既有隧道上的多、高层建筑基础选型

郑佩莹，刘海源

（重庆市建筑科学研究院，重庆 400016）

0 引言

近年来，随着城市的不断建设，特别是城市地下空间的发展，大量的近接工程不断出现。如盾构隧道近接穿越桥梁桩基工程[1]，市政隧道近接已有隧道工程[2]，近接地铁隧道下的桩基础工程[3]等。相较于普通工程，近接工程对围岩的扰动次数多、受力复杂，如若设计不当，不仅会造成拟建工程的失稳和破坏，还会对既有建筑的安全性产生较大影响，甚至产生难以补救的后果。

国内外较多学者针对不同的近接工程开展了相关研究并取得了丰富的成果。如Shi等[4]对某下穿高速公路的浅埋暗挖隧道的预加固措施进行了研究；殷召念等[5]以重庆东水门大桥·千厮门大桥渝中区连接隧道为对象，采用三维数值计算的方法模拟了该隧道施工的力学行为，并对其近接的既有高层建筑群桩的影响进行了分析；罗镇[6]结合穗莞深城际深圳机场站近接超重蓄冷水罐基坑开挖工程，对近接高等级建筑物的基坑开挖施工预加固技术进行了研究。然而，由于近接方式、建筑物类型以及地质条件的复杂多样，近接工程的设计与施工目前仍以经验为主。

本文以常见的下穿既有隧道拟建建筑物为对象，通过对典型工程实例以及三维数值的分析，对该类近接工程的基础选型进行了初步探讨，所得结论可为类似工程提供参考。

2 典型工程实例

（1）邹容广场洞室地基工程

重庆市渝中区临江门“邹容广场”的20层裙楼下，开挖有宽15m的市人防工程临梯干道，且在裙楼筒体下是临梯干道（称主洞）与支洞的交叉部位。该工程场地岩体质量较好，为整体块状-厚层状，构造裂隙不发育。该工程基础采用的是2.5m厚的钢筋混凝土筏板基础，施工时首先将原覆盖岩层开挖至标高245.9m（此时距主洞顶部6.7m）。钢筋混凝土筏板下至主洞洞肩为砂岩，洞肩至洞底约3m处为泥岩，洞底3m以下为砂岩。

（2）重庆图书金融综合大楼

该综合大楼（12F/-3F）基础北侧下部建有轻轨区间隧道及风道，并与临江门轻轨站隧道临近。区间隧道毛洞尺寸为净高8.67m、净宽6.86m，洞顶与基底最短距离约为12.5m；风道隧道毛洞尺寸为净高5.96m、净宽4.42m，洞顶与基底最短距离约为5.9m；临江门轻轨车站隧道毛洞尺寸为净高20.578m、净宽23.040m，与基础的水平距离约6m，与基底的垂直距离约3m。

场地内地势平缓，综合大楼基底以下为中微风化砂岩，岩体裂隙不发育，呈整体块状-厚层状。岩层呈单斜构造倾角约10°。

该综合大楼基础的最终设计方案为：在既有隧道穿越部分采用C30钢筋混凝土交叉梁基础 （1.5m×1.5m，基底标高240.2m）；其它部分采用柱下钢筋混凝土独立基础 （基底标高237.2m）。

（3）重庆市融汇广场

重庆市融汇广场位于重庆市沙坪坝区中心地段，北临三峡广场步行街，西侧为28/-2F世源大厦，东侧是30/-3F层高的庆泰大厦，南边有地铁一号线沙坪坝车站通过，西边有地铁环线区间隧道通过。融汇大厦地上29层、地下3层，±0.000标高为251.10m，负三层（地下三层）的底标高为234.80m，主体塔楼为框架-剪力墙结构。

地铁一号线车站顶标高为234.965m，底标高为220.37m，车站开挖高度为14.595m，开挖宽度为23.80m，车站隧道顶部覆盖层厚度约17.0m。靠近建筑物侧车站有一出入口通道，通道顶标高231.25m，底标高为226.25m，开挖宽度8.0m，开挖高度5.0m。其中与车站平行的一段通道在建筑物地下室内，占用地下室的一部分空间。地铁环线区间隧道顶标高为219.18m（距离上覆地铁一号线车站隧道底仅1.19m），底标高为211.18m，开挖高度为8.0m，开挖宽度为6.0m，两隧道中心间距为18.0m。

建筑物地下室的基坑边缘与车站边缘的最小距离为11.0～12.5m，与地铁环线边缘的最小距离为14.0m。

整个场地均为第四系土层覆盖，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组泥岩、砂岩。

融汇大厦最终基础方案为框架柱采用桩基础，剪力墙筒体为筏板基础。

（4）小什字车站隧道高层建筑

泛华大厦Ⅱ区（结构层20层）A幢及B幢的基底隧道上覆岩层厚度分别为13.4m和8.5m，部分位于隧道拱顶。泛华大厦Ⅲ区（结构层30层）基底隧道洞顶上覆岩层厚9m，基坑边缘与隧道侧墙最小水平距离为5.6m。三峡经协大厦B幢裙楼建筑柱下条基基底隧道洞顶上覆岩层厚约8.84m，基坑边缘与隧道侧墙最小水平距离为4.5m。

该场地内围岩地层由全新统 （与中侏罗统沙溪庙组互层砂岩、泥岩及砂质泥岩组成，倾角12°～13°，岩层走向基本与隧道轴线一致。岩层构造裂隙（节理）稍发育～较发育，岩体为层状及块状结构。隧道最大开挖高度13.94m，最大开挖宽度21.40m。

最终的基础方案为：泛华大厦Ⅱ区建筑基础为C35的准箱基，泛华大厦Ⅲ区基础为C35的桩基及C35的条基，经协大厦B区基础为C35的桩基及C35的条基。

3 三维数值计算

3.1 某幼儿园项目

该项目占地面积6796m2，建筑面积7474m2，其中拟建的教学楼层位于某既有洞室正上方，其建设可能对洞室产生影响。

拟建教学楼平面尺寸（长×宽）为70m×15m，设计地坪高程为230.50m，层数为4层。下方为直墙拱形洞室，主洞室净高为6m，净宽为8m。洞内初期支护采用C20锚杆喷射混凝土，厚度为50mm，围岩进行了锚杆加固及挂钢筋网和喷射混凝土，锚杆为梅花形布置，锚杆型号Φ22，锚杆长度2.5m，喷射混凝土钢筋网Φ8@200×200，洞室二次衬砌厚度为350mm，为钢筋混凝土支撑，混凝土为C30，钢筋Φ12@200双层双向。洞室洞顶标高为212.27m，教学楼基底标高为230.1m （按梁底），垂直距离为17.83m。

场区地层为：第四系人工素填土（Q4ml）及侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩、砂岩组成。场内泥岩属软岩，岩体完整，砂岩属较软岩，岩体较完整，根据勘察报告提供的岩石物理力学参数，按《工程地质勘察规范》（DBJ 50-043-2005）可将围岩基本质量等级划分为IV级。

为了减轻对地下洞室的影响，设计中采用筏板式基础，梁板式筏板板顶平梁顶，筏板厚400mm，梁截面为700mm×1000mm，筏板外伸500mm，外伸部分的底板交角削成135°。利用FLAC3D建立三维模型并进行弹塑性分析。根据勘察报告，计算采用的岩土体物理、力学参数如表1所示。为安全计，整个计算中将砂岩视为泥岩考虑。计算中教学楼按筏板基础考虑，筏板厚400mm，基底反力为96.3kPa。筏板与地下洞室的模型图如图1所示。

表1 幼儿园项目岩土体物理力学参数计算值

图1 教学楼筏板基础与地下洞室的三维数值计算模型

计算结果表明修建教学楼引起的围岩变形最大值为1.22mm，地表沉降最大值约为1.20mm，最大值位置位于①号隧道和②号隧道相交位置正上方（图2）。而教学楼的修建引起下方洞室产生位移，其中会引起①号洞室产生0.87mm的总位移，0.86mm的沉降；②号洞室0.71mm的总位移，0.70mm的沉降；③号洞室0.53mm的总位移，0.51mm的沉降。洞室的最终位移值在规范规定的允许洞周水平相对收敛值和允许拱顶下沉值之内。

图2 筏板基础的竖向位移云图

整个模型在教学楼施工后的最大主应力值为-0.45MPa，三个主要的洞室拱顶均会出现一定的拉应力区，该区域位于基础正下方，但该范围很小，且值也不大，最大值为①号洞室，值为0.02MPa。受压和受拉最大值均小于岩石的抗压和抗拉强度。塑性区分布图显示，洞室周边并未出现塑性区，只是在地表填土层出现局部的塑性破坏区。而筏板基础最大主应力最大值约为-0.06MPa，基础在左侧边缘处出现较小的拉应力区，最大拉应力值为0.005MPa，基础未出现塑性破坏区。

整个计算结果表明，教学楼和下方的洞室两者均是安全的。

3.2 某综合楼活动室项目

某综合楼活动室（共7层，含1层地下室）的设计地坪高程为766.5m，基底标高为762.1m，平面尺寸为长83m×宽46m。该综合楼正下方修建有开挖高度7.87m和宽度14.22m的隧道，洞顶与活动室基底的垂直距离约7m。隧道按Ⅳ级围岩进行支护。场内地层结构主要为第四系全新统残坡积粘性土夹卵石以及炭质页岩组成。

设计时基础考虑为筏板式基础，筏板厚450mm，地基作用荷载27.5～155kPa。利用FLAC3D建立三维模型并进行弹塑性分析。根据勘察报告，计算采用的岩土体物理、力学参数如表2所示。计算中教学楼按筏板基础考虑，筏板厚400mm，基底反力为96.3kPa。筏板与地下洞室的模型图如图3所示。

表2 综合楼项目岩土体物理力学参数计算值

图3 综合楼筏板基础与地下洞室的三维数值计算模型

计算结果表明修建教学楼引起的围岩变形最大值为0.25mm，综合楼修建完成后东大门隧道总的拱顶下沉最大值为14.25mm，总的周边收敛最大值为2.31mm。从拱顶下沉和水平收敛变化值来看，综合楼的修建虽会对下方的东大门隧道产生一定的影响，但这种影响是比较小的，综合楼修建完成后隧道的最终位移值在规范规定的允许拱顶下沉值和允许洞周水平相对收敛值之内。筏板基础的竖向位移云图如图4所示，可以看出，筏板中间部分 （包括隧道正上方）将产生最大约1.95mm的竖向位移。

图4 筏板基础竖向位移云图

应力方面，由于基坑开挖卸荷，在综合楼修建完成后，岩体的最大主压应力有一定的减小，但变化值不大，变化值最大的仅为0.11MPa。而主拉应力较未修建时都有一定的增加，邻近基坑边缘局部点隧道围岩拉应力超过抗拉强度，最大值达到0.20MPa，但整体来看，综合楼正下方隧道围岩所受拉应力并不大，且衬砌混凝土所受的主压和主拉应力均未超过其抗压和抗拉强度。

整个计算结果表明，综合楼和下方的隧道两者均是安全的。

4 结语

从上述幼儿园以及综合楼活动室的三维数值计算可以看出，建筑物的修建对正下方范围内的隧道将产生较大的影响，如果下部隧道为多个隧道交叉，交叉部位所受影响更为严重。

根据4个典型工程实例以及三维数值计算结果，建议该类近接工程下建筑物选用筏板或其他类型基础跨越隧道范围的方式。

幼儿园项目中，基底至隧道拱顶的垂直距离约为17.8m，建筑修建后洞室最大的总位移不到1mm；而综合楼项目中，基底至隧道拱顶的垂直距离仅为7m，建筑修建后洞室最大的总位移达到了14.3mm。这表明，建筑对地下洞室的影响与基底至隧道拱顶的垂直距离有较大关系，距离越近，影响越大。因此，建议跨越的基础应尽量浅埋，从而保证现有的覆盖层厚度不被减薄。另外，在局部地段如需对岩体进行清除时，则宜采用机械或人工等非爆破方式进行开挖，避免对隧道围岩的整体性造成不利影响。