地鐵上蓋物業開發結構形式對比與研究

雷海明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

項目位于貴陽市云巖區貴遵高速公路與三橋北路交叉口南側地塊內，為輕軌2#線三橋站上蓋物業。2#線一期穿過該地塊在地下設置地鐵三橋站，車站為地下四層13 m島式站臺，有效站臺長120 m，標準段寬22.3 m，車站總長142.5 m，總建筑面積13 559 m2。車站共設2個出入口，2組風亭，2個出地面消防專用通道。車站1#排風亭與商業合建出地面，新風亭位于小區中間綠化范圍內，1#出入口與酒店合建。2#風亭組位于車站南端，垂直穿兩層地下車庫設置為組合風亭。上蓋物業開發項目擬建2棟26層住宅樓、1棟13層酒店及部分商業用房。

2 結構設計原則及重難點

2.1 結構設計原則

(1)基礎置于中風化白云巖與中風化灰質巖中，地基承載力特征值0.5 MPa。

(2)主要構件(即構成主體承重框架且不易維護的構件)的設計使用年限為100年。

(3)主體結構及其相連的重要構件，其安全等級為一級，相應結構重要性系數取1.1；其他次要構件的安全等級為二級，相應結構重要性系數取1.0。

(4)抗震設防烈度為6°。主體結構構件及節點均按抗震等級三級采取抗震措施(抗震墻抗震等級按二級)，次梁、構造柱、過梁、圈梁等次要構件均按四級采取抗震構造措施[1]。

(5)車站結構按甲類人防工程設計。防核武器抗力等級為6級，防常規武器抗力等級為6級。

(6)車站結構中主要構件的耐火等級為一級。

(7)鋼筋混凝土構件(不含臨時構件)正截面的裂縫控制等級為三級，即允許出現裂縫。最大計算裂縫寬度允許值：防水混凝土為0.3 mm并不得貫通；內部構件為0.3 mm[2]。

2.2 結構設計重難點

(1)物業開發項目與地鐵車站結合，一體化計算和設計是該工程的重難點。

(2)物業開發地下室可分為車站區域和非車站區域，兩者之間的不均勻沉降是該工程結構設計的難點。

(3)物業開發建筑與車站建設時序是該工程必須考慮的重點，如節點預留和抗浮設計等。

(4)該工程周邊環境復雜，緊鄰高速公路，場地范圍內坡度變化較大，圍護設計和物業開發地下室的抗滑移驗算等是該工程的一個難點。

(5)該工程結構平面和豎向均不規則，抗震計算和構造是該工程的一個重點內容。

(6)該工程塔樓部分混凝土結構超長設置(不設縫)為一個難點。

2.3 結構設計參數

(1)采用的混凝土等級。①高層住宅：地下負二層～地上六層：墻、柱為C40，梁、板為C30(地下負二層～地下負一層為C35)；其余層墻、柱為C35、梁、板均為C30；②酒店：地下負二層～地上二層：柱為C50，梁、板為C35，其余層柱C40(地上二層～地上四層柱為C45)、梁、板均為C30；③地庫及商鋪：柱為C50，梁、板為C35；④地下室外墻采用C35，筏板基礎采用C35。墊層采用C20。

鋼筋強度等級。該工程鋼筋均采用HRB400級鋼筋。

3 基礎形式對比

按照地勘報告，地下二層底基礎置于中風化白云巖與中風化灰質巖中，地基承載力特征值500 kPa。基礎可以采用筏板基礎或者樁基礎。

3.1 筏板基礎

初步設計時，地庫基礎擬采用柱下500 mm厚筏板基礎+下柱墩+抗拔錨桿，建筑外墻下設基礎梁；高層住宅擬采用1 500 mm厚(南側)、1 300 mm厚(北側)筏板基礎。

經計算，地庫筏板基底壓力最大為434 kPa，高層住宅筏板基底壓力最大為486 kPa，均可以滿足地基承載力要求。

3.2 樁基礎

地庫擬采用樁基礎[3]+單樁承臺+防水板的基礎形式，住宅擬采用1300 mm大直徑樁基礎+筏板的基礎形式，樁基均嵌入持力層泥質白云巖。

經計算，地庫單樁豎向承載力特征值為4 300 kN，住宅單樁豎向承載力特征值為5 700 kN，均滿足工程要求。

3.3 兩種基礎經濟性的對比

不考慮上部結構僅對比基礎，樁基礎與筏板基礎對比，兩者均有筏板且厚度相差不大，兩種基礎筏板的差別僅為配筋率，所以筏板的造價對比相差不大。差別主要為樁基礎，對比來看，樁基礎的經濟性較差。

3.4 兩種基礎形式對地鐵基坑及車站側墻的影響

由于考慮施工時序的問題，存在地鐵車站主體或附屬的基坑較物業部分晚的可能性，需對比兩種基礎形式對基坑的穩定性影響。根據巖質部分剖面邊坡穩定性計算結果，筏板基礎的邊坡穩定系數為0.64，樁基礎的邊坡穩定系數則為1.02，雖然兩者都小于1.35，但筏板基礎的下滑力明顯要大于樁基礎。下滑力水平分量施加于地鐵主體結構側墻，并將滑體等效為側壓力對側墻進行受力驗算，筏板基礎時主體側墻根部的裂縫為0.45 mm，樁基礎時的裂縫則為0.21 mm，從安全性考慮，筏板基礎對車站主體基坑及主體側墻的影響要較樁基礎大。

3.5 基礎方案確定

由于項目位于位于貴陽向斜盆地西側抬升地段，巖體完整性較差，有存在溶洞的可能性，并結合當地經驗，考慮到盡可能減小上部物業結構對地鐵車站的影響，經過專家評審一致認定該工程采用樁基礎較為合適。

4 地庫、裙房結構形式對比

4.1 無梁樓蓋(板柱剪力墻)

項目初步設計階段，由于此處場地受限原因以及結構嵌固深度的緣故，地下室層高受限，故考慮地下結構采用板柱剪力墻形式，水平受力體系采用厚板+暗梁的結構形式，豎向受力體系采用柱帽+框架柱+部分剪力墻。

此方案可滿足較低層高的地下車庫，但由于地勢原因，地下室的側向受力不均勻，因此對于無梁樓蓋來說水平受力構件較少，計算時側向剛度相比典型的有梁體系明顯偏小，且由于車站附屬結構的存在及施工時序的問題，無梁樓蓋系統不能很好的與既有的附屬結構進行有效連接。另一個原因則是地庫屬于超長結構，無梁樓蓋體系如預留貫通式后澆帶，會極大地減弱其整體受力性能。

4.2 框架結構

由于無梁樓蓋體系在該工程中存在的一些缺點，后續工作中地庫結構形式仍采用典型的框架結構體系。地下結構層高最終定為3.900 m和4.100 m，梁高則根據荷載、相關規范及計算結構進行控制，雖然其層高較高，但由于工程特點，有梁體系可以靈活處理施工時序問題及與車站附屬結構的連接問題。例如，車站需要提前開通，其上部的物業開發還未施工，車站的附屬結構需要先于物業提早完成，此時附屬結構預留鋼筋待后期施工接駁即可，對于結構的整體受力影響不大，而無梁樓梯在接駁處的抗剪問題較大。

4.3 兩種結構形式經濟性對比

從降低層高來說，無梁樓蓋有較大的優勢，但其結構板的厚度及配筋率明顯要增大，再有需要設置暗梁，與典型框架結構在經濟性上差距不大。

5 地上結構形式對比

5.1 帶轉換層結構形式

項目初期由于方案需求及業主的相關要求，地上結構考慮采用帶轉換層結構形式，轉換層設置于地下室頂板，采用厚板轉換，其上部采用剪力墻結構，地下部分采用部分剪力墻+部分框架柱的結構形式。根據計算結果，在所有參數滿足相關規范的前提下，轉換處板厚需要取至1 600 mm，地下框支柱跨取8.1 m，并在對應的上部結構對應四角設置350 mm厚的剪力墻，上部結構采用200 mm厚的剪力墻。經建模計算，結構計算的相關指標均能滿足相關規范要求，但此方案涉及到超限審查問題，且工程造價相對較高。

5.2 剪力墻結構形式

初步設計階段及施工圖階段，隨著項目的不斷深入，后期由于工程造價及工期因素，建筑方案作出相應調整，地上結構采用剪力墻結構。-1層、-2層剪力墻厚度為250 mm，以上采用200 mm厚剪力墻，地下與車庫連接部分設置框架柱，經建模計算其各項計算結構均滿足相關規范要求。

5.3 地上結構形式經濟性對比

如選擇剪力墻結構形式，工程總量42 232.840 m2，估算總額22 365.34萬元，技術經濟指標0.53萬元/m2。如選擇厚板轉換層結構形式，工程總量43 850.2 m2，估算總額27 157.17萬元，技術經濟指標0.62萬元/m2。

對比兩種結構形式的造價估算，采用帶轉換層的結構形式時，綜合造價每平米比普通剪力墻結構形式超出900元/m2，經濟性顯而易見。

6 變形縫的討論

6.1 伸縮縫

地庫南北方向長約110 m，東西方向長約90 m，所以兩個方向均超相關規范的規定，均需設置變形縫或采取其他有效措施。但由于施工工籌考慮先施工地鐵附屬結構，且部分附屬結構在地庫內頂出，間接充當了變形縫的效果，并考慮采取設置溫度后澆帶，再采取低收縮混凝土添加劑、增配構造鋼筋、劃分先后施工區段等有效措施，設計單位認為能有效解決結構超長問題，可不設伸縮縫。畢竟大面積的伸縮縫都是防水的薄弱點。

圖1 沉降云圖

6.2 沉降縫

地庫中間三跨位于地鐵車站主體結構上方，此部分地庫柱傳力于車站的框架柱，與車站結構變形協調，由于車站的卸荷作用，此部分沉降可忽略不計。其他區域采用樁基礎，其沉降計算見圖1。云圖中的沉降最大值為2.1 mm，最小沉降值為-0.2 mm，對于橫、縱向均較長的地庫結構，不均勻沉降可忽略不計。從沉降驗算結果看，整體結構(地庫+主樓+裙樓)的沉降均較小，并且在可控范圍內，也不存在不均勻沉降的風險，因此可不設置沉降縫。

6.3 “塔樓偏置”

根據相關規范要求，當單塔或多塔與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%時，即為“塔樓偏置”，屬于超限高層結構，若要消除超限情況，則需要在裙房設置變形縫。

該工程偏心距計算方法根據相關文獻及規范，采用裙房屋面以上層多塔的合質心與裙房屋面層的剛心(考慮上部豎向構件傳下來后的軸力)在相應方向上的距離作為偏心距判別標準。

大底盤的剛心為：“Xm=29.34 m，Ym=708.78 m，相鄰層的上部多塔綜合質心：Xm=38.72 m，Ym=717.72 m。Xm為剛度中心在X軸坐標，Ym為剛度中心在Y軸坐標，質心(重心)同理。

計算偏置情況：X向：(38.72-29.34)/97.9=9.58%<20%；Y向：(717.72-708.78)/118=7.78%<20%。

從“塔樓偏置”一項來看，該工程裙房無需設置變形縫。

7 優缺點分析與總結

7.1 基礎

從經濟性方面來看筏板基礎的方案要明顯優于樁基礎，但由于該工程巖層特性導致上部結構對于地鐵車站側壓力偏大，處于安全考慮該工程選擇樁基礎方案，后續地鐵上蓋物業開發應在方案初期就考慮到上部物業結構對地鐵車站的影響，對地鐵車站結構做相應加強處理后，本文認為在相同地質條件下，上部物業結構可優先采用筏板基礎形式。

7.2 地庫及裙樓

板柱-剪力墻結構(無梁樓蓋)工程應用上也非常成熟，對于降低樓層高度、設備安裝均有其獨特的優勢，但近幾年無梁樓蓋的事故率相對較高，對于其工程安全性信心不足，亦考驗施工單位的技術水平，所以該工程地庫及裙樓最終采用了典型的梁柱框架體系。

7.3 上部結構

帶轉換層結構在低烈度地區應用成熟，其對轉換層上下結構空間的利用為最優方案，但其經濟性明顯比典型的剪力墻或框架-剪力墻結構差，再由于該工程為地鐵車站上蓋結構，其重要性等級與地鐵車站相同，所以在對比了經濟性、安全性和可實施性等方面條件后，該工程采用了地上剪力墻結構形式，地下部分框剪結構形式。

8 結束語

以實際工程設計為例，簡要對比了設計工程中應用到的各個結構設計方案，并討論了變形縫的設置問題，并給出相應的理由與結論，而地鐵上蓋物業開發結構的選型還應根據地質情況、周邊環境、施工條件、經濟環保等因素與地鐵車站結合起來綜合分析確定。