既有地鐵上蓋項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭建文

上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200235

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)某地鐵車站區(qū)域，地鐵車站斜穿本地塊，將地塊分割為南北2個(gè)區(qū)域。場地現(xiàn)狀為：原場地內(nèi)建筑配合地鐵車站的施工，在2008年，地鐵車站南側(cè)地塊地下室以及地鐵車站北側(cè)23 m部分地下室，施工至首層標(biāo)高（局部至地下1層標(biāo)高）后停工多年，如圖1、圖2所示。因建筑功能的調(diào)整，場地一期在東西兩側(cè)原有2棟4層建筑，現(xiàn)方案調(diào)整為1棟3層的商場（4#樓）及3棟2層辦公樓（5#樓、6#樓、7#樓）。場地二期原設(shè)計(jì)為1棟17層酒店式辦公樓和1棟120 m高辦公樓，現(xiàn)方案調(diào)整為2棟22層辦公樓（1#樓、2#樓）和1棟23層辦公樓（3#樓），1#樓、2#樓高度均為99 m，3#樓高度為97.8 m。

圖1 地塊已施工現(xiàn)狀

圖2 地塊地下室主要剖面示意

2008年已局部施工的建筑方案和現(xiàn)設(shè)計(jì)方案對比如圖3、圖4所示。

圖3 2008年建筑設(shè)計(jì)方案

圖4 現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)方案

由此可見，2個(gè)建筑方案發(fā)生了很大變化?，F(xiàn)建筑方案的新建建筑與地鐵車站外邊界最近距離分別為：1#辦公樓為31 m；2#、3#辦公樓為76 m和94 m。二期新建建筑在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的是1#辦公樓、1#樓裙房、2#樓裙房及4A#樓。建筑物設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 現(xiàn)設(shè)計(jì)方案新建建筑物數(shù)據(jù)

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

本工程最主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有2個(gè)部分：既有地鐵保護(hù)和既有結(jié)構(gòu)。

首先分析地鐵保護(hù)的相關(guān)規(guī)范要求、地勘資料、既有地基基礎(chǔ)資料以及地鐵兩側(cè)南北區(qū)樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，歸納如下：

1）根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》〔滬市市政法（94）第854號文〕：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）。隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，相對彎曲≤1/2 500。

2）地勘報(bào)告顯示，擬建場地屬于Ⅳ類建筑場地，處于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)。樁基持力層可選擇第⑦2層粉砂以及第⑨1粉砂層。

3）已施工部分圖紙：樁基采用直徑700 mm的灌注樁，樁端持力層為⑦2層，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，抗拔力為1 000 kN。

基于以上一些既有設(shè)計(jì)資料，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及地鐵保護(hù)要求，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為4部分：新建地上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、已建地下結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)、新建北區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、已建南區(qū)基礎(chǔ)復(fù)核。

3 地下已建部分上新建結(jié)構(gòu)

地鐵車站上加建建筑，會引起結(jié)構(gòu)荷載增加或改變，一方面，引起鄰近地鐵隧道的應(yīng)力和位移變化，影響列車的運(yùn)營安全；另一方面，導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)的承載能力受到影響，難以滿足正常使用的要求。而本項(xiàng)目南區(qū)已建部分的樁基基礎(chǔ)緊鄰地鐵，原有建筑方案為東西向的3層框架結(jié)構(gòu)，新的建筑方案修改勢必引起緊鄰地鐵的樁基基礎(chǔ)承受的荷載發(fā)生變化，同時(shí)引起鄰近地鐵隧道的土體應(yīng)力和位移變化。為了減小對地鐵隧道的影響，滿足地鐵保護(hù)相關(guān)要求，加建建筑的方案設(shè)計(jì)從以下方面控制[1-7]：

1）上部接建荷載不能過大，保證附加荷載引起的地鐵沉降在限值范圍。

2）緊鄰地鐵的樁基承載力不能超過原有承載能力，如超過需對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，這對相鄰地鐵的擾動較大，而且經(jīng)濟(jì)性差、可操作性小。

3）盡量控制上部結(jié)構(gòu)的整體剛度和整體均勻性，合理設(shè)置抗震縫。

依據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路，本項(xiàng)目采用了與普通結(jié)構(gòu)不同的設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。

圖5 已建地下部分上新建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

根據(jù)已經(jīng)施工部分樁基（圖6）可承受的反力值，反推上部結(jié)構(gòu)荷載限值，控制上部建筑接建層數(shù)，是本項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)方法。在方案修改過程中，采取縮減橫跨地鐵建筑體量、地鐵以南建筑輪廓線完全退出地鐵范圍等措施。經(jīng)過多輪結(jié)構(gòu)計(jì)算和建筑方案調(diào)整，在保證已施工樁基承載力及沉降計(jì)算值滿足要求的前提下，最終在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和建筑使用功能間找到了平衡，實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)及商業(yè)使用的目標(biāo)，如圖7所示。

圖6 已施工區(qū)域樁基

圖7 已建地鐵上新建商場最終建筑方案

4 地鐵保護(hù)區(qū)計(jì)算分析

4.1 沉降計(jì)算

本項(xiàng)目在對樁基沉降及對地鐵隧道的影響進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，采用分層地基模型，同時(shí)按同類工程地質(zhì)條件下的樁基工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。剛度系數(shù)K＝Es/h（h為孔底沉渣的厚度，Es為沉渣土壓縮模量）。K取低值10 MPa/m，Es＝2 MPa，h＝0.2 m。在計(jì)算群樁基礎(chǔ)共同作用時(shí)，樁頂荷載已知情況下，可獲得土與樁群共同作用的基本表達(dá)式。地基中任意點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力為每根樁各單元的摩阻力在該點(diǎn)處產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力的總和，采用分層總和法求地基中任意一點(diǎn)的沉降。

沉降計(jì)算考慮南區(qū)已建地下室及北區(qū)未建地下室兩部分不同的受力及施工工況。對于南區(qū)已建地下室部分，根據(jù)既有結(jié)構(gòu)樁基基礎(chǔ)承載能力，按上部加建后的結(jié)構(gòu)總荷載考慮。特別指出的是，本次新加蓋建筑施工時(shí)，將本次上部加蓋的建筑作為附加荷載去計(jì)算單樁平均荷載。已建地下室施工多年，沉降變形已穩(wěn)定，不再考慮原有地下室自重、水浮力和補(bǔ)償荷載貢獻(xiàn)。

而北區(qū)新建建筑考慮地下室可能出現(xiàn)的滲漏水情況以及基坑開挖降水后地下水位恢復(fù)較慢的情況，計(jì)算扣除相應(yīng)低水位要求下的水浮力后的平均樁頂荷載。

在本地塊內(nèi)的地鐵車站以8 m為間距，兩側(cè)各取27個(gè)計(jì)算點(diǎn)。對應(yīng)這些點(diǎn)產(chǎn)生附加沉降的預(yù)估結(jié)果，形成相應(yīng)的沉降曲線?？芍?，塔樓樁基施工后沉降對鄰近的地鐵車站下臥土層產(chǎn)生的最大附加沉降為7.8 mm。

根據(jù)附加沉降的預(yù)估結(jié)果，受工程樁基工后沉降的附加影響，地鐵車站的最小曲率半徑為22 857 m＞15 000 m，滿足控制要求。

4.2 已建結(jié)構(gòu)樁基承載力驗(yàn)算

根據(jù)樁基荷載計(jì)算結(jié)果，一期已建樁基最大單樁抗拔力為750 kN。經(jīng)驗(yàn)算，本工程一期已施工樁基抗拔承載力特征值為1 124 kN，滿足抗拔承載力要求。一期已建樁基最大單樁樁頂荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1 718 kN。經(jīng)驗(yàn)算，本工程一期已施工樁基承載力特征值為2 090 kN，滿足抗拔承載力要求。根據(jù)以上分析結(jié)果，本地塊一期樁基礎(chǔ)已施工樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 實(shí)際沉降監(jiān)測結(jié)果

從本項(xiàng)目施工開始前至竣工交付時(shí)期內(nèi)，由地鐵監(jiān)測位移變化量可以看出，現(xiàn)場實(shí)測沉降與計(jì)算較為吻合，在控制要求范圍內(nèi)。地鐵監(jiān)測未有異常情況，北區(qū)新建建筑未出現(xiàn)不均勻沉降。

5 地鐵車站與上蓋建筑連接形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目屬于典型的地鐵上蓋項(xiàng)目，地鐵車站斜穿本項(xiàng)目，將地塊的地下室分為南北2個(gè)部分。新加建結(jié)構(gòu)部分在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小上部加建結(jié)構(gòu)對原地鐵主體結(jié)構(gòu)的影響，新加建結(jié)構(gòu)不在地鐵上方立柱，而是采用與地鐵車站脫開的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即主體結(jié)構(gòu)在首層采用大跨度結(jié)構(gòu)的形式將南北區(qū)域商業(yè)連接成一個(gè)整體，同時(shí)將地鐵車站范圍內(nèi)的上部荷載通過大跨度結(jié)構(gòu)有效地傳至地鐵范圍以外的主體結(jié)構(gòu)上，并在地下1層采用平接變形縫的形式與地鐵車站脫開，此種方式避免了荷載直接施加于地鐵車站，保證了地鐵運(yùn)營安全。連接南北區(qū)商業(yè)廣場的大跨度結(jié)構(gòu)跨度為23 m，結(jié)構(gòu)與地鐵的關(guān)系見圖8。

圖8 地鐵車站與地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)關(guān)系

大跨度結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件可采用的形式有混凝土密肋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、型鋼混凝土梁、鋼與混凝土組合梁、鋼結(jié)構(gòu)桁架等。因地下室已施工完畢，若采用型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)形式，需在地鐵兩層原地下室結(jié)構(gòu)下插設(shè)置型鋼混凝土柱，而已建原結(jié)構(gòu)緊鄰地鐵，因此現(xiàn)場的實(shí)際情況對于采用此結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生很大的限制?；诖?，本項(xiàng)目進(jìn)行3種結(jié)構(gòu)形式方案的分析比較，如表2所示。

表2 大跨結(jié)構(gòu)比選

本項(xiàng)目因?qū)Φ罔F上方建筑空間使用要求較高，且大跨結(jié)構(gòu)梁下方需設(shè)置設(shè)備的綜合管線，單向密肋梁間距僅為2 800 mm，無法滿足設(shè)備管線布置要求，且影響建筑空間使用，因此單向密肋梁的方案對于本項(xiàng)目是不可行的；組合梁造價(jià)較高，且施工工藝較復(fù)雜，后期維護(hù)費(fèi)用也不低；而預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)梁能有效地降低截面高度，滿足建筑空間的使用要求，并具有較低的工程造價(jià)，因此針對本項(xiàng)目的自身特殊性，大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)梁成為最優(yōu)選擇。

6 已建地下室整體加固設(shè)計(jì)

由于方案修改，本項(xiàng)目大多數(shù)已建部分梁、柱、板的原有配筋已無法滿足加建建筑附加荷載的要求。為了保證主體結(jié)構(gòu)的安全，需要對上述構(gòu)件進(jìn)行加固。考慮經(jīng)濟(jì)性、施工便利、工期等因素，本項(xiàng)目主要采用粘貼碳纖維法、加大截面法、外包型鋼法等加固形式。

綜合各加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場施工的可操作性、工程實(shí)際情況等，本項(xiàng)目制定了已建主體結(jié)構(gòu)梁、柱加固的總體原則見表3、表4。

表3 梁加固原則匯總

表4 柱加固原則匯總

7 結(jié)語

本文通過實(shí)際既有地鐵上蓋項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例，闡述了在軟土地基地區(qū)，在已建地鐵車站上新建上蓋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、沉降計(jì)算復(fù)核、整體加固設(shè)計(jì)等，得出以下結(jié)論：

1）在既有地鐵車站上新建結(jié)構(gòu)應(yīng)區(qū)別于一般新建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，找到與既有地鐵合適的連接形式。本項(xiàng)目采用接建建筑與地鐵車站脫開的方法，減少對既有地鐵車站的影響。

2）對于地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)加建建筑，最重要的是對已建地鐵車站和隧道的保護(hù)，應(yīng)充分詳實(shí)地計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況分析沉降影響，特別是對于軟土地基地區(qū)。本項(xiàng)目采用分層總和法，有效模擬附加沉降預(yù)估，并在實(shí)測階段證明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的匹配度。

3）已建地下室的加固設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)安全可靠度、施工可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)效益等綜合因素，進(jìn)行一定程度的加固方法歸并。

綜合以上分析，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對于既有地鐵的保護(hù)要求，建筑使用功能的落實(shí)，提升了整個(gè)區(qū)域的商業(yè)價(jià)值和人流導(dǎo)入價(jià)值，是既有地鐵上蓋項(xiàng)目的典型示范，是城市發(fā)展的有效實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累。