跨越地鐵超高層住宅樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

閆永軍

摘要： 我國(guó)在地鐵運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境的影響和地鐵隧道開發(fā)建筑對(duì)鄰近樁基影響兩方面雖然已經(jīng)取得了重大突破，但仍有一些弊端暫時(shí)沒(méi)有得好很好的解決。其中跨越地鐵超高層住宅樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是地鐵研發(fā)建筑中重要的一環(huán)，因此對(duì)其進(jìn)行了如下研究。

Abstract： Although major breakthroughs have been made in the impact of subway operation on the surrounding environment and the impact of subway tunnels on the construction of nearby piles， some shortcomings are still not well solved. Among them， the design of piled raft foundation for super high-rise residential buildings crossing subway is an important part of subway R & D and construction. Therefore， the following research has been carried out.

關(guān)鍵詞： 地鐵跨越；超高層建筑；樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

Key words： subway spanning；super high-rise building；piled raft foundation design

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）08-0158-02

0 引言

樁筏基礎(chǔ)包含很多優(yōu)勢(shì)，豎向承載力高、基礎(chǔ)沉降小、整體性強(qiáng)、調(diào)節(jié)差異沉降能力等，隨著當(dāng)今社會(huì)建筑物越來(lái)越高、越來(lái)越重、越來(lái)越大，樁筏基礎(chǔ)被廣泛運(yùn)用到設(shè)施建設(shè)當(dāng)中。但是，在傳統(tǒng)的目前的設(shè)計(jì)方法中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)剛度作用的利用率一直呈現(xiàn)效率低的狀態(tài)，導(dǎo)致建筑材料的大量浪費(fèi)，因此，改善樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)概念，對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對(duì)于降低成本，減少浪費(fèi)而言，現(xiàn)實(shí)意義不容小覷[1]。并且，隨著地鐵得高速發(fā)展，地鐵隧道施工以及地鐵運(yùn)行對(duì)鄰近建筑物基礎(chǔ)造成的振動(dòng)影響，已經(jīng)逐漸浮現(xiàn)于人們的意識(shí)層中。可見，對(duì)于跨越地鐵超高層住宅樁筏基礎(chǔ)的研究，具有重要的意義。

1 以實(shí)際項(xiàng)目為例探究樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

此處引用華潤(rùn)·新鴻基錢江新城項(xiàng)目的研究數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)研究與闡述。

華潤(rùn)·新鴻基錢江新城項(xiàng)目主要由E-06、07、08、09四塊地構(gòu)成，位于浙江杭州的錢江新城。該項(xiàng)目計(jì)劃在這四塊地上建設(shè)高檔住宅、商場(chǎng)、公寓以及酒店。擬在該項(xiàng)目的東側(cè)建設(shè)高檔住宅，其東北方向與慶春東路延伸段相近，東南與富春江路相鄰近，西南方向與九號(hào)路相鄰近，西北則和酒店相接壤。住宅用地總面積約為2.3公頃。

在該項(xiàng)目的高檔住宅建設(shè)中，采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅的主要建筑物均建有一層或兩層的地下室，為了使用方便，地下室均不設(shè)置縫隙。地上結(jié)構(gòu)為塔樓結(jié)構(gòu)，地下為兩層的大底盤。杭州2#號(hào)線地鐵線是沿著該項(xiàng)目區(qū)域東北方向慶春東路的低下施工，即將施工的4#線跨越該項(xiàng)目區(qū)域，在慶春東路的錢江路站與2#線對(duì)接。除此之外，地鐵部門要求在1#、2#樓基礎(chǔ)下的8m預(yù)留兩條凈寬約為10m的左右地鐵隧道。

通過(guò)在網(wǎng)上對(duì)三維有限元彈塑性模型（剪力墻結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)和地基三部分組成）進(jìn)行查詢，并綜合考慮上部結(jié)構(gòu)剛度、地鐵隧道跨度等對(duì)筏板性狀的影響，將其和所查的數(shù)據(jù)作比較，發(fā)現(xiàn)：

①上部結(jié)構(gòu)剛度幾乎對(duì)基礎(chǔ)最大沉降沒(méi)有顯著影響，但是對(duì)最大彎矩、差異沉降具有顯著的影響。在忽略上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)最大沉降影響的情況下，其中，最大沉降減少了不到6%，但是，差異沉降卻減少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大彎矩都有較大減少，分別為38%和25%。

②在上部結(jié)構(gòu)達(dá)到20層高度后，上層結(jié)構(gòu)剛度對(duì)最大彎矩、差異沉降的作用越來(lái)越小，這說(shuō)明上層結(jié)構(gòu)剛的影響是具有一定限度的。

③當(dāng)筏板的厚度增加時(shí)，最大沉降和差異沉降都會(huì)減小，并且，當(dāng)筏板的厚度達(dá)到1.5m后，降低程度逐漸減?。坏?，隨著筏板厚度的增加，最大彎矩呈現(xiàn)出線性增加趨勢(shì)，這表明僅僅依靠提高筏板厚度的方式使得調(diào)節(jié)不均勻，這種方式是不可行的。

④筏板的最大沉降和差異沉降都隨著地鐵隧道跨度的增大而增加，并且隨著增幅的加大，筏板最大彎矩也越來(lái)越大。

⑤隧道跨度、地基剛度是影響最大沉降的兩大重要因素；基礎(chǔ)剛度、上部結(jié)構(gòu)剛度是影響最大彎矩、差異沉降的兩大重要因素。

⑥當(dāng)一幢建筑物必須跨越地鐵隧道（或者說(shuō)地鐵隧道修建不可避免需要穿過(guò)建筑物時(shí)），為了使跨越地鐵隧道對(duì)筏板變形、內(nèi)力的影響達(dá)到最小，可以通過(guò)地鐵隧道中心線、筏板對(duì)角線相重合的方式將樁筏基礎(chǔ)跨越地鐵隧道；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能的避免在樁筏基礎(chǔ)邊緣設(shè)計(jì)地鐵隧道。

在地鐵實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，穿過(guò)既有建筑物的基礎(chǔ)是不可避免地，而下部大部分以樁或樁筏為基礎(chǔ)的則是對(duì)于（超）高層建筑。但是，一般而言，筏板的差異沉降會(huì)直接對(duì)建筑物的使用安全性造成影響；筏板的內(nèi)力也幾乎決定了筏板的配筋量。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，使用材料越多，越容易保證安全，但這往往會(huì)造成材料的大量浪費(fèi)[2]。因此，對(duì)隧道開挖對(duì)樁筏基礎(chǔ)性狀的影響也需要進(jìn)行一系列分析。

2 地鐵隧道的開發(fā)對(duì)鄰近樁筏基礎(chǔ)的影響分析

通過(guò)構(gòu)建三維有限元模型結(jié)構(gòu)，將上部結(jié)構(gòu)荷載作用考慮在內(nèi)，分析地鐵隧道施工對(duì)鄰近樁筏基礎(chǔ)的影響：

①開挖隧道實(shí)際上對(duì)鄰近厚筏的彎矩和剪力影響都很小，并不會(huì)產(chǎn)生多大的干擾。

②隨著隧道開挖的持續(xù)推進(jìn)，筏板的沉降不但沒(méi)有增大，反而還略微有所減小。

③隧道開挖之后，距離樁頂20m以內(nèi)的樁身軸力會(huì)增大，并且，增大的幅度是，前一排大于后一排，同一排中，邊樁的軸力增加明顯要大于中樁；距離樁頂20m以下的的，樁身軸力和開挖之前進(jìn)行對(duì)比，明顯有所減少；樁身旁距，尤其是在集中在距樁頂20cm以內(nèi)的樁身區(qū)域間會(huì)發(fā)生明顯地變化；樁頂彎矩值會(huì)達(dá)到最大水平，但是前排樁明顯比后排樁大，以及同排中邊樁明顯大于中樁的規(guī)律；而隧道起拱線附近樁身會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩最大值。

④開挖隧道的過(guò)程中，群樁會(huì)向著隧道的方向產(chǎn)生扭曲，發(fā)生形變。對(duì)同一排樁而言，水平方向的變形大體上一致，沒(méi)有顯著差異。然而，與后排樁相比，前排樁產(chǎn)生的變形更加顯著；樁身的水命變形的最大值都出現(xiàn)在隧道起拱線附近。

⑤隧道開挖對(duì)于樁身水平方向變形的影響主要發(fā)生在樁頂?shù)饺兜姆ぐ宓酌媾c隧道中心線的距離的樁身的范圍之內(nèi)。除此之外，隧道埋深幾乎不會(huì)影響到筏板的差異沉降與最大沉降，其影響在一定程度上可以忽略不計(jì)。

⑥群樁的水平變形，會(huì)隨著隧道所在的土層變形模量的增加而逐漸減小，并且減小的趨勢(shì)會(huì)越來(lái)越不明顯；但是，隧道所在的土層變形模量的增加對(duì)筏板的最大沉降的影響僅僅是使其略微減小，對(duì)差異沉降，幾乎就沒(méi)有什么影響。

⑦如果增大盾構(gòu)掘進(jìn)正面推力和盾尾注漿的壓力，那么樁身?yè)锨禃?huì)逐漸減小，減小到一定的程度，樁身發(fā)生遠(yuǎn)離隧道方向的撓曲。

3 跨越地鐵超高層住宅具體設(shè)計(jì)的歸納

通過(guò)網(wǎng)上查閱有關(guān)華潤(rùn)·新鴻基錢江新城項(xiàng)目的資料，結(jié)合已有的數(shù)據(jù)，以杭州地鐵4#線錢江新城住宅項(xiàng)目段場(chǎng)地為工程背景，分析了地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)地表、樁體水平方面位移的影響，大致得到以下幾個(gè)結(jié)論：

①地面減速度振級(jí)隨著距地鐵中心線距離的增加而逐漸減弱，并且距地鐵中心線水平距離大約40m以外的區(qū)域，地鐵運(yùn)行周圍的居民們表示受地鐵運(yùn)行的影響很小，通過(guò)對(duì)周圍建筑物的數(shù)據(jù)分析，也得出相似的結(jié)論；當(dāng)然，顯而易見的是，地表加速度振級(jí)最大的地方位于地鐵中心線大概正上方的位置。

②增大隧道埋深，地表加速度振級(jí)會(huì)越來(lái)越小，并且，當(dāng)距離地鐵中心線水平的距離超過(guò)40m之后，地表加速度振級(jí)隨著隧道埋深的增加，其變化可以說(shuō)是微乎其微。

③因?yàn)榍芭艠对谝欢ǔ潭壬蠒?huì)遮擋到后排樁，地鐵運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成前排樁發(fā)生水平位移程度比后排樁的大，然而兩者之間并沒(méi)有顯著差異。本次研究結(jié)果顯示，前排樁樁體水平方向的最大位移為0.09m，后排樁樁體水平方向的最大位移是0.07m；然而，前排樁、后排樁均是在地鐵隧道下約10m處，樁身的水平位移幅值達(dá)到最大值。

此外，在研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)跨越地鐵得樁筏基礎(chǔ)也有比較優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念，大概歸結(jié)如下：

①厚度值為2.4～4.0m的筏板厚度為合理厚度；

②對(duì)于某些高層建筑上部具有剪力墻結(jié)構(gòu)的情況，合理處理好上部結(jié)構(gòu)剛度能夠配置筏板的配筋量，并且效果比較明顯，在上文中提到過(guò)，與實(shí)際的配筋對(duì)比，水平方向上的鋼筋用量降低了大約31%，垂直方向上的鋼筋用量大約降低了20%；

③對(duì)于與地鐵隧道緊鄰的樁來(lái)說(shuō)，可在樁體上部（20cm左右）增設(shè)鼓勁、縱徑，這樣能夠提高樁體自身的抵抗水平方向變形的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析地基、大跨樁筏基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)作用下，大跨樁筏基礎(chǔ)、抓法基礎(chǔ)的內(nèi)力與變形受到的影響，地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)地表、大跨樁筏基礎(chǔ)變形的影響，以及并對(duì)跨越地鐵隧道樁的筏基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，總結(jié)為以下幾條：

①考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，它幾乎沒(méi)有影響的最大沉降基礎(chǔ)，但具有顯著影響沉降差和最大彎矩，且不考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響，最大沉降降低了不足6%，然而，差異沉降卻減少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大彎矩都有較大減少，分別為38%和25%。根據(jù)本研究結(jié)果，如果建筑上部采用了剪力墻結(jié)構(gòu)，考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響能夠明顯降低筏板的配筋量，在X方向鋼筋用量可以減少39%左右的使用量，Y方向更是可以減少43%的使用量。

②差異沉降和最大沉降都隨著筏板厚度的增加而減小，并且，當(dāng)筏板的厚度厚于1.5m時(shí)，會(huì)慢慢降低減小幅度會(huì)；但是，在筏板厚度不斷增加的情況下，最大彎矩呈現(xiàn)出線性增加，這就表明僅僅依靠增加筏板厚度的方法使得調(diào)節(jié)不均勻是不可行的。

③地基剛度的增加會(huì)引起一系列減小的狀況包括最大沉降和差異沉降等的減少，并且，減小的趨勢(shì)越來(lái)越不明顯。另外，當(dāng)?shù)罔F隧道跨度增大時(shí)，筏板的最大沉降量也會(huì)逐漸增加。然而，地鐵隧道跨度對(duì)最大彎矩、差異沉降的影響就會(huì)降低，相對(duì)較小。

④隧道跨度與地基剛度是影響最大沉降兩大敏感因素；基礎(chǔ)剛度與上部結(jié)構(gòu)剛度是影響最大彎矩、差異沉降的兩大敏感因素。當(dāng)一個(gè)建筑必須穿過(guò)一個(gè)地鐵隧道的情況下，為降低使得樁筏基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)地鐵隧道的內(nèi)力和變形的影響，使影響達(dá)到最小，需要將筏板的對(duì)角線和地鐵隧道的中心線進(jìn)行重合。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能的避免在建筑樁基的邊緣穿過(guò)地鐵隧道。

⑤隨著距離地鐵中心線的距離的逐漸增大，地面加速度的振級(jí)會(huì)越來(lái)越小，并且，在距離地鐵中心線水平距離40m以外的區(qū)域，周圍建筑和居民的正常生活受地鐵運(yùn)行的影響比較小，甚至沒(méi)有多大影響。

參考文獻(xiàn)：

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