪器管理

仪器设置可以设置仪器类别、管理级别、设备来

源。 仪器设置只在“公司层 级”,上级建立,下级继

承,下级不可以删除继承的数据,但下级可以再添加

数据。 项目创建仪器管理时,取得数据来源于直接上

级的仪器设置。 项目人员可以在平台的仪器管理界

面填写设备名称、设备编号、设备类型(来源直接上级

组织的仪器设置)、规格/ 精度、制造厂家/ 品牌、启用

时间、负责人、设备来源(来源直接上级组织的仪器设

置)、管理界别(来源直接上级组织的仪器设置)、设

备状态以及检定时间,这些信息最终汇总成一条仪器

数据。

所有的仪器数据均存储在平台中,实现仪器管理

流程的全方位跟踪,也实现了仪器生产使用的可视化

管理。 设备的所有信息在平台中一目了然,避免了技

术人员盲目使用设备,引起施工中的重大失误。

2. 3 方案管理

方案管理的价值所在,是对方案进行全方位全过

程管理,不断地提升公司技术方案水平,保障项目成

功。 企业通过维护方案清单库,以供项目编制方案时

调取,提高项目方案清单的规范性,将方案清单库。

项目级应提前规划好施工方案,编制进度计划,同时

应严格按照计划完成报审方案,避免发生编制滞后、

漏报的情况。 项目级上报的方案,企业级可以通过

WEB + APP 同时进行处理,并通过提醒功能,加快审

批的速率。 项目和企业可以随时查看方案是否按照

规定进行报审,应随时了解方案的延误情况。 项目方

案交底可以直接在平台上上传交底签字单,方案交底

状态随之显示为已交底。 交底工作可以通过 APP +

短信通知、二维码分享、现场 + 办公室随时查看等形

式,快速将方案交底到各个参与方。 项目方案的复核

工作,支持 WEB 和 APP 端录入项目方案复核记录,

复核完的方案状态会显示已执行。 企业级可进行线

上巡查,随时查看各分子公司项目的所有方案状态及

交底复核情况,减少现场巡查的次数。

该管理模块将方案信息输入到平台中,进行统一

存储,形成可识、可计算、可存储的数据,使用者可以

根据项目需求,对该数据进行编辑,对方案信息实现

数字化管理。 基于技术管理模块的方案管理功能,对

该模块的业务流程进行合理设计,如图 1 所示。

图 1 方案管理业务流程图

2023 年 09 期 总第 303 期 王咏琪,谢丹凤,张 鑫·基于数字孪生技术的 BIM 技术管理系统应用研究 ·121·

2. 4 交底管理

2. 4. 1 交底台账

平台可建立交底台账,能清晰查看交底进展,交

底资料在线查看、交底记录一目了然。 规范交底台

账,明晰交底过程及历史记录。

2. 4. 2 搭建数字化模型

通过使用 BIM + 数字孪生技术构建专业的 BIM

模型,设计者可以快速发现和解决虚拟三维环境中可

能出现的问题,避免许多必要的更改应用程序,提高

工作效率,降低建筑成本,消除建筑延迟的风险[5]

。

首先将项目前期的数据和模型通过 BIM 技术管理系

统进行处理,以达到模拟施工的目的。 该处理流程主

要分为四步,第一步进行数据导入,第二步将模型进

行整合,第三步按照计划要求进行流水段关联,最后

进行施工模拟。 完成四个步骤之后,模型将会以可视

化的形式展现在平台端,而且平台端支持导出动画。

当工程在施工阶段遇到问题时,可以通过平台中的工

序动画功能,将虚拟模型动画制作,导出动态的视频,

可以很好地还原现场的施工条件,也能体现出施工的

顺序,更加直观地看到问题所在。 数字化模型的三维

动画展示,可以与实际工程相对应。 项目施工推进过

程中,虚拟的三维模型可以同步跟进,进而推动项目

的协同化发展。 可通过文档 + 模型 + 动画多种方式,

提升项目人员对交底的理解效果和学习效率,降低工

序返工的风险。

2. 4. 3 技术考核系统

目前,相当多的技术管理人员对新技术缺乏系统

性的认识,不能多维度、全面掌握技术管理知识,导致

技术管理要求不达标[6]

。 该平台建立的考题制作功

能,可以很好地解决这一问题。 管理者可以通过创建

考题的方式,让技术管理人员巩固交底质量。 该系统

支持在线答题,自动统计结果,能更加直观地看到技

术管理人员对于该项目交底工作的掌握程度,方便管

理者制定相应计划,保障施工进度。 手机端可以查看

交底的资料,接受考核并且签字,签字的情况会自动

进行汇总。 该功能可以责任到人,极大提高交底的效

率,推动项目进度。

2. 5 图纸管理

2. 5. 1 图纸上传与存储

平台技术管理模块可以按专业分组进行存储图

纸。 上传图纸后,相应会显示图纸的名称、版本号、关

联的变更以及问题数量。 此功能使得图纸可以进行

有序存储,整套管理,同时便于项目人员进行查阅。

基于技术管理模块的图纸管理功能,对该模块的业务

流程进行合理设计,如图 2 所示。

图 2 图纸管理业务流程图

2. 5. 2 图纸变更

图纸是按照专业、版本打包封装后,进行通知下

发、签收的。 当图纸发生变更时,可在平台上快速对

比图纸变更前后的异同点和图纸封装版本之间的变

化,保证各方人员图纸查看的及时性和准确性,便于

项目人员对每版图纸更新内容的了解。

2. 6 变更管理

2. 6. 1 变更表单与图纸关联

数字平台能实现虚拟模型与二维图纸、文档、图

片等资料进行关联,精准查找定位所需的内容。 同

时,数字平台支持同步在手机端查看、下载、分享各类

项目资料[7]

。 变更的文件与对应图纸进行关联,便于

项目人员关注变更问题。 查看变更单时,也可查看到

所涉及的图纸,能更好地实现设计信息交互,双向查

看。 变更信息是分类型、分专业进行管理设计,同时

可在平台上上传表单过程文件、签字单。 而且变更、

签证单据用电子化存档,支撑结算,避免结算损失,同

时确保信息完整不遗漏,保证资料的完整性。 基于技

术管理模块的变更管理功能,对该模块的业务流程进

行合理设计,如图 3 所示。

图 3 变更管理业务流程图

2. 6. 2 预警功能

变更管理下的预警功能,可以根据工程的进度或

者时间进行预警提醒,通知形式包括 APP 通知和短

信通知两种形式;APP 通知针对于项目管理人员,短

信通知则针对于劳务人员。 将变更的信息预警到责

·122· 福 建 建 筑 2023 年

任人,能更好地提升沟通效率,避免返工,保障项目的

施工进度。

2. 7 试验管理

2. 7. 1 企业规范

在企业规范设置中,可以添加企业规范,以方便

在项目级及时中查看;直接上级企业级设置的企业规

范,也方便在直接下级企业级引用。 WEB 端和手机

端均可查看设定的规范,既实现了企业规范信息的及

时交互,也简化了企业规范的传播途径,使企业级在

提出相应规范后,能第一时间接收项目级,并相应做

出调整。

2. 7. 2 WEB 混凝土检验试验

其拥有独立的检验试验模块,并且可以创建混凝

土台账分组及具体的台账记录,且 WEB 端或者 APP 端

都可以编辑送检报告,以实现流程的可视化、协同化跟

踪管理。 同时,配备了预警功能。 WEB 端设定相应预警

规则,当出现问题时,能及时将信息回馈给负责人。 极大

实现了信息交互的便捷化和及时的问题回馈,避免了问

题搁置时间过长,保证了施工的顺利完成。

3 案例应用

3. 1 项目概况

昆山市某中学新建工程位于淀山湖镇淀湖路南

侧、朝山路西侧,占地面积约 64 521 m

2

,总建筑面积

为 41 033. 19 m

2

;最大单体面积为 15 637. 16 m

2

,钢结

构最大跨度 29. 1 m,建筑高度 19. 4 m,抗力等级 6

级,主体为框架结构。 该项目包含新建教学楼、艺体

馆、食堂、图书报告厅等共计 9 个主要单体。

3. 2 BIM 技术管理系统在项目中的应用效果

在本项目施工时架构数字项目管理平台,其中包

括利用 BIM + 技术管理系统的应用点,配合项目负责

人的工作。 要充分利用该系统里的“BIM 集成” “施工

模拟“ 工序动画”等功能,同时利用平行控制技术,通

过虚实互动的方式,实现对施工现场的可视化、智能

化、协同化管理。 技术管理系统的效果图如图 4 所示。

图 4 案例效果图

(1)目前,仪器管理问题依然严重。 在施工过程

中,部分器械出现了损坏和丢失的情况,且无法责任

到人,而进行维修和重新购买,又加重了项目组的资

金负担。 而应用仪器管理后,可以将各类仪器信息汇

总成一条数据,通过人机交互作用,以更加直观、全面

的方式,展现仪器各方面信息与数据,进而实现仪器

数据的可视化管理。

(2)在项目施工过程中,许多工程方案不符合实

际,无法正常落地。 而在工程施工阶段,再重新拟定一

份方案又需要大量时间,极大地拖缓施工的进度。 而

应用方案管理,对该项目进行全方位全过程管理,使承

包工程的企业通过维护方案清单库,来供该项目编制

方案时调取;通过 WEB + APP 的同时,对施工时出现的

问题进行处理,将数据及时反馈至平台管理中心进行方

案数据汇总分析,极大地便利了工程方案的审查和落实。

同时,采用双端合作的形式,协同推动了项目进程。

(3)在施工过程中,由于部分技术交底工作没有

顺利对接,导致施工问题频出,拖慢了施工进度。 通

过应用交底管理,建立项目交底台账,在 WEB 端能清

晰地查看交底进展,交底资料以及交底记录一目了

然,对交底全过程实现可视化管理。 在交底技术方

面,通过 BIM + 数字孪生技术,对实体模型进行数据

处理,在平台中构建该中学建筑群的三维可视化模

型,与实际工程相匹配,并且对施工中的重难点进行

动画模拟。 如该工程中的艺体楼上方的大型网架结

构,可以先通过三维动画模拟其吊装过程,熟悉其施

工过程,将其中的重难点以可视化形式展现出来,再

进行施工,将极大地减少人力、物力、财力的浪费。 这

些,极大推动了交底工作的顺利展开。 同时,采用文

档 + 模型 + 动画的多维方式完成交底工作,提升了项

目人员对交底内容的理解效果和学习效率。

(4)信息交流存在问题,管理不规范,各部门所

存放的图纸内容无法达成一致,部分纸质的图纸资料

与实际更新后的图纸不符,不仅造成不可估量的经济

损失,而且使得项目计划延期,工程无法按期交付。

同时,图纸的发放、查阅无法进行精细化管理,极易导

致图纸外泄,出现安全和保密事故。 因此,要应用图

纸管理,将该项目图纸均上传至该系统,按专业分组

进行系统化管理。 上传图纸后,图纸的名称、版本号、

变更等问题都可以在平台端进行查看。 各部门工作

人员均可在平台中查看相应图纸文件,也可对图纸提

出问题;有关工作人员会对提出的图纸问题进行审

核,以保证图纸的实时性以及准确性。

(下转第 136 页)

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

大体积混凝土基础温度控制研究

———以厦门白鹭西塔为例

蔡汝幸1,2 刘佳明3 洪 诚3 张鑫鑫1,2 张克胜1,2 汪钲东3

(1. 中交建筑集团有限公司 北京 100022; 2. 中交集团绿色建筑技术研发中心 北京 100022;

3. 中交建筑集团有限公司第一建筑工程分公司 江苏南京 211103)

摘 要:以厦门白鹭西塔超高层建筑筏板基础大体积混凝土为例,利用常用经验公式与规范公式进行计算,校核大体

积混凝土在自约束与外约束情况下的理论开裂情况,对施工现场提出便于操作的养护保温措施。 此外,结合基于 4G

的无线测温技术,分析探讨测温点位中心与混凝土表面温差及温度下降速率,并将计算值与规范规定值进行对比。

关键词: 筏板基础;大体积混凝土;温度监测;施工措施

中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0123 - 05

Research on temperature control of mass concreteof high - rise building raft foundation

———Taking Xiamen Bailu West Tower as an example

CAI Ruxing

1,2

LIU Jiaming

3 HONG Cheng

3 ZHANG Xinxin

1,2 ZHANG Kesheng

1,2 WANG Zhengdong

3

(1. CCCC Construction Group Co. ,Ltd. ,Beijing 100022;2. Technology R & D center of CCCC Fourth Highway Engineering Co. ,Ltd. ,

Beijing 100022;3. The first construction engineering branch of CCCC Construction Group Co. ,Ltd. ,Nanjing 211103)

Abstract:This paper takes the mass concrete of the raft foundation of a high - rise building as an example to check the theoretical crack of

the mass concrete under the self - restraint and external - restraint conditions through the parameters such as the thermal insulation temperature rise of the concrete. Then,maintenance measures which were convenient for operation were illustrated. In addition,based on the wireless temperature measurement technology,the temperature difference of typical temperature measurement points and the rate of temperature

drop were analyzed. And the calculated results were compared with the values confirmed according to the specification.

Keywords:Raft foundation; Mass concrete; Temperature monitoring; Construction measures

基金项目:中交集团科技研发重大项目(2021 - ZJKJ - 11)

作者简介:蔡汝幸(1996 - ),男,助理工程师。

E-mail:jjzxcrx@ yeah. net

收稿日期:2023 - 03 - 03

0 引言

为保证基础结构的整体性,超高层建筑核心筒筏

板基础一般要求整体浇筑。 目前,筏板基础大体积混

凝土已被广泛采用。 但由温度引起的裂缝问题仍十

分突出,严重影响筏板基础的施工质量,导致筏板钢

筋锈蚀、结构进入使用状态时地下室严重渗水等各类

问题,降低了结构的安全性与耐久性。 因此,对筏板

基础大体积混凝土的裂缝控制,已成为大体积混凝土

领域的重要研究内容[1]

。

在基础浇筑前,应进行混凝土热工计算与混凝土

裂缝控制有关计算[2]

。 需要指出的是,筏板基础大体

积混凝土温度场与相应的裂缝控制技术,目前可由经

验公式或有限元分析得出[3 - 5]

。 目前,针对根据常用

经验公式与规范公式计算所得数据,与实测数据的对

比分析尚需完善,有关领域需要得到进一步深入

研究。

本文对经验公式得出不同情况下的温度场与工

程实测大体积混凝土养护温度场进行对比,校核筏板

基础在自约束与外约束下的温度应力,分析探讨经验

公式的准确性与可靠性,对工程实际具有重要的参考

意义。

1 工程概况

1. 1 项目概况

本文以目前在建的厦门白鹭西塔项目核心筒及

外框筏板基础为研究对象。 该项目位于福建省厦门

·124· 福 建 建 筑 2023 年

市集美区;塔楼区建筑总高度 266 m,地上 47 层。 塔

楼上部结构采用钢管混凝土框架 + 核心筒 + 环桁架

结构形式,基础采用筏板基础,一次浇筑完成。 该筏

板基础采用大体积混凝土施工技术, 为本文分析

对象。

1. 2 筏板基础概况与测温工程概况

图 1 展示了筏板基础平面布置图。 其中 1 区域

为核心筒基础,厚度为 3 m,长宽均为 5. 6 m,2 区域为

外框架基础,厚度为 3. 8 m,3 区域为核心筒与框架过

渡区,厚度为 2 m。 考虑到 1 区域连续规则且面积占

比较大,故在下文取 1 区域为代表区域,进行相关分

析。 由于筏板基础平面布置沿 x,y 轴方向基本对称,

如图 2 所示,考虑到基础具有对称性,测温轴布置在

基础一角。 图 3 为核心筒区域的测温轴测温点位剖

面图,最上端传感器距筏板基础顶面 200 mm,最下端

传感 器 距 筏 板 基 础 底 面 300 mm, 传 感 器 间 距 为

500 mm。另布设大气温度监测传感器 3 个,保温层传

感器 3 个。

图 1 筏板基础平面图

图 2 测温点位布置图

图 3 测温点位布置图

本次测温监测,采用寰宇夺标的大体积混凝土无

线采集仪。 该采集仪可将数据以 4G 通讯方式传输至

云端服务器,监测数据可在 web 端进行查看与输出。

监测传感器使用串连式温度传感器,可实现一根采集

数据线集成多个传感器,降低现场监测布线复杂度。

同时,该温度传感器可在较为恶劣的环境下使用,响

应速度快,精度可达到 0. 1℃ 。

2 大体积混凝土裂缝控制计算

2. 1 基本理论

筏板基础大体积混凝土的结构裂缝,主要由降温

和收缩引起的。

其中,混凝土入模温度,根据临近筏板浇筑前混

凝土入模温度现场实测值确定,为 26℃ 。 混凝土浇

筑体表面温度,由厦门当地工程经验确定为 38 ℃ 。

水泥 3 d 与 7 d 水化热根据实测得到,3 d 绝热温升与

7 d 绝热温升根据规范计算得到[2]

,如表 1 所示。

表 1 大体积混凝土自约束计算参数

计算参数 单位 取值

粉煤灰对弹模修正系数 β1 / 0. 97

矿渣对弹模修正系数 β2 / 1

C40 混凝土弹性模量 N/ mm

2 32500

C40 混凝土抗拉强度 N/ mm

2 1. 418

混凝土抗拉强度系数 γ / 0. 3

浇筑体表面养护温度 ℃ 38

混凝土入模温度 ℃ 28

混凝土重力密度 kg / m

3 2330

混凝土比热 C kJ/ (kg·℃ ) 0. 96

水泥 3 天水化热 Q3 kJ/ kg 233

水泥 7 天水化热 Q7 kJ/ kg 266

混凝土 3 天绝热温升 ℃ 33. 9

混凝土 7 天绝热温升 ℃ 45. 5

2023 年 09 期 总第 303 期 蔡汝幸,刘佳明,洪 诚,等·大体积混凝土基础温度控制研究 ·125·

2. 2 大体积混凝土施工前自约束裂缝控制计算

自约束裂缝控制验算,可分为施工准备阶段与实

测阶段的验算。 在准备阶段,对于最大自约束应力,

有以下简化公式[1]

:

σxmax = α × E(t) × ΔTimax

/ 2 (1)

式中:α 为混凝土的热膨胀系数,取 1 × 10

- 5

/ ℃ ,

E(t)为随养护龄期 t 变化的混凝土弹性模量,DTimax为

浇筑体可能出现的最大里表温差。 由于大部分整体

规则形状筏板厚度为 3 m,此处取 3 m 进行裂缝控制

验算,并对理论里表温差与工程实测进行对比。

对于 浇 筑 前 混 凝 土 内 部 中 心 最 高 温 度, 有

公式[1]

:

Tmax = T0 + T(t) × ξ (2)

其中,T0为混凝土入模温度;T(t) 为 t 龄期混凝土

绝热温升;ξ 为不同厚度浇筑块的温降系数,对于厚

度为 3 m 的筏板,3 天龄期为 0. 73,7 天龄期为 0. 72。

可得 3 天龄期,其理论内部中心最高温度为 52. 7℃ ,7

天龄期为 60. 8 ℃ 。

混凝土在不同龄期下的弹模 E(t) 可由以下公式

求得[1]

:

E(t) = β1 β2Ec(1 - e

- 0. 09

) (3)

式中,β1 、β2 分别为粉煤灰与矿渣掺量对混凝土

弹模的修正系数,取值见表 1。 Ec为混凝土最终弹性

模量,t 为对应的龄期。 可得 3 天龄期混凝土弹模为

7459 N/ mm

2

,7 天龄期混凝土弹模为 14 735 N/ mm

2

。

混凝土在不同龄期下的抗拉强度,可由以下公式

求得[1]

:

f

tk(t) = f

tk(1 - e

- γt

) (4)

式中,γ 为混凝土抗拉强度系数;f

tk为混凝土抗拉

强度;取值见表 1。 抗拉强度折减系数取 1. 15。 简化

最大自约束应力计算结果与抗拉强度及比值如表 2

所示。

表 2 大体积混凝土计算参数

计算参数 单位 计算值

最大自约束应力(3d) N/ mm

2 1. 10

抗拉强度(3d) N/ mm

2 1. 23

抗拉强度/ 自约束应力 (3d) / 1. 12

最大自约束应力(7d) N/ mm

2 1. 70

抗拉强度(7d) N/ mm

2 1. 82

抗拉强度/ 自约束应力 (7d) / 1. 07

由表2 可知,在养护温度为 38 ℃,入模温度为 28℃

的条件下,该筏板基础浇筑条件满足施工前自约束裂

缝控制要求。

2. 3 蓄水养护裂缝控制计算

对于蓄水养护所需的蓄水层厚度,有计算公式

如下[1]

:

hw =

XM(Tmax - Tb)Kλw

700T0 + 0. 28mcQ(t)

(5)

式中:X 为混凝土维持到预定温度的持续时间;M

为混凝土结构物表面系数;由于可近似为仅有上表面

散热,取值为厚度的倒数;Tmax - Tb 为混凝土里表温

差,取值为 25 ℃ ;K 为传热系数修正值;lw为水的导热

系数;T0为混凝土开始养护时的温度;mc为每立方米

混凝土的水泥用量;Q(t) 为混凝土在规定龄期内水泥

的水化热。 取持续时间为 21 天,参数具体取值如表 3

所示。

计算得到相应的蓄水保温层厚度为 7. 3 cm。

表 3 大体积混凝土计算参数

计算参数 单位 取值

混凝土维持预定温度持续时间 X h 294

混凝土结构物表面系数 M / 0. 33

传热系数修正值 K / 1. 3

水导热系数 λw W/ (m × K) 0. 58

每立方米混凝土水泥用量 mc kg 265

水泥水化热 Q(t) kJ/ kg 310

2. 4 大体积混凝土外约束裂缝控制计算

表 4 各龄期混凝土干缩变形与收缩当量温度

龄期(d) 干缩变形 当量温度(℃ )

3 1. 28 × 10

- 5 1. 28

5 2. 11 × 10

- 5 2. 11

7 2. 93 × 10

- 5 2. 93

14 5. 65 × 10

- 5 5. 65

由各龄期的混凝土干缩值,计算出引起等量变形

所需要的温度。 其中,收缩变形当量温度可按以下公

式计算[1]

:

Ty(t) = -

εy(t)

α

(6)

式中:Ty(t)为收缩变形当量温度;ey(t) 为非标状态

下各龄期混凝土的收缩变形值;α 为混凝土的线膨胀

·126· 福 建 建 筑 2023 年

系数,取 1. 0 × 10

- 5

。 根据规范计算得到非标状态下,

混凝土各龄期的干缩变形与当量温度如表 4 所示。

计算混凝土因基础外约束引起的温度应力,常通

过综合温差计算,并采用约束系数法。 公式如下[1]

:

ΔT = T0 +

2

3

T(t) + T(y(t) - Th (7)

σ = -

E(t) αΔT

1 - vc

× S(c)R (8)

式(7)中:ΔT 为计算得出的综合温差;Th为混凝

土浇筑完成后达到稳定时的温度,根据当年平均气温

确定,此处取 24 ℃ 。 式(8) 中:s 为外约束应力;S(t)

为考虑混凝土徐变影响的松弛系数, 根据手册查

得[1]

;uc为混凝土的泊松比,此处取 0. 15;R 为混凝土

的外约束系数,此处取 0. 25。

表 5 展示了计算得出的各重要龄期下计算得出

的综合温差与外约束应力。 由表 6 可知,在入模温度

为 28 ℃ ,养护温度为 38 ℃ 的情况下,外约束应力在

14 天内的安全系数均大于 1. 15,安全保障效果较好,

具有较大的应力余量。

表 5 各龄期混凝土计算综合温差与外约束应力

龄期(d) 综合温差(℃ ) 外约束应力(N/ mm

2

)

3 13. 88 0. 35

5 20. 04 0. 72

7 23. 26 0. 87

14 27. 85 1. 55

表 6 各龄期混凝土抗拉强度及安全系数

龄期

(d)

混凝土抗拉强度

(N/ mm

2

)

安全系数(混凝土抗拉

强度/ 外约束应力)

3 1. 418 4. 05

5 1. 857 2. 58

7 2. 097 2. 41

14 2. 354 1. 52

3 工程实测结果与理论计算值对比

本文选取 1 号与 2 号测温点位,进行详细数据分

析。 图 4 与图 5 分别展示了筏板基础 1 号测温轴与 2

号测温轴各测温点随时间变化的温度曲线。 其中,Fx

表示其为图 4 中筏板基础 x 号测点,其后数字表示测

点距上表面距离。 图 6 与图 7 分别展示了 1 号测温

轴与 2 号测温轴在 14 天内的典型温度剖面图。 图例

中数字表示养护天数。

图 4 核心筒筏板基础点位 1 测温数据曲线

图 5 核心筒筏板基础点位 2 测温数据曲线

图 6 核心筒筏板基础 1 号测温轴线剖面图

图 7 核心筒筏板基础 2 号测温轴线剖面图

2023 年 09 期 总第 303 期 蔡汝幸,刘佳明,洪 诚,等·大体积混凝土基础温度控制研究 ·127·

对比 1 号测温轴与 2 号测温轴相关数据可知,

其结果具有较高的相似性。 为简化分析过程,本文

以 1 号测温轴为研究对象。 由图 4 可知,对于 1 号

测温轴,混凝土入模温度约为 24℃ 。 筏板基础距表

面 200 mm 处,在养护第一天时,仍处于较低温度,

养护第三天时,达到最高温度 63. 3℃ ;筏板在养护

过程中的最高温度,在养护第四天的 1700 mm 深度

出现,为 74. 25℃ 。 在监测的 14 天内,筏板基础上

表面降温速率较快。 对于深度 200 mm 的监测部

位,在养护时间为 3 ~ 8 d,降温速度为 2 ~ 3℃ / d,在

8 ~ 14 d 时,降温速率为 1 ~ 2℃ / d。 对于筏板基础

底部 2700 mm 处,由于保温效果较好,降温速率较

慢,自养护 4 天达到最高温度 69. 4℃ 后,以约 1℃ / d

的降温速率,缓慢降温。

养护时间 14 天内,筏板基础的里表温差在大部

分时间内可控制在 25 ℃范围内,符合规范要求[2]

。

表 7 与表 8 对比了 3 天与 7 天龄期条件下,混凝

土内部最高温度的实测值与预测值。 根据已有公式

可得,该筏板基础在 3 天龄期时,其理论内部中心最

高温度为 52. 7℃ ,7 天龄期为 60. 8℃ 。 实测 1 号测温

轴 3 天龄期最高温度为 63. 3℃ ,7 天龄期最高温度为

72. 6℃ 。 实测值略高于理论计算值。

表 7 1 号测温轴不同龄期混凝土预测与实测温度对比

龄期

(d)

预测最高温度

(℃ )

实测最高温度

(℃ )

误差

(% )

3 52. 7 63. 3 20. 1

7 60. 8 72. 6 19. 4

表 8 2 号测温轴不同龄期混凝土预测与实测温度对比

龄期

(d)

预测最高温度

(℃ )

实测最高温度

(℃ )

误差

(% )

3 52. 7 71. 2 25. 9

7 60. 8 71. 7 15. 2

在养护结束后,未观察到自约束裂缝与贯通性

外约束裂缝,表明对该大体积混凝土筏板基础采用

蓄水养护 7. 3 cm 的方式,可以有效防止筏板基础的

开裂。

4 结论

可得结论如下:

(1)蓄水养护作为一种较为简便可行的施工措

施,可有效防止筏板基础大体积混凝土在养护过程

中,可能的自约束与外约束裂缝的出现。 在本工程

中,蓄水层厚度达到 7. 3 cm,即可有效保温。 在养护

时间 14 天内,入模温度小于 30℃ ,里表温差基本可控

制在 25℃以内,符合规范要求。

(2)筏板基础上表面降温速率与下表面降温速率有

较大差异。 在养护时间为 3 ~ 8 d 时,降温速度为 2 ~

3℃ / d,在8 ~14 d 时,降温速率为1 ~2℃ / d,筏板基础下

表面在监测时间内降温速率均约为1℃ / d。

(3)通过经验公式计算得出的 3 天龄期最高温

度,与 7 天龄期最高温度均小于实测值,误差约为

20% 。 经验公式应依据更多工程的实测数据进行适

当修正,以缩小计算误差。

(4)本文采用的大体积混凝土有关计算,可为相

关科技工作者提供计算参考依据。

参 考 文 献

[1] 江正荣. 建筑施工计算手册[M]. 北京:中国建筑工业出

版社,2017.

[2] GB50496 - 2018 大体积混凝土施工标准[S]. 北京:中国

建筑工业出版社,2018.

[3] 刘丹. 大体积混凝土温度 - 应力场理论研究和应用现状

综述[J]. 混凝土与水泥制品,2022(3):17 - 23.

[4] 耿鸣山,林尔姬,吕建兵,等. 大体积混凝土承台的水化

热分析及温控研究[J]. 混凝土,2021(9):50 - 55.

[5] 王进,于海申,周志健,等. 大型地震工程模拟研究设施

水下振动台基础 大体积混凝土温度控制研究[J]. 施工

技术,2021,24(50):1 - 5.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

BIM 技术在灌注桩施工过程中的质量控制应用

———以福建紫金建设项目为例

戴熙频 庄珠海 宋百树 张 翼

(紫金矿业建设有限公司 福建龙岩 364200)

摘 要:钻孔灌注桩,在工程行业应用十分广泛,但较少能将施工过程质量控制与 BIM 技术结合。 因此,采用 Dynamo

弥补 Revit 对地形处理上的短板。 桩基施工包含桩位复核、入岩、终孔、下钢筋、浇筑混凝土等过程,其过程质量的控

制,在整个建筑中尤为重要,且其具有一定隐蔽性。 为此,主要利用 Dynamo 创建地形以及 Revit 制作桩参数化族,两者

结合实现岩层可见性,并对桩进行批量计算并赋值。 因为桩基施工信息是一个动态的过程,随着施工进展,上一个工

序的实际值,可通过参数化运算,为下一道工序提供一个预测值,并作为下一道工序质量控制的参考。 随着施工信息

录入,最终将形成完整的桩基信息模型。 此案例是一个将 BIM 软件参数化,可视化编程技术以及钻孔灌注桩现场施工

质量控制相融合的典型案例。

关键词: Revit; Dynamo; 灌注桩施工质量; BIM

中图分类号:TU714 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0128 - 04

Application of BIM Technology in Quality Control during the Construction of Cast - in - place Piles

———Taking Fujian Zijin Construction Project as an Example

DAI Xipin ZHUANG Zhuhai SONG Baishu ZHANG Yi

(Zijin Mining Construction Co. ,Ltd,Longyan 364200)

Abstract:Bored cast - in - place piles are widely used in the engineering industry, but few can combine construction process quality control with BIM technology. Therefore, Dynamo is used to compensate for Revit's shortcomings in terrain handling. The construction of pile

foundation includes the process of pile position review, rock entry, final drilling, reinforcement placement, and concrete pouring. The

quality control of the process is particularly important in the entire building, and it has a certain degree of concealment. To achieve this,

Dynamo is mainly used to create terrain and Revit to create parametric families of piles. The combination of the two is used to achieve visibility of rock layers, and batch calculations and assignments of piles are carried out. Because pile foundation construction information is a

dynamic process, as the construction progresses, the actual value of the previous process can be parameterized to provide a predicted value

for the next process and serve as a reference for quality control in the next process. With the input of construction information, a complete

pile foundation information model will ultimately be formed. This case is a typical case of integrating BIM software parameterization, visual

programming technology, and on - site construction quality control of bored piles.

Keywords:Revit; Dynamo; Construction quality of cast - in - place pile; BIM

作者简介:戴熙频(1975. 04 - ),男,工程师。

E-mail:14901235@ qq. com

收稿日期:2023 - 03 - 17

0 引言

BIM 技术贯穿于整个施工阶段。 随着其应用的

逐步深入,正攻克着越来越多的施工难题。 如在基础

施工阶段[1]

,桩位于地下,以往总是通过地勘剖面对

地形信息查看,但地勘剖面密度有限,往往桩位密度

远大于地勘孔密度。 所以,将地下岩层信息实现可视

化,再通过参数化族,结合桩基施工各个验收步骤,将

实现桩基施工的过程质量控制。

目前常用的 BIM 软件 Revit 虽然有参数化功能,

但在异性曲面建模方面不能满足项目需求。 Dynamo

是一种可视化编程插件,通过 Dyanmo 节点为程序,可

以创建复杂的三维建模,通过参数的调整,即可驱动

三维模型修改[2]

。 且 Dynamo 除了具备异形曲面建

2023 年 09 期 总第 303 期 戴熙频,庄珠海,宋百树,等·BIM 技术在灌注桩施工过程中的质量控制应用 ·129·

模功能外,还有着可视化编程可以进行桩基的批量赋

值和批量运算,以达到真正的高效。

结合现场情况,现场桩位复核往往流于形式。 验

收人员手头没有桩位信息,桩如果没有结合地勘资

料,可能碰到孤石等会进行入岩误判等。 通过 BIM 技

术,可以为每根桩提供一组施工预计参考值。 混凝土

方量现场使用手算,繁琐且易出错,通过软件,可以批

量解决此类问题。

本文以福建紫金铜箔科技有限公司年产 2 万吨

高性能电子铜箔建设项目为例,通过 Dynamo + Revit,

实现地质模型可视化、桩基信息的批量化运算并赋

值,为现场钻孔灌注施工质量控制提供数据支撑。

1 工程概况

福建紫金建设项目位于福建省上杭县南高速口

西侧。 场地内地质构造较为稳定,拟建场地基底为泥

质粉砂岩,场地内地层自上而下依次为:素填土、粉质

黏土、砂土状强风化泥质粉粉砂岩、碎块状强风化泥

质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩,现场共有 7 种桩类型,

如表 1 所示。

表 1 项目桩信息表

序号 桩编号 数量 桩顶绝对标(图中注明除外) 单桩竖向承载力特征值(kN) 桩端持力层(图中注明除外)

1 YZ1000 - 1 63 201. 2 1500 ④碎块状强风化泥质砂岩

2 YZ1000 - 2 294 201. 2 3100 ⑤中风化泥质砂岩

3 BZ1000 - 1 89 198. 20 3100 ⑤中风化泥质砂岩

4 YZ1200 - 1 211 201. 2 2200 ④碎块状强风化泥质砂岩

5 YZ1200 - 2 24 201. 2 4900 ⑤中风化泥质砂岩

6 BZ1200 - 1 81 198. 20 2200 ④碎块状强风化泥质砂岩

7 YZ1400 - 1 54 201. 20 2800 ④碎块状强风化泥质砂岩

所有桩桩端持力层均为碎块状强风化泥质粉砂

岩或中风化泥质粉砂岩石,现场采用旋挖机成孔。 根

据设计要求,现场入岩验收需要施工、勘察、监理等共

同驻场确认。

2 具体应用方法

2. 1 地勘数据处理

地勘数据有较多岩层,但通过桩基结构图可知,

本项目只需要用到两种持力层信息,以及最初的地面

信息。 因此,为后续简洁高效,将数据划分为地面、碎

块强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩四层坐标信息。

为减少后续计算机运算量,可以将平面坐标统一减去

一个固定值,最后将 3 组坐标整理成 . CSV 文件。 为

后续软件读取作准备。

2. 2 地质模型创建

在地层模型创建上,尝试过多种方法,比如通过

Rhino 去创建,然后将模型转为 dat 格式导入 Revit

中,但其简化可能精度较低。 Dynamo 提供了一个 Topography. ByPoints 的节点用于创建地形表面,但其生

成的地形表面,不能直接用来剪切 Dynamo 中的几何

实体, 需 要 转 换 成 Polysurface, 需 要 用 到 Topography. PolySurface 节点[3]

。 因此选用 Dynamo 来完成这

个事情。

首先,将数据拆分成碎块状强风化泥质粉砂岩

层、中风化泥质粉砂岩石层、以及勘探孔底部层 4 个

面层数据。 之后,两个两个面缝合成三个单独的体,

即可得到 3 个不同的岩层,如图 1 所示。

图 1 Dynamo 生成的地质模型

尽管地勘数据还有其他地质层信息,但对于本工

程项目实施没影响,所以对其他地质层信息暂且不作

处理。

2. 3 参数化桩族的制作

Revit 一个重要的技术要求,就是参数化族的制

作,首先要规划族参数。 当然,族参数的规划非常重

要,包括要充分了解桩基的施工过程,以及桩基施工

整个验收的要点。 Revit 族本身对数据层级有着严格

要求,因此,对于同一种桩型共有的参数新建立一个

桩类型,采用类型参数。 对于个体差别的参数,选用

实例参数。 同时,为了方便项目管理中对桩的区别,

通过软件,将每根桩的 ID 赋值到属性面板,便于后期

·130· 福 建 建 筑 2023 年

进行项目管理。 对于一些可以直接计算的族参数,可

以通过软件自带逻辑运算功能,计算得出。 如设计中

要求最小桩长信息不少于 5 m,可直接在桩的族里,

通过逻辑运算如 if( a < 5000 mm,5000 mm,a),直接

将桩长信息处理好,将本项目所应用的几种桩类型的

桩参数都设置好。 族参数如图 2 所示。

图 2 参数化桩族参数表

2. 4 桩族的放置

设计院提供的设计资料往往是图纸,只有几个控

制性的桩会提供坐标信息。 这时候,需要注意将地勘

数据坐标,与桩基施工图坐标进行换算。 然后再将

CAD 图纸导入到 Revit 软件中。 因 Revit 软件可对导

入的 CAD 图纸进行圆心、桩中心进行捕捉,且 CAD

本身就是矢量图,所以,放置的桩位信息是精确的。

本例通过对放置后 Revit 参数坐标与控制性桩位数据

进行对比,经对比,两者桩位信息吻合。 所以 Revit 读

取的坐标,可作为桩基施工验收桩位复核的信息。

2. 5 Dynamo 运算与赋值

通过 Dynamo,对各种类型的桩进行参数赋值。

具体方法为,通过 FamilyInstance. ByFamilyType,获取

其中一类桩的所有实例。 赋值的参数分为两类,一类

是同类型下信息相同的参数,如“单桩竖向承载力特

征 值 ” “ 混 凝 土 强 度 ” 等 这 一 类, 直 接 通 过

Element. SetParameterByName,将各参数找到对应字

段,直接给一个固定的值。 另一类则需要通过运算得

到。 如“预计见岩深度” 具体方法如下,找到桩中心

坐标的 X、Y 值,再通过该桩护筒顶标高的 Z 值,得到

一个 X、Y、Z 点,再通过 Geometry. DistanceTo,计算该

点到地形表面的距离,得到预计见岩深度的数据。 将

该数据输入到族的参数面板,可在点击桩模型的时

候,看到对应数据,如图 3 所示。

图 3 Dynamo 对一种桩基础参数进行赋值

Dynamo 优势是可以进行批量化运算,大大提高

工作效率。

3 参数解读

3. 1 钻孔灌注桩施工过程质量验收

钻孔灌注桩在工程中的应用非常广泛。 随着信

息技术的发展,人们对施工质量控制越来越高。 桩基

施工大致有如下验收要点:护筒埋设、桩位复核、钻机

就位、成孔、入岩验收、终孔验收、一清、下钢筋笼、二

清、浇筑混凝土等。

3. 2 桩参数解读

桩位复核:测量工作是基本,桩位置不能打错。

现场中,桩位复核往往流于形式,特别是在施工总承

包模式下,总包及监理员手头往往没有每个桩位的坐

标信息,所以,其验收往往依赖于分包的现场技术员。

通过软件,可以让计算机自动获取每个桩的桩位 X\\Y

坐标信息,然后通过换算,填到每个桩参数上。 此时,

能自动在每个桩上看到桩位信息。 这时的桩位信息,

便是复核的桩位信息,如图 4 所示。

图 4 桩族参数面板

2023 年 09 期 总第 303 期 戴熙频,庄珠海,宋百树,等·BIM 技术在灌注桩施工过程中的质量控制应用 ·131·

护筒桩高:之所以需要护筒标高,是因为当桩开

始成孔后,为了现场测量方便,可以将现场标高信息

转化为成孔深度,有利于现场放测绳测量孔深。

预计见岩深度:现场见岩往往是施工、甲方、与监

理比较容易引发争议的点。 因为不同的深度、不同的

岩层,关系到不同项目参与方的计价与成本。 有时候

见岩的判断,还需要借助勘察单位的技术人员进行现

场确认。 如果通过计算机的技术,结合前期勘察数

据,先将地面点,计算理论到对应岩层面的深度,可以

大大降低现场技术判断的难度,化解项目不同参与方

为维护各自利益而引起的矛盾。

预计终孔深度:实际见岩深度一旦确定了,将实

际见岩深度填上,这时候软件会自动得出预计终孔深

度,为现场施工提供依据。

实际终孔深度:根据现场填入实际终孔深度,让

计算机自动计算混凝土方量,可以省去现场技术人员

手算的工作量,也可以避免计算错误带来的商品混凝

土方量的计算错误引起的浪费。

充盈系数:通过录入实际混凝土使用量,可以得

到各个桩的充盈系数,提早发现问题桩,提早介入

解决。

以上“桩位坐标” “预计见岩深度” “预计终孔深

度”“充盈系数”,可直接在点击桩信息的时候看到。

但其信息是一个动态变化的过程,需要对现场实际数

据实时录入,如对“护筒顶标高” “实际见岩深度” “实

际混凝土方量”等信息进行动态更新。

最后,得到所有不同的桩及地质模型以及桩身信

息如图 5 所示。

图 5 赋值后不同桩的桩长

4 桩信息的成档

随着技术的发展,人们对信息的渴求越来越大,

BIM 技术的诞生也是基于这种背景下。 现在诸多项

目需要对桩进行一桩一档资料的收集,其实,从图纸

上把设计信息传递到施工中,施工中的实际值也收集

起来,就形成了桩的档案。 计算机的优势就是可以大

大减少重复的数据进行人工搬运,且比人工数据搬运

准确率高。 本项目通过将施工预计信息,给施工提供

依据,同时又反过来将施工实际信息进入收集,且将

设计信息进行录入,形成了较为完成的单桩信息,是

推动 BIM 技术进步的一个典型例子。

5 结语

本文只是基于本公司一个项目桩基施工质量控

制的例子。 主要逻辑,是将施工验收过程与 BIM 技术

进行一个融合,通过参数化、可视化编程、施工技术、

施工现场实际遇到的难题等进行一个融合,经验证,

具有一定可行性。 本项目只是止步于桩基简单质量

控制与 BIM 技术的融合。

随着 BIM 技术深入,如果将信息的录入融入各个

桩的验收时间和验收人员信息,便可以将现场进度进

行关联,再将进度进行可视化云平台展示,即可实时

掌握每个桩的成桩进展情况。 可每个桩的相关验收

责任人进行绑定,为后续桩的质量责任到人提供依

据。 同时,对于同一项目多家分包单位,多个作业班

组同时进行现场作业,可以将作业班组、分包信息与

桩进行绑定,导出对应数据报表,通过大数据,得出不

同班组,不同管理人员项目管理的水平,以及作业质

量的分析。 当然,要实现对于施工过程进行数据管理

与分析,需要整个行业意识与技术的提升。 现阶段也

可融入施工现场视频监控,实现对过程质量的监督。

但笔者认为,该方法只是一种监督手段,且影像数据

存储大,现场桩较密集且多机械同时施工,很难通过

影像进行质量数据管理。

除了在钻孔灌注桩施工应用,该方法同样适用于

施工管理的主体结构施工各个环节,但需要注意进行

构件划分,充分理解设计意图,施工质量控制点以及

计算机技术。

参 考 文 献

[1] 刘熙瑶,岳奇,蒋琮宇. BIM 技术在确定钻孔灌注桩有效

桩长中的应用[C] / / 全国土木工程施工技术交流会. 施

工技术,2021:1681 - 1683.

[2] 赵寅,于洪鑫,蒋绍松. 基于 Dynamo for Revit 的边坡支

护三维参数化设计[ J]. 科技创新导报,2020,17 (17):

50 - 51.

[3] 范光龙,熊云烽,徐军艳,等. Dynamo 在 Revit 中创建小

区域地质模型的研究[ J]. 建筑技术,2019,50 ( S2 ):

54 - 56.

2023 年第 09 期

总第 303 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 09·2023

Vol·303

基于 BIM 的某工程档案可视化管理研究

潘一翔

(厦门特房嘉湾房地产有限公司 福建厦门 361100)

摘 要:传统的建筑工程档案的信息化程度较低,完整性较差,对施工全过程的质量管理和工程造价管理将产生不利

的影响。 BIM 模型可以汇集工程全周期的数据,应用于工程档案管理,可以提高工程档案的完整性和信息化水平。 因

此,基于 BIM 软件和 BIM 云平台,对某工程档案信息进行可视化设计。 通过建立 BIM 模型,整理工程档案资料,关联

模型档案,最终实现档案信息的可视化。 结果表明:采用 BIM 技术应用于实际工程档案信息管理中,可提高工程档案

信息化管理水平,保证项目工程的施工质量。

关键词: 工程档案管理;BIM;云平台;可视化管理

中图分类号:TU17 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2023)09 - 0132 - 05

Study on the Visual Management of an Engineering Archives Based on BIM

PAN Yixiang

(Xiamen Tefangjiawan Real Estate Co. ,Ltd. ,Xiamen 361100)

Abstract:The construction of engineering projects cannot be separated from the utilization of engineering archives,which are important resources in the full cycle management of engineering. However,some projects have a low level of information technology and poor integrity in

their archives,which has had a negative impact on the management of the construction process and project costs. The BIM model can collect

data from the entire engineering cycle,and its application in engineering archive management can improve the integrity and informatization

level of engineering archives. Therefore,Based on BIM software and BIM cloud platform,visualize the information of a certain project archive. By establishing a BIM model,organizing engineering archive data,and associating model archives,the visualization of archive information can ultimately be achieved. The results indicate that the application of BIM technology in practical engineering archive information management can improve the level of engineering archive information management and ensure the construction quality of project engineering.

Keywords:Engineering file management; BIM; UHPC; Cloud platform; Visualization management

作者简介:潘一翔(1990. 6 - ),男,工程师。

E-mail:273963318@ qq. com

收稿日期:2023 - 06 - 25

0 引言

工程档案是工程建设管理中重要的信息资源。

但由于部分工程档案信息化程度低,完整性较差,导

致工程管理中不能有效利用信息资源,给施工技术的

提升和工程造价产生不利的影响[1]

。 BIM 技术是一

种集可视化、协调性与完备性等众多优势为一体的数

据化工具,主要应用于工程的设计、建造和管理。 随

着 BIM 技术的发展,BIM 在工程档案管理中的价值开

始显现。 BIM 模型可以汇集工程全周期的数据,应用

于工程档案管理,可以提高工程档案的完整性和信息

化水平[2 - 3]

。

吕向荣[4] 分析了 BIM 和工程建设、智慧城市的

关系,指出,BIM 技术可以提高工程档案的信息化管

理水平,充分发挥档案的利用价值。 杨滔[5]在某小区

规划管理中,应用 BIM 技术评价测算建筑方案,实现

了项目规划审批的数字化和管理的动态化。 石韵

等[6]利用 BIM 技术,实现了超高层复杂结构的实时

监测管理,实现整个施工过程的信息集成、动态监管

及突变预警功能,证明了 BIM 技术应用于复杂工程检

查中的可行性。 陈冠东等[7] 利用 BIM 技术创建了三

维综合运维平台,用于工程档案的移交归档,证明了

BIM 技术在资料移交和工程电子验收中,可以发挥良

好的作用。

提出基于 BIM 平台来开发适用于超高层及大跨

空间结构的健康监测管理系统,通过对其施工过程中

流通信息的监测,来完成施工现场的集成通讯与动态

监管,以及建筑结构的动态监测及突变预警,从而实

现整个建设过程的监测信息分享。

2023 年 09 期 总第 303 期 潘一翔 ·基于 BIM 的某工程档案可视化管理研究 ·133·

综上所述,不少学者、工程技术和档案管理人员

对 BIM 应用于移交归档、城建档案管理等方面进行了

研究。 但应用 BIM 技术进行工程可视化档案管理的

研究较少。 我国虽已颁布了应用 BIM 进行设计和施

工的标准,但将 BIM 用于工程档案管理方面的标准还

未制定。 因此,本文针对 BIM 技术对某工程档案信息

可视化管理,开展研究。

1 基于 BIM 软件的工程档案信息可视化设计

BIM 软件技术和云技术,是基于 BIM 的建筑工程

档案信息可视化的两种主要相关技术。 本节依据的

资料来源于某竣工项目,主要研究基于 BIM 的建筑工

程档案信息可视化的实现方法及过程。

1. 1 BIM 模型建立

欧特克公司旗下的 Revit,在众多建模软件市场

中占有率最高,使用该软件进行模型创建,可避免数

据交互和兼容问题。 建模过程中,不免会涉及到与建

筑、结构、电气有关的内容。 可以按照专业划分,依次

建立各部分模型,最后在 Revit 中整合,从而提高整体

效率。 构件命名前,先将竣工验收相关的资料信息输

入模型中,注意命名时构件名称要与竣工图纸上的信

息对应。 BIM 竣工模型是项目竣工时情形的具体表

现,因此,模型精细度应达到 LOD400,模型必须包含

构件的数量、尺寸和位置等数据信息。 建好的 Revit

模型如图 1 所示。

图 1 Revit 模型建立

1. 2 工程档案资料整理

在信息可视化前,工程档案资料需要进行规范

化整理。 结合相关内容,按照不同的形成、整理单位

和建设程序将完整的竣工项目的工程资料划分为 5

类文件:a 类( 工程准备阶段) 、b 类( 监理文件) 、c

类(施工文件) 、d 类(竣工图文件) 、e 类(竣工验收

文件) 。 建立 3 级文件夹,分别为项目级、案卷级、

文件级,其中项目级文件夹以工程项目编号 + 名称

+ 所在地命名;案卷级以案卷类型 + 名称命名;文件

级按案卷类型编号 + 序列号 + 名称命名,对相关资

料的电子文件命名并存放在对应的文件夹内。 如建

设用地验收意见书的文件命名,可为 E1 - 01 竣工

验收意见书,以此类推。

1. 3 模型档案的关联

在 Revit 软件中建模完成后,需要将模型保存为.

nwc 格式文件后, 导入 Autodesk Navisworks Manage

中。 通过 Navisworks 软件提供的超链接方式,连接模

型构件与外部文件,关联处理模型构件和档案资料,

使不同的档案资料关联到相应的构件上,以此完成档

案信息的可视化。 具体操作是根据档案资料的文件

名称或者内容先定位到相关构件,然后关联构件与档

案资料。 构件与资料的关联结果如图 2 所示。

图 2 模型构件与工程档案资料关联结果图

1. 4 档案信息可视化结果

当模型与档案资料相互关联后,通过打开模型中

的“相关构件”,可查看与之相对应的档案资料。 工

程档案信息可视化结果如图 3 所示。

图 3 工程档案信息可视化结果图

1. 5 档案信息可视化实施流程

基于上述实践操作,对档案信息可视化实施整体

流程进行总结。 首先,基于实际工程项目,建立相应

·134· 福 建 建 筑 2023 年

的 BIM 模型。 在建模过程中,应注意严格按照 BIM

软件的建模规范,特别是模型及相关构件的命名,应

规范化、标准化。 同时,需开展对工程档案文件的整

理、编码工作。 接着,在 Navisworks 软件中导入 BIM

模型,通过文件中给出的文档内容,将对应的构件从

选择树中选中并提取。 紧接着,将模型与档案资料通

过编辑链接的方式进行相互关联,最终实现实现档案

信息的可视化。 方案实施流程如图 4 所示。

图 4 方案实施流程

2 基于BIM 云平台的工程档案信息可视化设计

由于 BIM 模型的体量较大,对计算机硬件要求较

高,且随着信息量的积累,软件的运行速度将会变慢,

从而降低了管理人员工作效率。 为解决该问题,在云

服务器上利用 BIM + 云技术建立 BIM 应用所需的资

源,再由服务器对用户的相关指令进行处理,并在模

型上传过程中对其进行轻量化处理,从而大幅度降低

计算机硬件的要求,提高运行效率。 同时,该 BIM 云

平台还能满足档案用户方、提交方和管理方之间共享

和协同工作的需求,提高工程档案利用率及信息化管

理水平,满足智慧城市建设和发展的需求。

2. 1 BIM 云平台的选择

基于 BIM 云平台的档案信息可视化的实现,首先

需在云平台上传 BIM 模型和工程档案资料;其次创建

与之对应的文件夹,以存储管理模型档案;最后关联

BIM 模型与对应的档案资料。 基于 BIM 云平台的档

案信息可视化实现后,还应满足档案管理人员的业务

管理需求,即能对 BIM 模型档案资料进行接收、利用

以及管理。 因此,云平台应能支持多种文件类型及格

式,能对模型进行轻量化处理,对模型与相应工程档

案资料进行关联处理,能对 BIM 模型档案进行集中存

储,并支持档案管理机构自身以及与形成各档案的单

位之间的业务协作,提供用户对模型档案文件的访问

查阅、审批、修改、权限管理等功能。

Autodesk BIM 360 Docs 是基于云计算的 BIM 数

据集中存储系统,该平台支持上传多种文档格式,支

持发布、管理、审查和审批所有的模型、图形和档案资

料;平台还能够从 PDF、DWG 和 RVT 中提取图纸;对

BIM 模型和对应档案资料之间进行关联处理等。 因

此,在工程档案管理方面,Autodesk BIM 360 Docs 云

平台具有极大的优势,在该云平台上可以实现模型档

案信息可视化管理。

2. 2 BIM 模型文件的上传与管理

完成 BIM 模型创建和工程档案资料整理工作后,

首先需要在 BIM 云平台内创建与项目对应的文件夹,

再上传相应的模型文件以及电子资料文件至对应的

文件夹内。 项目工程档案资料包括准备阶段文件、施

工文件、监理文件、竣工图及竣工验收文件。

BIM 模型普遍体量大,需考虑对模型进行轻量化

处理。 Autodesk BIM 360 Docs 云平台自带有转换引

擎,可以在模型上传过程中对其自动进行轻量化处

理,很好地解决该问题。 模型档案上传完成后,还应

增加平台管理员以及其他管理人员,并统一由平台管

理员赋予其他管理人员不同的管理权限,对档案进行

管理。 平台设有五个管理权限级别,相应管理人员可

以对文档进行上传、查看、编辑和控制。

2. 3 BIM 模型与档案文件的关联

为实现档案信息可视化,需将 BIM 模型构件与对

应的档案资料进行关联处理。 Autodesk BIM 360 Docs

云平台提供了超链接方式,对电子文档与 BIM 模型进

行关联。 在此基础上,遵循相应的关联逻辑,对 BIM

模型构件与对应的档案资料进行关联。 模型文件关

联结果如图 5 所示。

图 5 模型与档案文件关联结果图

2. 4 档案信息可视化结果

BIM 模型构件与对应的档案资料完成关联处理

后,点击构件,即可查看与该构件相关的档案信息和

构件属性信息,如图 6 ~ 图 7 所示。

2023 年 09 期 总第 303 期 潘一翔 ·基于 BIM 的某工程档案可视化管理研究 ·135·

图 6 档案信息可视化结果图

图 7 BIM 模型构件信息查看图

2. 5 云端解决方法的实施流程与总结

基于 BIM 云平台的工程档案信息可视化实施流

程,主要包括对模型和工程档案进行信息化处理、上

传管理模型档案以及关联模型与档案资料。 本小节

证明了采用 Autodesk BIM360 Docs 平台进行工程档

案信息可视化的方法, 易于实现, 且可操作性强。

BIM + 云计算技术在工程档案管理中的应用,大幅度

提高了工程档案信息化管理水平,该技术平台对于档

案的后期利用,也提供了更好的服务。

3 基于 BIM 的工程档案管理流程

工程档案的内容具有多样性,档案的接收工作较

为复杂。 因此,需要针对 BIM 模型档案,制定归档的

接收规范、标准以及范围。 对于档案的接收工作,工

作人员既要兼顾传统的工程档案的归档工作,同时也

要兼顾 BIM 模型档案归档的归档工作,以保证两类归

档工作规范、标准及有序进行。 归档工作的开展,可

分为准备阶段、施工阶段及竣工阶段三阶段进行接

收,具体操作如下。

准备阶段:准备阶段的工作包括两个方面,首先

是 BIM 规划模型,由建设单位负责;其次是 BIM 设计

模型,由设计单位负责。 两个单位均需根据( GB _

T50328 - 2019)建设工程文件归档管理规范[8] 要求,

对模型进行改进。 优化处理后,才可进行网上移交。

移交工作完成后,相应的档案管理人员应按要求,同

步开展审核、归档工作。

实施阶段:施工阶段的工作主要是建立施工 BIM

模型,该任务主要由施工单位负责。 由于在施工过程

中,监理单位、施工承包及业主方将产生大量工程项

目资料信息,这些信息资料都需要施工单位对其进行

传递、归类及整合,使其准确的输入到 BIM 模型中,各

单位可同步查看并完善信息,最终完成对这一模块的

归档工作。

竣工阶段:竣工阶段需要建立相应的竣工 BIM

模型,该任务由施工单位负责完成。 在建设单位完成

工程竣工验收备案后,竣工档案移交归档。 承办单位

及管理室负责人对提交上来的模型及档案资料进行

审查并提出相应的审查意见进行整改,当审查合格后

需向建设单位提供相关的档案移交及归档的证明,使

得 BIM 模型顺利入库保持,档案归档的接收工作就是

全部顺利完成,如图 8 所示。

图 8 BIM 模型工程档案管理流程图

4 结论

(1)基于 BIM 软件和云平台的工程档案信息,不

仅可以提高工程档案信息化管理水平,也便于管理人

员对工程施工过程的监控,保证工程的施工质量。

(2)基于 BIM 的工程档案可视化管理,可便于建

设单位和设计单位移交工程规划信息。 在工程准备

阶段,两个单位根据规范要求改进、优化模型后进行

网上移交,相应的档案管理人员可同步开展审核、归

档工作。

(3)基于 BIM 的工程档案可视化管理,可提高

工程信息资料的完整性和准确性。 施工过程中,大