既有隧道上的多、高層建筑基礎(chǔ)選型

鄭佩瑩，劉海源

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

近年來，隨著城市的不斷建設，特別是城市地下空間的發(fā)展，大量的近接工程不斷出現(xiàn)。如盾構(gòu)隧道近接穿越橋梁樁基工程[1]，市政隧道近接已有隧道工程[2]，近接地鐵隧道下的樁基礎(chǔ)工程[3]等。相較于普通工程，近接工程對圍巖的擾動次數(shù)多、受力復雜，如若設計不當，不僅會造成擬建工程的失穩(wěn)和破壞，還會對既有建筑的安全性產(chǎn)生較大影響，甚至產(chǎn)生難以補救的后果。

國內(nèi)外較多學者針對不同的近接工程開展了相關(guān)研究并取得了豐富的成果。如Shi等[4]對某下穿高速公路的淺埋暗挖隧道的預加固措施進行了研究；殷召念等[5]以重慶東水門大橋·千廝門大橋渝中區(qū)連接隧道為對象，采用三維數(shù)值計算的方法模擬了該隧道施工的力學行為，并對其近接的既有高層建筑群樁的影響進行了分析；羅鎮(zhèn)[6]結(jié)合穗莞深城際深圳機場站近接超重蓄冷水罐基坑開挖工程，對近接高等級建筑物的基坑開挖施工預加固技術(shù)進行了研究。然而，由于近接方式、建筑物類型以及地質(zhì)條件的復雜多樣，近接工程的設計與施工目前仍以經(jīng)驗為主。

本文以常見的下穿既有隧道擬建建筑物為對象，通過對典型工程實例以及三維數(shù)值的分析，對該類近接工程的基礎(chǔ)選型進行了初步探討，所得結(jié)論可為類似工程提供參考。

2 典型工程實例

（1）鄒容廣場洞室地基工程

重慶市渝中區(qū)臨江門“鄒容廣場”的20層裙樓下，開挖有寬15m的市人防工程臨梯干道，且在裙樓筒體下是臨梯干道（稱主洞）與支洞的交叉部位。該工程場地巖體質(zhì)量較好，為整體塊狀-厚層狀，構(gòu)造裂隙不發(fā)育。該工程基礎(chǔ)采用的是2.5m厚的鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，施工時首先將原覆蓋巖層開挖至標高245.9m（此時距主洞頂部6.7m）。鋼筋混凝土筏板下至主洞洞肩為砂巖，洞肩至洞底約3m處為泥巖，洞底3m以下為砂巖。

（2）重慶圖書金融綜合大樓

該綜合大樓（12F/-3F）基礎(chǔ)北側(cè)下部建有輕軌區(qū)間隧道及風道，并與臨江門輕軌站隧道臨近。區(qū)間隧道毛洞尺寸為凈高8.67m、凈寬6.86m，洞頂與基底最短距離約為12.5m；風道隧道毛洞尺寸為凈高5.96m、凈寬4.42m，洞頂與基底最短距離約為5.9m；臨江門輕軌車站隧道毛洞尺寸為凈高20.578m、凈寬23.040m，與基礎(chǔ)的水平距離約6m，與基底的垂直距離約3m。

場地內(nèi)地勢平緩，綜合大樓基底以下為中微風化砂巖，巖體裂隙不發(fā)育，呈整體塊狀-厚層狀。巖層呈單斜構(gòu)造傾角約10°。

該綜合大樓基礎(chǔ)的最終設計方案為：在既有隧道穿越部分采用C30鋼筋混凝土交叉梁基礎(chǔ) （1.5m×1.5m，基底標高240.2m）；其它部分采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ) （基底標高237.2m）。

（3）重慶市融匯廣場

重慶市融匯廣場位于重慶市沙坪壩區(qū)中心地段，北臨三峽廣場步行街，西側(cè)為28/-2F世源大廈，東側(cè)是30/-3F層高的慶泰大廈，南邊有地鐵一號線沙坪壩車站通過，西邊有地鐵環(huán)線區(qū)間隧道通過。融匯大廈地上29層、地下3層，±0.000標高為251.10m，負三層（地下三層）的底標高為234.80m，主體塔樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

地鐵一號線車站頂標高為234.965m，底標高為220.37m，車站開挖高度為14.595m，開挖寬度為23.80m，車站隧道頂部覆蓋層厚度約17.0m。靠近建筑物側(cè)車站有一出入口通道，通道頂標高231.25m，底標高為226.25m，開挖寬度8.0m，開挖高度5.0m。其中與車站平行的一段通道在建筑物地下室內(nèi)，占用地下室的一部分空間。地鐵環(huán)線區(qū)間隧道頂標高為219.18m（距離上覆地鐵一號線車站隧道底僅1.19m），底標高為211.18m，開挖高度為8.0m，開挖寬度為6.0m，兩隧道中心間距為18.0m。

建筑物地下室的基坑邊緣與車站邊緣的最小距離為11.0～12.5m，與地鐵環(huán)線邊緣的最小距離為14.0m。

整個場地均為第四系土層覆蓋，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖。

融匯大廈最終基礎(chǔ)方案為框架柱采用樁基礎(chǔ)，剪力墻筒體為筏板基礎(chǔ)。

（4）小什字車站隧道高層建筑

泛華大廈Ⅱ區(qū)（結(jié)構(gòu)層20層）A幢及B幢的基底隧道上覆巖層厚度分別為13.4m和8.5m，部分位于隧道拱頂。泛華大廈Ⅲ區(qū)（結(jié)構(gòu)層30層）基底隧道洞頂上覆巖層厚9m，基坑邊緣與隧道側(cè)墻最小水平距離為5.6m。三峽經(jīng)協(xié)大廈B幢裙樓建筑柱下條基基底隧道洞頂上覆巖層厚約8.84m，基坑邊緣與隧道側(cè)墻最小水平距離為4.5m。

該場地內(nèi)圍巖地層由全新統(tǒng) （與中侏羅統(tǒng)沙溪廟組互層砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖組成，傾角12°～13°，巖層走向基本與隧道軸線一致。巖層構(gòu)造裂隙（節(jié)理）稍發(fā)育～較發(fā)育，巖體為層狀及塊狀結(jié)構(gòu)。隧道最大開挖高度13.94m，最大開挖寬度21.40m。

最終的基礎(chǔ)方案為：泛華大廈Ⅱ區(qū)建筑基礎(chǔ)為C35的準箱基，泛華大廈Ⅲ區(qū)基礎(chǔ)為C35的樁基及C35的條基，經(jīng)協(xié)大廈B區(qū)基礎(chǔ)為C35的樁基及C35的條基。

3 三維數(shù)值計算

3.1 某幼兒園項目

該項目占地面積6796m2，建筑面積7474m2，其中擬建的教學樓層位于某既有洞室正上方，其建設可能對洞室產(chǎn)生影響。

擬建教學樓平面尺寸（長×寬）為70m×15m，設計地坪高程為230.50m，層數(shù)為4層。下方為直墻拱形洞室，主洞室凈高為6m，凈寬為8m。洞內(nèi)初期支護采用C20錨桿噴射混凝土，厚度為50mm，圍巖進行了錨桿加固及掛鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土，錨桿為梅花形布置，錨桿型號Φ22，錨桿長度2.5m，噴射混凝土鋼筋網(wǎng)Φ8@200×200，洞室二次襯砌厚度為350mm，為鋼筋混凝土支撐，混凝土為C30，鋼筋Φ12@200雙層雙向。洞室洞頂標高為212.27m，教學樓基底標高為230.1m （按梁底），垂直距離為17.83m。

場區(qū)地層為：第四系人工素填土（Q4ml）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）泥巖、砂巖組成。場內(nèi)泥巖屬軟巖，巖體完整，砂巖屬較軟巖，巖體較完整，根據(jù)勘察報告提供的巖石物理力學參數(shù)，按《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DBJ 50-043-2005）可將圍巖基本質(zhì)量等級劃分為IV級。

為了減輕對地下洞室的影響，設計中采用筏板式基礎(chǔ)，梁板式筏板板頂平梁頂，筏板厚400mm，梁截面為700mm×1000mm，筏板外伸500mm，外伸部分的底板交角削成135°。利用FLAC3D建立三維模型并進行彈塑性分析。根據(jù)勘察報告，計算采用的巖土體物理、力學參數(shù)如表1所示。為安全計，整個計算中將砂巖視為泥巖考慮。計算中教學樓按筏板基礎(chǔ)考慮，筏板厚400mm，基底反力為96.3kPa。筏板與地下洞室的模型圖如圖1所示。

表1 幼兒園項目巖土體物理力學參數(shù)計算值

圖1 教學樓筏板基礎(chǔ)與地下洞室的三維數(shù)值計算模型

計算結(jié)果表明修建教學樓引起的圍巖變形最大值為1.22mm，地表沉降最大值約為1.20mm，最大值位置位于①號隧道和②號隧道相交位置正上方（圖2）。而教學樓的修建引起下方洞室產(chǎn)生位移，其中會引起①號洞室產(chǎn)生0.87mm的總位移，0.86mm的沉降；②號洞室0.71mm的總位移，0.70mm的沉降；③號洞室0.53mm的總位移，0.51mm的沉降。洞室的最終位移值在規(guī)范規(guī)定的允許洞周水平相對收斂值和允許拱頂下沉值之內(nèi)。

圖2 筏板基礎(chǔ)的豎向位移云圖

整個模型在教學樓施工后的最大主應力值為-0.45MPa，三個主要的洞室拱頂均會出現(xiàn)一定的拉應力區(qū)，該區(qū)域位于基礎(chǔ)正下方，但該范圍很小，且值也不大，最大值為①號洞室，值為0.02MPa。受壓和受拉最大值均小于巖石的抗壓和抗拉強度。塑性區(qū)分布圖顯示，洞室周邊并未出現(xiàn)塑性區(qū)，只是在地表填土層出現(xiàn)局部的塑性破壞區(qū)。而筏板基礎(chǔ)最大主應力最大值約為-0.06MPa，基礎(chǔ)在左側(cè)邊緣處出現(xiàn)較小的拉應力區(qū)，最大拉應力值為0.005MPa，基礎(chǔ)未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)。

整個計算結(jié)果表明，教學樓和下方的洞室兩者均是安全的。

3.2 某綜合樓活動室項目

某綜合樓活動室（共7層，含1層地下室）的設計地坪高程為766.5m，基底標高為762.1m，平面尺寸為長83m×寬46m。該綜合樓正下方修建有開挖高度7.87m和寬度14.22m的隧道，洞頂與活動室基底的垂直距離約7m。隧道按Ⅳ級圍巖進行支護。場內(nèi)地層結(jié)構(gòu)主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積粘性土夾卵石以及炭質(zhì)頁巖組成。

設計時基礎(chǔ)考慮為筏板式基礎(chǔ)，筏板厚450mm，地基作用荷載27.5～155kPa。利用FLAC3D建立三維模型并進行彈塑性分析。根據(jù)勘察報告，計算采用的巖土體物理、力學參數(shù)如表2所示。計算中教學樓按筏板基礎(chǔ)考慮，筏板厚400mm，基底反力為96.3kPa。筏板與地下洞室的模型圖如圖3所示。

表2 綜合樓項目巖土體物理力學參數(shù)計算值

圖3 綜合樓筏板基礎(chǔ)與地下洞室的三維數(shù)值計算模型

計算結(jié)果表明修建教學樓引起的圍巖變形最大值為0.25mm，綜合樓修建完成后東大門隧道總的拱頂下沉最大值為14.25mm，總的周邊收斂最大值為2.31mm。從拱頂下沉和水平收斂變化值來看，綜合樓的修建雖會對下方的東大門隧道產(chǎn)生一定的影響，但這種影響是比較小的，綜合樓修建完成后隧道的最終位移值在規(guī)范規(guī)定的允許拱頂下沉值和允許洞周水平相對收斂值之內(nèi)。筏板基礎(chǔ)的豎向位移云圖如圖4所示，可以看出，筏板中間部分 （包括隧道正上方）將產(chǎn)生最大約1.95mm的豎向位移。

圖4 筏板基礎(chǔ)豎向位移云圖

應力方面，由于基坑開挖卸荷，在綜合樓修建完成后，巖體的最大主壓應力有一定的減小，但變化值不大，變化值最大的僅為0.11MPa。而主拉應力較未修建時都有一定的增加，鄰近基坑邊緣局部點隧道圍巖拉應力超過抗拉強度，最大值達到0.20MPa，但整體來看，綜合樓正下方隧道圍巖所受拉應力并不大，且襯砌混凝土所受的主壓和主拉應力均未超過其抗壓和抗拉強度。

整個計算結(jié)果表明，綜合樓和下方的隧道兩者均是安全的。

4 結(jié)語

從上述幼兒園以及綜合樓活動室的三維數(shù)值計算可以看出，建筑物的修建對正下方范圍內(nèi)的隧道將產(chǎn)生較大的影響，如果下部隧道為多個隧道交叉，交叉部位所受影響更為嚴重。

根據(jù)4個典型工程實例以及三維數(shù)值計算結(jié)果，建議該類近接工程下建筑物選用筏板或其他類型基礎(chǔ)跨越隧道范圍的方式。

幼兒園項目中，基底至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x約為17.8m，建筑修建后洞室最大的總位移不到1mm；而綜合樓項目中，基底至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x僅為7m，建筑修建后洞室最大的總位移達到了14.3mm。這表明，建筑對地下洞室的影響與基底至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x有較大關(guān)系，距離越近，影響越大。因此，建議跨越的基礎(chǔ)應盡量淺埋，從而保證現(xiàn)有的覆蓋層厚度不被減薄。另外，在局部地段如需對巖體進行清除時，則宜采用機械或人工等非爆破方式進行開挖，避免對隧道圍巖的整體性造成不利影響。