考慮地鐵下穿影響的基礎分析與設計

黃晨，王秀泉，黃子貺

（中國聯合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

隨著軌道交通建設的迅速發展， 各大城市地下空間的立體骨架正在逐步形成。 關于地鐵下穿施工，較多研究成果[1-3]關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系變得更加復雜， 城市建筑中預留地鐵開發可能性的項目也會越來越多。 本文結合項目實例，研究未來城市建筑與地鐵建設的新發展關系的優化處理。

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 場地條件及相關設計要求

3.1 場地條件

根據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》及國家標準GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》的規定，本地區Ⅲ類場地基本地震動峰值加速度為0.10g，抗震設防烈度為7 度，所屬的設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。 據區域水文地質資料，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防水位，按本工程建成后室外地坪標高下0.5 m 考慮。

3.2 地鐵隧道上方結構要求

本地塊下方規劃地鐵穿越長度約為111 m，線間距為12 m，穿越方式為盾構法施工。 結合DB33/T 1119—2017《城市軌道交通結構安全保護技術規程》[4]的要求，地鐵主管部門對本項目的結構設計施工提出了以下3 點建議。

1）區間隧道尺寸及保護范圍：地鐵盾構隧道一般為內徑為5.5 m，外徑6.2 m。 考慮到地鐵施工的安全性，盾構兩側需設置2 m 的保護空間，盾構上方需設置3 m 的保護空間。

2）隧道上方結構變形量：為保證結構不對地鐵隧道產生附加壓力， 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計要求：鑒于盾構隧道掘進的局限性，推薦隧道通過的區域，圍護結構采用工法樁，地下室結構施工完后，將型鋼拔除。

4 跨越地鐵隧道段底板分析

4.1 隧道上方基礎設計

據場地工程地質條件和本工程的特點， 本工程地鐵隧道兩側采用3 排直徑為1 m 的大直徑樁， 樁端進入11-3 中風化泥質粉砂巖≥1 m。 地鐵隧道區域樁位布置圖如圖2 所示?？紤]到盾構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 高度范圍的樁側摩阻力。 兩條盾構間的大直徑密布樁樁間距控制在3 m 以內，盾構外側大直徑密布樁間距控制在5 m 以內，樁頂設置2 m（寬）×2 m（高，含底板厚）的條形基礎，增強樁頂穩定性。 同時，整個隧道區間設置1.3 m 厚轉換底板跨越。 經測算，盾構隧道外圍與最小凈距約為3.4 m，底板底與隧道頂的最小距離約為3.1 m＞3 m，滿足地鐵公司要求。

圖2 地鐵隧道區域樁位布置圖

4.2 隧道上方底板計算分析結果

根據工程經驗，當結構跨越地鐵隧道時，需要由基礎對上部結構進行托換。 托換形式根據上部結構、隧道走向及兩者的關系選擇厚板樁筏式托換基礎或者柱下梁式托換基礎。 結合本工程特點：首先，結構跨越軌道隧道的跨度較大，沿隧道線兩側各布置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，結構剛度較好，可利用底板與上部結構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。

與傳力明確的柱下梁式托換基礎結構相比， 厚板樁筏式托換基礎與上部結構沒有明確的對應關系， 需要通過更為精細的模型進行分析。 為了確保工程的安全并更準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JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[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生在中部最大跨度處，而最大負彎矩則發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排樁和不設排樁兩個方案的板計算結果， 可以看出設排樁方案中板底彎矩一部分轉移到中間支承樁頂支座成為負彎矩， 使得托換厚板可在兩跨樁基之間連續受力，大大改善了托換厚板的受力狀態。

表1 托換厚板中心設排樁和不設排樁計算結果比對

5 結論

本文通過分析項目的實際情況，結合地鐵公司的要求，進行了某項目地鐵下穿基礎的設計， 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，得到以下結論：

1）本項目的基礎布置及托換方式滿足地鐵公司提出的相關間距要求。

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支承樁基礎，既能有效減小結構的跨越跨度，又能形成連續托換結構，對托換結構的應力分布有很大改善。