某鄰近大橋保護區地下結構設計

張功義

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

本文研究的項目是臨近大橋保護區的地下綜合空間，其功能集地下車庫、商業、劇場、下沉式綠化廣場等；而且臨近大橋等復雜城市環境，基坑對大橋的變形影響預測顯得尤其重要。

1 項目概況

該項目作為世界技能博物館配套項目。位于楊浦區濱江南段區域，基地周邊涉及寧國路輪渡站、四條城市道路、已建成的濱江步道及楊浦大橋。地下兩層，面積建筑約20000m2。地下一層層高6m，主要功能為停車庫、商業、劇場、下沉式綠化廣場等；地下二層層高4.9m，主要功能為停車庫、設備中心等；室外景觀呈坡地效果，主要設置工業涼亭等構筑物。

2 地下結構設計要點

2.1 主體結構設計要點

為滿足建筑裝修效果統一及方便將來功能改造，采用單向主次梁樓蓋是較為經濟合理的。

為滿足建筑眾多復雜功能、設備房間凈高要求及景觀坡地效果的營造，頂板存在較多高低起伏。采用盈建科軟件進行真實標高建模計算分析，并嚴格按各區域覆土荷載取值。

對于高差處，框架柱形成短柱錯層柱，箍筋須沿全高全段加密；框架梁須根據實際支座是否連續進行配筋設計；頂板錯層板、大洞口周圍板須加強配筋，滿足0.25%配筋率。

2.2 樁基工程設計要點

從受力情況分析，根據項目規模及基底埋深（約11m），結合地質情況，基底主要承受浮力作用，基礎擬采用樁基礎。

從環境條件分析，地下室外墻距楊浦大橋橋墩基礎外側最近距離約69m。根據市政行業標準，對于不同的成樁方法，特大橋安全保護距離也不同，擠土樁為80m，非擠土樁為40m[1]。而鉆孔灌注樁常見的非擠土樁，本工程可以采用，并將樁基設計等級提高到甲級，可以滿足大橋保護要求。

3 劇場雙曲屋蓋分析

3.1 結構選型與布置

劇場屋蓋選型綜合考慮使用凈高要求、建筑對頂棚造型要求、營造坡地景觀效果、結構受力、耐久性及施工難易等因素，設計成鋼筋混凝土密肋雙曲拱形屋蓋體系（見圖1）。東西向跨度為23.2m，東西向頂板高差為1.2m；南北向為4 跨8.4m 柱網，南北向頂板高差為0.5m。矢高在1.2~1.7m 之間變化。

圖1 劇場雙曲頂蓋軸側圖

框架柱截面為1000mm×900mm，大跨度方向框架梁及密肋梁截面為500mm×1600mm，南北向框架邊梁截面為700mm×1700mm；密肋梁間距為2.1m，屋面板厚為250mm。

3.2 結構整體計算

考慮到劇場位于地下，受地震力影響較小，且雙曲屋蓋失高較小，結構整體計算時，曲面屋蓋簡化為平屋蓋建模。頂板覆土恒載取值18kN/m2，頂棚設備吊掛等活載取值8~10kN/m2。

3.3 屋蓋計算模型

劇場屋蓋形式較為復雜，傳統逐層建模方式的計算軟件無法真實模型屋蓋的受力情況。因此，采用盈建科空間結構計算模塊，將上述三維頂蓋模型導入，屋面板采用彈性板，框架梁柱均采用實體單元模擬，分析屋蓋結構的整體變形、受力情況及水平推力對框架柱受力的影響。

3.4 屋蓋結構分析結果

屋蓋結構空間模型的撓度分析結果見圖2，屋蓋撓度最大位置在跨中靠近邊界處，撓度最大值為19.5mm，撓跨比約為1/1200，屋面的撓度變形較小。而按平屋蓋簡化計算的最大撓度卻達到123.5mm，撓跨比約為1/189，大于1/300 的規范限值，須預起拱45.5mm 方能滿足規范要求。

圖2 屋蓋撓度分析結果/mm

空間模型的分析結果還顯示，曲面模型梁底配筋比平面模型小；但雙曲屋面對兩側的框架柱產生較大的水平推力、附加彎矩與變形。

4 大橋影響分析

4.1 基坑簡況

基坑開挖深度為10.650m，基坑總開挖面積約11300m2，總周長約515m，周邊存在大橋保護區。根據《基坑工程技術標準》第3.0.1 和3.0.2 條[2]，基坑安全等級定義為二級，環境保護等級定義為一級。

4.2 楊浦大橋概況

楊浦大橋主橋包含主孔+邊孔，中間設置輔助墩，全長1178m，屬于特大橋。采用樁基承臺基礎，樁型為450mm×450mm預制鋼混凝土方樁，有效樁長約30m。

該項目基坑等級為二級，基坑外邊線與東側楊浦大橋橋墩最近距離約68m，對于楊浦大橋的安全保護距離為65m。而大橋管理部門的文件要求的保護區為80m。因此，本工程地下室基坑施工期間，該大橋為重點保護對象。

4.3 圍護方案

圍護的擋土結構為直徑1000mm 間距1200mm 鉆孔灌注樁，其有效樁長為24m，采用三排三軸攪拌樁作為止水帷幕，支撐體系為兩道鋼筋混凝土支撐。

4.4 分析軟件

已有文獻表明，在分析基坑開挖對周邊建構筑物的變形影響方面，將三維問題簡化為二維問題，不僅可以提高計算效率，并且計算精度及結果合理性方面均能滿足實際工程的需求[3]。因此，該項目的數值分析模型采用國際著名的巖土工程通用有限元軟件PLAXIS2D 建立，分析基坑整個施工過程中的穩定性和對周邊地層和既有構建筑物的變形影響。

4.5 分析模型

基坑圍護分析邊界條件為：底部指定各方向位移為零，即采用固定邊界；側面法向采用固定邊界，豎向允許變形。使用《基坑工程手冊》[4]中推薦的PLAXIS 特有的HSS 本構模型模擬土體真實屬性。選取距離大橋最近一側剖面，建立土層情況、支護結構和楊浦大橋的完整數值模型，分析基坑開挖過程對東側楊浦大橋的影響。

4.6 分析結果

分析結果見圖3，最不利工況為基坑開挖至坑底時，相應的基坑水平峰值位移為18.22mm。分析結果還顯示，基坑豎向最大位移為16.54mm，在這樣的位移水平下，圍護結構能夠保證正常工作；基坑工程施工引起楊浦大橋最大沉降約0.61mm。大橋保護要求為橋墩水平和豎向位移均不超過1mm/d，累計不超過3mm。可見基坑開挖到坑底時對楊浦大橋的影響也在允許范圍內。

圖3 位移分布（水平向，峰值18.22mm）

5 結論

臨近大橋保護區的地下結構項目，綜合性較強，以下是此類項目的一些總結：

（1）對于多功能的地下結構，且景觀呈坡地效果，為減輕結構覆土荷載，頂板往往存在高差，計算時應按真實板面標高建模，并加強高差處梁板柱配筋設計。

（2）樁基選型時不僅要考慮受力特點，更重要的是適應大橋的保護要求，優先采用灌注樁、薄壁鋼管樁等非擠土樁，如必須采用管樁等擠土樁，應采取有限元分析手段進行樁基施工模擬，提出必要的大橋保護措施及相應的監測要求。

（3）整體計算時，劇場雙曲屋蓋可按平屋蓋建模。而雙曲屋蓋空間模型結果顯示，按平屋蓋建模的計算撓度及梁配筋偏于保守。而水平推力對框架柱的受力影響不容忽視。

（4）基坑開挖施工對大橋的影響是大橋保護方案的重要內容，而PLAXIS 有限元軟件則提供一個很好的分析模擬工具。