地鐵上蓋建筑的設計實例與地鐵保護分析

黃 濱

(福州市建筑設計院 福建福州 350001)

0 引言

福州地鐵1 號線位于城市中央發展主軸，是福州市軌道交通骨架網的核心線路，是福州市區南北交通的主要通道。線路全長29.2km，設24個站。其中樹兜站～屏山站區間采用盾構法施工，隧道下穿原省農業廳宿舍，考慮到該宿舍建筑年代較早，結構安全度不高，施工過程中予以拆除，擬于地鐵隧道施工完畢后進行復建。

然后，對軌道交通結構的保護是地鐵上蓋建筑設計區別于普通建筑設計的核心內容，設計時必須引起高度重視。基于此，本文以原省農業廳宿舍在地鐵上方復建工程為例，分析其對地鐵保護的上蓋建筑設計。

1 概況

1.1 工程概況

地鐵1 號線區間隧道下穿原省農業廳宿舍段，線路長度約110m，設計為兩座單線隧道，盾構法施工，圓形斷面，復合式襯砌。其中內輪廓直徑5.5m，設計結構外徑6.2m。該段兩座盾構法隧道結構凈距5.4m，隧道埋深23m左右，隧道所在地層為中風化花崗巖，上覆強風化花崗巖及殘積層、雜填土。

原省農業廳舊改項目位于福州市鼓樓區鼓屏路與華林路交叉口，整個工程征地面積約9578m2，總建筑面積約27 557m2，由4棟6-16層住宅及1-2層配套用房組成，其中2#、3#樓位置設一層(局部兩層)連體地下室。該工程的1#樓、4#樓及地下室西北角位于地鐵軌行區正上方，其中1#樓基礎底面最低標高11.3m(羅零高程，下同)，地鐵軌道洞頂最高標高-4.0m，最小間距15.3m；4#樓基礎底面最低標高13.4m，地鐵軌道洞頂最高標高-3.0m，最小間距16.5m；地下車庫基礎底面最低標高為12.7m,地鐵軌道洞頂最高標高-3.0m，最小間距15.7m。該工程基坑開挖面積約為3850m2，基坑開挖深度約為2.7～10.6m，地下室頂板覆土0.8m～2.1m。

該舊改項目建筑結構型式如表1所示；地鐵區間隧道與該舊改項目平面位置關系圖如圖1所示；地鐵區間隧道與該舊改項目地下結構橫剖面位置關系圖如圖2所示；該舊改項目上部結構對地鐵結構影響等級如表2所示。

表1 該舊改項目建筑結構型式一覽表

圖2 地鐵區間隧道地質縱斷面及與項目地下結構橫剖面位置關系圖

表2 該舊改項目上部結構對地鐵結構影響等級一覽表

1.2 工程地質條件

根據鉆探揭露，綜合土工試驗，原位測試成果，將場地巖土層劃分為7個工程地質主層和若干個亞層，自上而下分為：

①雜填土：以建筑垃圾為主，均勻性差，全場分布，層厚0.60m～5.20m，層頂標高16.15m～22.98m。

②粘土(局部為粉質粘土)：可塑，以粘性土為主，層厚0.60m～4.50m，層頂標高14.07m～16.06m。

③殘積粘性土(局部為殘積砂質粘性土)：可塑，粘性土為主，層厚0.80m～6.20m，層頂標高10.61m～20.95m。

④全風化花崗巖：花崗結構，塊狀構造，母巖已風化，巖芯以砂土狀為主，層厚3.90m～9.10m，層頂標高9.96m～22.29m。④1全風化花崗斑巖：花崗斑狀結構，塊狀構造，母巖已風化，巖芯以土狀為主，層厚2.30m～7.40m，層頂標高8.99m～13.47m。

⑤砂土狀強風化花崗巖：硬塑，花崗結構，塊狀構造，母巖已風化，巖芯以砂土狀為主，層厚2.60m～11.90m，層頂標高5.54m～15.79m。

⑤1砂土狀強風化花崗斑巖：硬塑，花崗斑狀結構，塊狀構造，母巖已風化，巖芯以土狀、砂土狀為主，層厚4.10m～11.10m，層頂標高5.71m～11.17m。

⑥碎塊狀強風化花崗巖：花崗結構，塊狀構造，母巖為花崗巖，原巖結構清晰可辨，巖芯以碎塊狀為主，揭示厚度0.70m～5.00m，層頂標高0.04m～10.52m。⑥1碎塊狀強風化花崗斑巖：花崗斑狀結構，塊狀構造，母巖為花崗斑巖，原巖結構清晰可辨，巖芯以碎塊狀為主，揭示厚度0.70m～7.00m，層頂標高-0.16m～6.35m。

⑦中風化花崗巖：花崗結構，塊狀構造，巖芯以柱狀為主。裂隙發育程度極發育～一般發育。該層巖面變化大，RQD為30.8-100.0，巖石堅硬程度為堅硬巖，巖體完整-較破碎，巖體基本質量等級為Ⅰ-Ⅲ級，揭示厚度1.18m-8.13m，層頂標高-1.49m～9.32m。⑦1中風化花崗斑巖：花崗斑狀結構，塊狀構造，巖芯以短柱狀、柱狀為主。裂隙發育程度極發育～一般發育。該層巖面變化大， RQD為26.9～100.0，巖石堅硬程度為堅硬巖，巖體完整-較破碎，巖體基本質量等級為Ⅰ-Ⅲ級，揭示厚度1.78m-5.93m，層頂標高-1.61～0.23m。

場地隧道沿線地質縱斷面圖如圖3所示。

地鐵1號線區間隧道下穿原省農業廳宿舍段地質縱斷面及與項目地下結構橫剖面位置關系(圖2)，該剖面的土層編號為該段地鐵巖土工程勘察報告中的土層編號。該段隧道主要位于中等風化花崗巖中。

1.3 城市軌道交通結構安全控制指標

該項目屬于地鐵上蓋建筑，需滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[1](CJJ/T202-2013)的要求，具體指標如表3所示。

表3 城市軌道交通結構安全控制指標值

1.4 該工程潛在風險及其解決方法

該項目對地鐵隧道的影響主要體現為：①基坑開挖對下方地鐵隧道結構的不利影響；②上部結構施工及永久使用荷載對下方地鐵隧道結構的不利影響。

為確保該項目基坑及上部結構施工和永久使用期間其下方地鐵隧道的結構安全，確保地鐵的正常運營，采取措施如下：

(1)基坑施工遵循分區、分塊、分層、對稱、限時原則，盡量避免在地鐵隧道正上方進行大面積開挖卸載，必要時在地鐵隧道上方堆載反壓，以減小豎向卸載誘發下方隧道的不利影響。

(2)基坑施工過程加強基坑自身結構及周邊環境的相關監測工作。

(3)鑒于下方地鐵隧道結構已修建，基坑施工前應針對下方地鐵隧道的結構現狀開展相關調查和分析，以掌握地鐵隧道的結構現狀。

(4)上部結構施工和永久使用階段，考慮到地鐵運營期無法采用人工監控量測，采用遠程自動化監測系統對既有的結構和軌道變形進行實時監測。

2 建筑地基基礎設計

為滿足城市軌道交通結構安全控制指標中地鐵軌道結構外壁附加荷載不大于20kPa及隧道位移<10mm的要求，1#樓與4#樓均采用筏板基礎及柱下獨立基礎，并增設結構地下室，替代室內填土、增加基礎埋置深度，以減少基底壓力及基礎沉降。1#樓基礎底面最低標高11.3m，地鐵軌道洞頂最高標高-4.0m，最小間距15.3m；4#樓基礎底面最低標高13.4m，地鐵軌道洞頂最高標高-3.0m，最小間距16.5m；兩棟樓基礎底面與地鐵軌道洞頂間距均大于15m，在對擬新建建筑對地鐵區間隧道的影響分析時，上部荷載采用考慮了施工模擬及后期使用加載的包絡值，附加應力和附加壓縮量的計算范圍取為新建建筑基礎底面以下15m內(即不需要考慮地鐵空間型式對荷載傳遞的影響)，并以滿足控制指標為目標。

1#樓基礎布置與地鐵走向平面關系圖(圖4)，4#樓基礎布置與地鐵走向平面關系圖(圖5)，根據《建筑地基基礎設計規范》[2](GB50007-2011)，1#樓按修正的分層總和法計算，結果見表4，4#樓按修正的分層總和法計算結果見表5。

圖4 1#樓基礎布置與地鐵走向平面關系圖

圖5 4#樓基礎布置與地鐵走向平面關系圖

表4 1#樓按修正的分層總和法計算結果

表5 24#樓按修正的分層總和法計算結果

這表明1#樓上部結構永久使用階段對隧道外側壁引起的附加荷載小于20kPa，可能引起隧道的最大豎向位移遠小于10mm。

這表明4#樓上部結構永久使用階段對隧道外側壁引起的附加荷載小于20kPa，可能引起隧道的最大豎向位移遠小于10mm。

3 地下洞室理論分析

普氏山壓理論[3]是1907 年普羅托季亞科諾夫提出的圍巖壓力的一種計算方法，即用平衡拱理論來確定圍巖壓力。該理論認為，所有地層都可視為具有一定粘結力的“松散介質”，引入了似摩擦系數fm的概念。假定巖體為不具黏聚力的松散體，洞室開挖之后就會形成壓力拱。洞室開挖對壓力拱以上的巖體沒有擾動，而壓力拱以下的巖體則將松動，以致塌落，如圖6所示。

圖6 普氏壓力拱理論示意圖

同理，1926 年，俄羅斯學者提出，壓力拱以上的巖體對洞室沒有作用，一般在松散，破碎圍巖中較為適用。該理論至今仍在礦山開采業和勘探掘進中得到廣泛應用，其公式如下。

fm=kr·f

其中,a——洞室的毛跨度；

h——洞室的凈高度；

φ0——巖體的計算摩擦角；

fm——巖體特征普氏系數；

f——巖石的堅固系數；

kr——考慮地質條件的折減系數，一般情況下kr<1.0。

根據經驗，Ⅲ級中風化花崗巖fm一般取8～10，本文修正后減去5，計算摩擦角取42°，計算得h1=1.5m。

根據該理論，地鐵隧道1.5m 以上為壓力拱線，其上巖體不受隧道開挖擾動，同樣，上部荷載不傳遞到隧道上。由于該項目地下空間底板距離隧道最小距離在15.3m 左右，隧道上方巖層厚度不小于3.5m，相當于隧道上方的巖層保護厚度不小于2.0m，壓力拱上部基坑施工及上部結構永久使用階段對隧道外側壁引起的附加荷載，對隧道基本無影響。

開挖洞室以后，由于支護或拱圈向坑道內部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，而拱頂土柱的下沉，將帶動兩側三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。當隧道埋深足夠深時，地層對下沉柱體產生的摩擦力足以維持柱體及柱體上方荷載，該深度極為隧道深埋臨界值，此時隧道上面的荷載對隧道結構不再造成影響。該巖柱理論詳見圖7。

圖7 巖柱理論示意圖

我國鐵路建設根據該理論，并根據成昆、貴昆、川黔等鐵路共127 座單線隧道的417 個施工坍方資料，總結了隧道深埋臨界值計算公式：

h1=2×0.45×2s-1×ω

式中：ω=1+i(B-5)

B——洞室開挖毛跨度；

S——鐵路圍巖分級，如屬Ⅴ級圍巖，則S=5；Ⅲ級圍巖，則S=3；

i——以B=5m的圍巖垂直勻布壓力為準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當B<5m，取i=0.2，當B>5m，取i=0.1。

根據巖柱理論[3]，地鐵1號線區間隧道過該項目地下空間段圍巖判為Ⅲ級，隧洞開挖寬度6.2m，計算隧道深埋臨界值為4.0m。根據鐵路行業經驗，該隧道為深埋隧道，考慮基坑開挖，隧道仍有15m 的安全覆巖土層厚度，基坑施工及上部結構永久使用階段，對隧道外側壁引起的附加荷載對其影響甚微。

4 數值模擬分析

該項目采用大型有限元計算軟件abaqus模擬基坑開挖及上部結構建設的動態施工過程，給出了整個計算域在不同施工階段的應力變形情況。為了減少開挖邊界效應，合理的模型寬度一般取基坑開挖寬度和長度的 3～5 倍范圍。本模型長度為(x方向)為192m，寬度(y方向)為163m，高度(z方向)為33.2～44m。土體采用C3D4實體單元模擬，支護樁按剛度等效原則簡化為地下連續墻，采用S3殼單元模擬，土釘及錨索采用T3D2桿單元模擬，隧道襯砌采用S3殼單元模擬。本次模擬共分為4個部分：

(1)導入初始地應力得到應力場分布，并進行地應力平衡。

(2)加入隧道襯砌，模擬隧道開挖。

(3)加入支護體系并進行基坑開挖。基坑開挖共分為3個部分，開挖順序為：①部分、②部分及③部分。土方分塊如圖8所示。

(4)上部結構施工，共分為4個工況，(工況1：1#地下部分加載完畢；工況2：地下室部分加載完畢，1#、4#加載至二層；工況3：4#加載完畢，1#加載至6層；工況4：所有樓棟全部加載)，如圖9所示。

圖9 上部結構施工加載示意圖

4.1 隧道開挖對地層變形影響

隧道支護及開挖完成后，土體的豎向位移最大值在隧道底部，約為2.25mm，頂部豎向位移為-0.06mm。土層水平位移受隧道開挖影響相對較小，小于1mm。襯砌豎向位移最大值在隧道底部，其隆起變形更明顯一些，約為2.15mm，頂部豎向位移為-0.6mm。水平向最大位移量0.94mm。隧道開挖是一個應力釋放的過程，會造成隧道周圍地層應力重分布。隧道開挖后，豎向應力最大值為615kPa，最小值為210.5kPa。

4.2 基坑開挖對隧道影響

基坑開挖塊①后，土體的豎向位移最大值在開挖部分的基坑底部，約為3.58mm。襯砌的最大豎向位移為2.24mm，與開挖前最大值2.15mm相比，變化不明顯，增加了0.09mm。水平向最大位移量為1.1mm，比開挖前0.94mm增加0.16mm。基坑開挖塊②后，土體的豎向位移最大值約為5.83mm。襯砌的最大豎向位移為2.33mm，增加了0.09mm。水平向最大位移量為1.52mm，增加0.42mm。基坑開挖塊③后，土體的基坑隆起計算最大值約為11.75mm。襯砌的最大豎向位移為2.92mm，增加了0.59mm。水平向最大位移量為2.7mm，增加1.18mm。基坑開挖過程，隧道周邊土體豎向應力無明顯變化，基坑開挖引起的附加荷載小于20kPa。

4.3 上部結構施工和永久使用階段對隧道影響

上部結構施工按加載工況1施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為11.77mm。襯砌的最大豎向位移為2.71，減少了0.21mm。水平向最大位移量為2.67mm，減少了0.03mm。按加載工況2施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.09mm。襯砌的最大豎向位移為2.19mm，減少了0.52mm。水平向最大位移量為2.08mm，減少了0.59mm。按加載工況3施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.12mm。襯砌的最大豎向位移為2.1mm，減少了0.09mm。水平向最大位移量為2.06mm，減少了0.02mm。加載工況4施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.13mm。襯砌的最大豎向位移為2.1mm，最大值沒有變化。水平向最大位移量為2.03mm，減少了0.03mm。上部結構施工和永久使用階段隧道周邊土體豎向應力無明顯變化，上部結構施工和永久使用階段引起的附加荷載小于20kPa。

4.4 數值模擬分析主要結論

基坑開挖與上部結構施工及永久使用階段，對下方地鐵盾構隧道影響的三維模擬分析結果顯示：基坑開挖及上部結構建設引起隧道的最大豎向位移為2.92mm ，最大水平位移為2.7mm ；對隧道外側壁引起的附加荷載均小于20kPa。表明基坑開挖與上部結構施工及永久使用階段對下方地鐵盾構隧道的影響較小；深基坑及上部結構施工和永久使用階段，不危及下方地鐵隧道的結構安全，不影響地鐵的正常運營。

5 地鐵隧道監測結果

該區間地鐵隧道施工選用復合式盾構，盾構掘進范圍內地基土，主要為散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖等巖層。在地鐵沿線均設置有監測點。該項目施工全過程，地鐵均在運營；施工期間，該區間的部分監測數據如圖9～圖10所示。由圖9～圖10可見，地鐵隧道結構位移和本文數值模擬分析基本吻合，處于運營狀態的地鐵隧道結構變形滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[1](CJJ/T202-2013)，處于安全狀態。

圖10 上行線拱頂沉降監測數據

圖11 下行線拱頂沉降監測數據

6 結語

地鐵上蓋建筑作為一種特殊的建筑存在著，它雖然數量不多，但涉及到城市軌道交通結構的安全，設計時必須認真對待。對軌道交通結構的保護是地鐵上蓋建筑設計區別于普通建筑設計的核心內容。綜合該項目場地的巖土工程勘察報告和地鐵隧道結構周邊地層的工程地質資料分析，地鐵隧道位于中風化花崗巖地層中，與上部基坑底凈距大于15m，有利于控制上方基坑開挖卸載和上部結構施工，以及控制永久使用階段加載對地鐵隧道結構受力和變形的不利影響。

為滿足城市軌道交通結構安全控制指標的要求，該項目地鐵隧道上方基坑支護、上部結構及基礎設計、施工均采取了合理有效的措施。結合洞室普氏壓力拱理論、巖柱理論及三維數值模擬分析，在該工程地質條件下，地鐵區間隧道與基坑底之間有足夠的安全覆巖厚度，地下空間基坑開挖與上部結構施工及永久使用階段對隧道影響小，深基坑及上部結構施工和永久使用階段不危及下方地鐵隧道的結構安全，不影響地鐵的正常運營。

目前，該項目已竣工驗收，在項目施工全過程，地鐵均在運營期，根據監測數據，地鐵隧道結構位移和本文數值模擬分析基本吻合，地鐵隧道結構處于安全狀態。