考虑地铁下穿影响的基础分析与设计

黄晨，王秀泉，黄子贶

（中国联合工程有限公司，杭州 310052）

1 引言

随着轨道交通建设的迅速发展， 各大城市地下空间的立体骨架正在逐步形成。 关于地铁下穿施工，较多研究成果[1-3]关注地铁线路间的下穿和跨越， 或是隧道与主体建筑共建的项目研究。 随着城市土地资源日趋紧张，城市密集建筑群逐渐成形， 轨道交通地下空间与既有或新建建筑的空间关系变得更加复杂， 城市建筑中预留地铁开发可能性的项目也会越来越多。 本文结合项目实例，研究未来城市建筑与地铁建设的新发展关系的优化处理。

2 工程概况

本工程地上建筑包含办公、酒店和剧场，地下车库共有3 层，主要功能为车库，设备用房，酒店的宴会厅。 地下室1 层4 m，地下2 层4.5 m，地下3 层4.5 m。 其中，地下室部分有地铁从地下3 层穿越，地铁隧道待地下室施工完成后实施。 地下室剖面如图1 所示。

图1 地下室剖面

3 场地条件及相关设计要求

3.1 场地条件

根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》及国家标准GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定，本地区Ⅲ类场地基本地震动峰值加速度为0.10g，抗震设防烈度为7 度，所属的设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。 据区域水文地质资料，年均变化幅度值约1.0～1.5 m。 因此，本工程地下室永久性抗浮设防水位，按本工程建成后室外地坪标高下0.5 m 考虑。

3.2 地铁隧道上方结构要求

本地块下方规划地铁穿越长度约为111 m，线间距为12 m，穿越方式为盾构法施工。 结合DB33/T 1119—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》[4]的要求，地铁主管部门对本项目的结构设计施工提出了以下3 点建议。

1）区间隧道尺寸及保护范围：地铁盾构隧道一般为内径为5.5 m，外径6.2 m。 考虑到地铁施工的安全性，盾构两侧需设置2 m 的保护空间，盾构上方需设置3 m 的保护空间。

2）隧道上方结构变形量：为保证结构不对地铁隧道产生附加压力， 要求位于地铁隧道上方的底板最大变形量不大于20 mm。

3）隧道通过范围的围护设计要求：鉴于盾构隧道掘进的局限性，推荐隧道通过的区域，围护结构采用工法桩，地下室结构施工完后，将型钢拔除。

4 跨越地铁隧道段底板分析

4.1 隧道上方基础设计

据场地工程地质条件和本工程的特点， 本工程地铁隧道两侧采用3 排直径为1 m 的大直径桩， 桩端进入11-3 中风化泥质粉砂岩≥1 m。 地铁隧道区域桩位布置图如图2 所示。考虑到盾构施工中对周边土体的扰动， 桩承载力计算中不计入桩头10 m 高度范围的桩侧摩阻力。 两条盾构间的大直径密布桩桩间距控制在3 m 以内，盾构外侧大直径密布桩间距控制在5 m 以内，桩顶设置2 m（宽）×2 m（高，含底板厚）的条形基础，增强桩顶稳定性。 同时，整个隧道区间设置1.3 m 厚转换底板跨越。 经测算，盾构隧道外围与最小净距约为3.4 m，底板底与隧道顶的最小距离约为3.1 m＞3 m，满足地铁公司要求。

图2 地铁隧道区域桩位布置图

4.2 隧道上方底板计算分析结果

根据工程经验，当结构跨越地铁隧道时，需要由基础对上部结构进行托换。 托换形式根据上部结构、隧道走向及两者的关系选择厚板桩筏式托换基础或者柱下梁式托换基础。 结合本工程特点：首先，结构跨越轨道隧道的跨度较大，沿隧道线两侧各布置1 排桩基，支承桩跨度约16～20 m；其次，底板以上有2 层地下室，局部地上有裙房，结构刚度较好，可利用底板与上部结构共同作用以减少变形。 综上两点，本项目中地铁隧道上方采用了1.3 m 厚的厚板桩筏式托换基础。

与传力明确的柱下梁式托换基础结构相比， 厚板桩筏式托换基础与上部结构没有明确的对应关系， 需要通过更为精细的模型进行分析。 为了确保工程的安全并更准确地控制其变形对地铁隧道的影响，采用MIDAS/Gen 有限元分析软件采用地下室整体模型对托换厚板进行分析。 分析模型如图3 所示，分析中考虑了与厚板相邻底板的影响。 为了简化模型，将厚板下的间距较密的嵌岩大直径桩简化为等刚度的底部嵌固柱。

图3 地下室整体模型

由于托换厚板下采用直径1 m 的嵌岩桩，持力层与嵌岩桩都具有非常大的刚度，根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[5]计算，板下桩基最大沉降s 为8 mm，桩基变形se为3.5 mm。

分析时考虑承压和抗浮两种工况 （将水浮力归为活载工况）：工况一为承压工况下考虑有利低水位的作用，工况二为抗浮工况。 底板变形云图如图4 和图5 所示。

图4 工况一最大竖向挠度云图

图5 工况二最大竖向挠度云图

由图4、图5 可知，工况一最大挠度为-2.4 mm（向下）；工况二最大变形4.1 mm（向上）。

由上述两个工况的计算结果可以看出， 在不考虑桩基变形与沉降的情况下底板最大挠度约为2.4 mm。 结合前文中桩基的沉降与变形之和最大值为11.5 mm，因此，底板总变形量为13.9 mm， 能满足地铁公司提出的变形量小于20 mm 的要求。

恒+ 活工况为控制工况，最大正弯矩与最大变形发生在中部最大跨度处，而最大负弯矩则发生在两条隧道中间的嵌岩桩顶支座处。 表1 列举了托换厚板中心设排桩和不设排桩两个方案的板计算结果， 可以看出设排桩方案中板底弯矩一部分转移到中间支承桩顶支座成为负弯矩， 使得托换厚板可在两跨桩基之间连续受力，大大改善了托换厚板的受力状态。

表1 托换厚板中心设排桩和不设排桩计算结果比对

5 结论

本文通过分析项目的实际情况，结合地铁公司的要求，进行了某项目地铁下穿基础的设计， 并采用Midas/Gen 对地铁隧道上方的大跨厚板进行了有限元分析，得到以下结论：

1）本项目的基础布置及托换方式满足地铁公司提出的相关间距要求。

2）底板总变形量为13.9 mm，能满足地铁公司提出的变形量小于20 mm 的要求。

3） 跨越多条地铁隧道时在隧道之间增设支承桩基础，既能有效减小结构的跨越跨度，又能形成连续托换结构，对托换结构的应力分布有很大改善。