考慮地鐵下穿影響的基礎(chǔ)分析與設(shè)計

黃晨，王秀泉，黃子貺

（中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

隨著軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展， 各大城市地下空間的立體骨架正在逐步形成。 關(guān)于地鐵下穿施工，較多研究成果[1-3]關(guān)注地鐵線路間的下穿和跨越， 或是隧道與主體建筑共建的項目研究。 隨著城市土地資源日趨緊張，城市密集建筑群逐漸成形， 軌道交通地下空間與既有或新建建筑的空間關(guān)系變得更加復(fù)雜， 城市建筑中預(yù)留地鐵開發(fā)可能性的項目也會越來越多。 本文結(jié)合項目實例，研究未來城市建筑與地鐵建設(shè)的新發(fā)展關(guān)系的優(yōu)化處理。

2 工程概況

本工程地上建筑包含辦公、酒店和劇場，地下車庫共有3 層，主要功能為車庫，設(shè)備用房，酒店的宴會廳。 地下室1 層4 m，地下2 層4.5 m，地下3 層4.5 m。 其中，地下室部分有地鐵從地下3 層穿越，地鐵隧道待地下室施工完成后實施。 地下室剖面如圖1 所示。

圖1 地下室剖面

3 場地條件及相關(guān)設(shè)計要求

3.1 場地條件

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，本地區(qū)Ⅲ類場地基本地震動峰值加速度為0.10g，抗震設(shè)防烈度為7 度，所屬的設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s。 據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，年均變化幅度值約1.0～1.5 m。 因此，本工程地下室永久性抗浮設(shè)防水位，按本工程建成后室外地坪標(biāo)高下0.5 m 考慮。

3.2 地鐵隧道上方結(jié)構(gòu)要求

本地塊下方規(guī)劃地鐵穿越長度約為111 m，線間距為12 m，穿越方式為盾構(gòu)法施工。 結(jié)合DB33/T 1119—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》[4]的要求，地鐵主管部門對本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計施工提出了以下3 點建議。

1）區(qū)間隧道尺寸及保護范圍：地鐵盾構(gòu)隧道一般為內(nèi)徑為5.5 m，外徑6.2 m。 考慮到地鐵施工的安全性，盾構(gòu)兩側(cè)需設(shè)置2 m 的保護空間，盾構(gòu)上方需設(shè)置3 m 的保護空間。

2）隧道上方結(jié)構(gòu)變形量：為保證結(jié)構(gòu)不對地鐵隧道產(chǎn)生附加壓力， 要求位于地鐵隧道上方的底板最大變形量不大于20 mm。

3）隧道通過范圍的圍護設(shè)計要求：鑒于盾構(gòu)隧道掘進的局限性，推薦隧道通過的區(qū)域，圍護結(jié)構(gòu)采用工法樁，地下室結(jié)構(gòu)施工完后，將型鋼拔除。

4 跨越地鐵隧道段底板分析

4.1 隧道上方基礎(chǔ)設(shè)計

據(jù)場地工程地質(zhì)條件和本工程的特點， 本工程地鐵隧道兩側(cè)采用3 排直徑為1 m 的大直徑樁， 樁端進入11-3 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖≥1 m。 地鐵隧道區(qū)域樁位布置圖如圖2 所示?？紤]到盾構(gòu)施工中對周邊土體的擾動， 樁承載力計算中不計入樁頭10 m 高度范圍的樁側(cè)摩阻力。 兩條盾構(gòu)間的大直徑密布樁樁間距控制在3 m 以內(nèi)，盾構(gòu)外側(cè)大直徑密布樁間距控制在5 m 以內(nèi)，樁頂設(shè)置2 m（寬）×2 m（高，含底板厚）的條形基礎(chǔ)，增強樁頂穩(wěn)定性。 同時，整個隧道區(qū)間設(shè)置1.3 m 厚轉(zhuǎn)換底板跨越。 經(jīng)測算，盾構(gòu)隧道外圍與最小凈距約為3.4 m，底板底與隧道頂?shù)淖钚【嚯x約為3.1 m＞3 m，滿足地鐵公司要求。

圖2 地鐵隧道區(qū)域樁位布置圖

4.2 隧道上方底板計算分析結(jié)果

根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)結(jié)構(gòu)跨越地鐵隧道時，需要由基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)進行托換。 托換形式根據(jù)上部結(jié)構(gòu)、隧道走向及兩者的關(guān)系選擇厚板樁筏式托換基礎(chǔ)或者柱下梁式托換基礎(chǔ)。 結(jié)合本工程特點：首先，結(jié)構(gòu)跨越軌道隧道的跨度較大，沿隧道線兩側(cè)各布置1 排樁基，支承樁跨度約16～20 m；其次，底板以上有2 層地下室，局部地上有裙房，結(jié)構(gòu)剛度較好，可利用底板與上部結(jié)構(gòu)共同作用以減少變形。 綜上兩點，本項目中地鐵隧道上方采用了1.3 m 厚的厚板樁筏式托換基礎(chǔ)。

與傳力明確的柱下梁式托換基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比， 厚板樁筏式托換基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)沒有明確的對應(yīng)關(guān)系， 需要通過更為精細(xì)的模型進行分析。 為了確保工程的安全并更準(zhǔn)確地控制其變形對地鐵隧道的影響，采用MIDAS/Gen 有限元分析軟件采用地下室整體模型對托換厚板進行分析。 分析模型如圖3 所示，分析中考慮了與厚板相鄰底板的影響。 為了簡化模型，將厚板下的間距較密的嵌巖大直徑樁簡化為等剛度的底部嵌固柱。

圖3 地下室整體模型

由于托換厚板下采用直徑1 m 的嵌巖樁，持力層與嵌巖樁都具有非常大的剛度，根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[5]計算，板下樁基最大沉降s 為8 mm，樁基變形se為3.5 mm。

分析時考慮承壓和抗浮兩種工況 （將水浮力歸為活載工況）：工況一為承壓工況下考慮有利低水位的作用，工況二為抗浮工況。 底板變形云圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 工況一最大豎向撓度云圖

圖5 工況二最大豎向撓度云圖

由圖4、圖5 可知，工況一最大撓度為-2.4 mm（向下）；工況二最大變形4.1 mm（向上）。

由上述兩個工況的計算結(jié)果可以看出， 在不考慮樁基變形與沉降的情況下底板最大撓度約為2.4 mm。 結(jié)合前文中樁基的沉降與變形之和最大值為11.5 mm，因此，底板總變形量為13.9 mm， 能滿足地鐵公司提出的變形量小于20 mm 的要求。

恒+ 活工況為控制工況，最大正彎矩與最大變形發(fā)生在中部最大跨度處，而最大負(fù)彎矩則發(fā)生在兩條隧道中間的嵌巖樁頂支座處。 表1 列舉了托換厚板中心設(shè)排樁和不設(shè)排樁兩個方案的板計算結(jié)果， 可以看出設(shè)排樁方案中板底彎矩一部分轉(zhuǎn)移到中間支承樁頂支座成為負(fù)彎矩， 使得托換厚板可在兩跨樁基之間連續(xù)受力，大大改善了托換厚板的受力狀態(tài)。

表1 托換厚板中心設(shè)排樁和不設(shè)排樁計算結(jié)果比對

5 結(jié)論

本文通過分析項目的實際情況，結(jié)合地鐵公司的要求，進行了某項目地鐵下穿基礎(chǔ)的設(shè)計， 并采用Midas/Gen 對地鐵隧道上方的大跨厚板進行了有限元分析，得到以下結(jié)論：

1）本項目的基礎(chǔ)布置及托換方式滿足地鐵公司提出的相關(guān)間距要求。

2）底板總變形量為13.9 mm，能滿足地鐵公司提出的變形量小于20 mm 的要求。

3） 跨越多條地鐵隧道時在隧道之間增設(shè)支承樁基礎(chǔ)，既能有效減小結(jié)構(gòu)的跨越跨度，又能形成連續(xù)托換結(jié)構(gòu)，對托換結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有很大改善。