淺析坡地地鐵高架車站的基礎設計

蘇 偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001)

高架車站是目前城市軌道交通常見的車站結構形式之一，國內地鐵高架車站建設的主流為“建橋合一”的結構體系。該結構體系建筑空間利用率高，建筑體量小，對城市道路景觀影響較小；結構整體剛度大，抗震能力較強[1-2]。為協調兩端橋梁區間變形，車站一般采用柱下承臺樁基礎，承臺間設置縱橫向聯系梁，基樁與承臺全部埋于地下。采用這種結構形式時，以基礎頂為計算嵌固端進行上部結構的受力計算，基礎結構有足夠的剛度保證柱根之間不產生相對位移，且能承受或平衡柱根彎矩。其通過提取計算結果的柱底反力驗算基礎結構，是一種比較常規且成熟的計算方法[3-5]。對于一些因特殊原因修建在坡地上的高架車站，由于場地條件不規則，導致其基礎結構形式及受力條件較復雜，故該類結構的基礎設計較為特殊。

白春成對坡地建筑的特征、構成要素、設計方法進行探討，并提出坡地建筑設計的特殊要求[6]；唐詩義對坡地建筑的基礎、擋土墻及上部結構的設計要點進行了相關研究，并提出接近工程實際的有限元軟件模擬分析方法[7]；彭玉萍針對不同的地形條件，研究了坡地建筑物支擋結構形式的區別設計[8]；吳帥，譚方進行了坡地建筑抗震特殊性的研究與分析，提出了坡地建筑抗震計算及抗震構造上的一些處理措施[9]；王博對坡地建筑平面及豎向的不規則性進行分析，研究坡地建筑的抗震加強設計及理論建模方法[10]。以上研究對坡地建筑結構設計具有很好的指導意義，但基本都是結合現狀場地條件，將坡地整塊或分層營造為平地環境后，再按照平地環境進行建筑基礎結構及上部結構的設計。針對不具備營造平地環境的坡地建筑的結構設計研究較少。

結合不具備營造平地環境的地鐵高架車站案例，對其基礎結構設計進行深入研究。具體研究目標為：充分利用既有地勢，在滿足建筑功能使用及結構安全的前提下，盡量減少土石方的開挖，避免形成臨時高邊坡的支護處理，以實現減小施工風險、節約施工成本、縮短施工工期的合理化設計目標。

1 工程概況

廈門市軌道交通4號線軟三東站為地上2層高架站，車站長137 m，有效站臺長119 m，標準段寬22.6 m，采用“建橋合一”的結構形式。車站位于現狀山坡上，東西向布置，地勢南高北低，車站北側緊鄰地鐵車輛段，南側緊鄰規劃福廈高鐵(均為同期在建工程)。車輛段位于山坡坡腳處，上蓋物業開發廣場與車站站廳層順接，福廈高鐵線路基本位于坡頂處，采用樁基礎，與車站結構外緣最近處約6 m，見圖1。

圖1 車站基礎平面

受南北側相鄰在建工程的影響，車站站址場地不具備營造平地環境的條件。應業主要求，本工程需結合地形依山就勢進行方案設計，以減少大面積土石方開挖回填及臨時高邊坡的防護處理。經統籌考慮，決定采用吊腳結構柱樁基礎，將車站首層進行架空處理，在架空層以上進行上部結構設計。基樁為φ2.0 m的鉆孔灌注樁，樁身自上而下穿過雜填土、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖，樁底持力層為中風化花崗巖，見圖2。

圖2 車站剖面

2 結構方案

本工程設計使用年限為100年，結構安全等級為一級，基礎設計等級為甲級，抗震設防烈度為7度，為重點設防類建筑物。依據相關規范，本工程抗震等級為二級，但該車站為坡地建筑物，受力邊界條件復雜，車站框架抗震等級應提高至一級。

如圖2，多數基樁埋在土體中，少數基樁部分樁身露出土體以外。這種露樁基礎可能會導致露出土體外的樁形成短柱，或在缺乏土體約束時，計算長度增加。根據以往工程經驗，選擇吊腳結構柱樁基礎體系時，地震工況下，地面以上的樁身往往出現較嚴重的破壞。因此，除考慮坡地建筑結構設計的特殊性外，還應重視樁基礎地震工況下的強度及延性設計，主要考慮以下幾個方面。

(1)本工程場地高程變化較大，且緊鄰同期在建工程。因此，建筑結構方案應充分利用既有地形，避免大體量開挖及臨時高邊坡的產生。同時，應結合地勘資料對場地穩定性進行評估。

(2)本工程采用吊腳結構柱樁基礎體系，利用柱下樁基將坡地架空成平臺后再在其上修建建筑物。吊腳基礎結構缺少土體約束，整體剛度較小，應加強吊腳結構的整體剛度設計，避免形成薄弱層，并滿足上部結構柱底作為嵌固端的計算假定。

(3)車站基礎部分樁身露在土體以上，坡地環境削弱了土體對樁基的約束。因此，應將樁基視為框架柱結構，重視其在地震工況下的強度及延性設計，并研究框架柱設計的樁身長度范圍。

(4)樁基應穿透邊坡滑裂面，并保證足夠的嵌固深度及抗剪強度。

3 結構處理措施

3.1 邊坡處理

地鐵車站位于現狀坡地上，地鐵車輛段位于坡腳處。為避免邊坡失穩，引起崩塌、滑坡等地質災害，需進行削坡設計，以形成永久邊坡，邊坡的使用年限不得低于周邊建筑物的使用年限。擬建場地未發現滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，現狀地質災害危害性小。結合車站基礎及建筑布置方案，采用“兩級放坡預留平臺+直立式重力式擋墻(護腳墻)+截排水系統”的綜合支護方案，平臺及坡面采用M10漿砌片石護面，見圖3。

圖3 邊坡設計剖面(單位：m)

依據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)，采用圓弧滑動法計算邊坡滑動安全系數，利用理正巖土6.5 PB2軟件進行驗算，邊坡滑動安全系數為1.72，滿足規范規定的一級永久邊坡穩定安全系數不小于1.35的要求，邊坡穩定性滿足規范要求。

3.2 計算嵌固端的確定

嵌固端為上部建筑的錨固位置，即基礎與上部結構的剛性連接點，是結構內力分析時柱底為固端的假定。對于一般工程，選擇基礎頂為嵌固端。

為保證基礎整體剛度，在樁頂兩個互相垂直的方向上設置聯系梁，同時考慮樁周土體對基礎的約束，上部結構內力分析計算選擇基礎頂部(假定嵌固端)，見圖4。因車站部分樁基結構露出土體，缺少土體約束，樁頂具有一定的位移，選擇樁基頂部作為計算嵌固端時，上部結構偏于安全，下部結構偏于不安全。因此，在驗算樁基時采用Midas Gen，將上部結構與樁基結構進行整體建模分析，以車站北側相鄰的車輛段場地高程作為模擬地面線(見圖4)，地面線以上樁身不考慮土體約束作用，地面線以下樁土間的作用通過節點彈性支承進行土彈簧模擬。本工程樁基為嵌巖樁，樁底采用一般支承進行平動約束，見圖5。

圖4 計算嵌固端及模擬地面線

圖5 整體模型

本工程建設場地環境比較復雜，且現場涉及三項工程交叉施工，后期山體邊坡設計方案與實際竣工成型方案有可能不符。因此，本工程按高樁模擬計算(不考慮模擬地面線以上土彈簧作用)。

3.3 樁基受力計算

由Midas Gen建立車站上部及下部基礎結構整體模型，計算模型如圖5所示。

樁基按每延米分段，采用Midas梁單元進行模擬，材料為C35混凝土，截面采用“數據庫/用戶”實腹圓形截面，直徑為2 000 mm。樁基地彈簧的模擬采用“節點彈性支承”，類型選擇為“線性”(模擬多向受壓)，輸入水平向和豎向地彈簧剛度。樁底采用一般彈性支承。

依據《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB 50909—2014)附錄B，樁側水平地基彈簧初設剛度為

kh=KhDΔl

(1)

式中kh——樁側水平地基彈簧初設剛度/(kN/m)；

Kh——樁側水平基床系數/(kN/m3)；

Δl——水平彈簧剛度計算范圍內樁長度/m；

D——樁的直徑或寬度/m。

樁身分別穿越殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖及中風化花崗巖，按照地勘提供的樁側水平基床系數，分別計算各段巖土體樁側水平地基彈簧初始剛度，并通過模型節點彈性支承，進行土彈簧模擬。

本工點場區抗震設防烈度為7度，設計地震加速度值為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，設計地震分組為第三組，建筑場地類別屬于Ⅱ類。按承載力極限狀態法進行計算，圖6、圖7、圖8所示為各組合下最不利包絡內力值。

圖6 Nmax最大軸力

圖7 Vmax最大剪力

圖8 Mmax最大彎矩

由圖6～圖8可知，樁基主要彎矩及剪力區域位于樁頂至模擬地面線以下10 m范圍內。此段樁身按照框架柱設計，其中，Nmax=20 073 kN、Vmax=3 775 kN、Mmax=19 341 kN·m。經驗算，樁基需配置38束φ28 mm雙并主筋，主筋外側設置φ12 mm螺旋箍筋，內側布置φ14 mm復合箍筋。樁頂至模擬地面線以下10 m范圍外的樁身按樁基構造配筋，并設置一段配筋過渡段。過渡段樁基配置38根φ28 mm主筋，主筋外側設置φ12 mm螺旋箍筋，取消復合箍筋。過渡段外樁基配置19根φ28 mm主筋，主筋外側設置φ12 mm螺旋箍筋，見圖9。

圖9 樁基配筋

3.4 樁基嵌固深度

本工程坐落于永久邊坡上，為保證車站基礎的穩定性，樁基需穿透邊坡滑裂面。在發生滑坡的特殊工況下，樁基有可能首先發揮抗滑樁的作用。因此，要保證樁基具有足夠的抗剪強度。

采用漿砌片石永久支護邊坡，兩級放坡，通過分析邊坡最不利滑裂面及下滑力，對樁基深度及樁基抗剪進行驗算。

如圖10，計算結果顯示，邊坡最不利滑動圓心為(6.368，30.513) m，滑動半徑為34.46 m，總的下滑力為2 986 kN，可知邊坡最不利滑裂面的最深處位于樁基計算模擬地面線以下3.95 m(均穿透邊坡滑裂面)。

圖10 邊坡最不利滑裂面(單位：m)

假設地震工況下邊坡按最不利滑裂面發生滑坡，車站范圍內樁基周邊土體抗滑力優先由車站樁基抵抗，不考慮其余抗滑力。考慮樁側阻土體效應，樁基按照抵抗2倍樁徑寬度土條下滑力進行驗算。邊坡水平投影長度為41.5 m，車站基礎布置范圍水平投影長度為27.5 m，可等效簡化計算出車站單根樁基承擔的抗滑力為1 979 kN。地震工況下，樁基同時承受上部結構荷載傳遞的剪力(3 775 kN)，樁身最大剪力值為5 754 kN。

根據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)條， 圓形截面按照等效慣性矩方柱計算:b=1.76×r=1.76×1=1.760 m，h0=1.6×r=1.60×1=1.6 m。依據“混凝土規范”式11.3.3及11.4.7，樁基截面尺寸及配筋構造均滿足抗剪要求。

4 結束語

通過對廈門軌道交通軟三東站結構設計的深入分析，對不具備營造平地環境(或為減少土石方量)的坡地地鐵高架站，其基礎方案可采取柱與樁直接連接的柱樁基礎，設計過程中要重視以下幾點。

(1)在未經“營造局部平地”的坡地環境，要采取措施保證坡體及建筑物的整體穩定。

(2)車站上部結構應盡量采用規則布置，并加強下部基礎的整體剛度設計。

(3)對于車站的樁基礎，由于周邊土體約束條件的不同，實際工程中會發生水平位移，并可能承受較大的地震力。因此，應加強樁基礎的抗震設計。

(4)車站樁基礎要保證足夠的嵌入深度及抗剪強度，以滿足整體穩定性的要求。