閆永軍

摘要： 我國在地鐵運行對周圍環(huán)境的影響和地鐵隧道開發(fā)建筑對鄰近樁基影響兩方面雖然已經取得了重大突破，但仍有一些弊端暫時沒有得好很好的解決。其中跨越地鐵超高層住宅樁筏基礎設計是地鐵研發(fā)建筑中重要的一環(huán)，因此對其進行了如下研究。

Abstract： Although major breakthroughs have been made in the impact of subway operation on the surrounding environment and the impact of subway tunnels on the construction of nearby piles， some shortcomings are still not well solved. Among them， the design of piled raft foundation for super high-rise residential buildings crossing subway is an important part of subway R & D and construction. Therefore， the following research has been carried out.

關鍵詞： 地鐵跨越；超高層建筑；樁筏基礎設計

Key words： subway spanning；super high-rise building；piled raft foundation design

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）08-0158-02

0 引言

樁筏基礎包含很多優(yōu)勢，豎向承載力高、基礎沉降小、整體性強、調節(jié)差異沉降能力等，隨著當今社會建筑物越來越高、越來越重、越來越大，樁筏基礎被廣泛運用到設施建設當中。但是，在傳統(tǒng)的目前的設計方法中，對上部結構剛度作用的利用率一直呈現(xiàn)效率低的狀態(tài)，導致建筑材料的大量浪費，因此，改善樁筏基礎的設計概念，對設計方法進行系統(tǒng)性研究，對于降低成本，減少浪費而言，現(xiàn)實意義不容小覷[1]。并且，隨著地鐵得高速發(fā)展，地鐵隧道施工以及地鐵運行對鄰近建筑物基礎造成的振動影響，已經逐漸浮現(xiàn)于人們的意識層中。可見，對于跨越地鐵超高層住宅樁筏基礎的研究，具有重要的意義。

1 以實際項目為例探究樁筏基礎設計

此處引用華潤·新鴻基錢江新城項目的研究數(shù)據(jù)對此進行詳細研究與闡述。

華潤·新鴻基錢江新城項目主要由E-06、07、08、09四塊地構成，位于浙江杭州的錢江新城。該項目計劃在這四塊地上建設高檔住宅、商場、公寓以及酒店。擬在該項目的東側建設高檔住宅，其東北方向與慶春東路延伸段相近，東南與富春江路相鄰近，西南方向與九號路相鄰近，西北則和酒店相接壤。住宅用地總面積約為2.3公頃。

在該項目的高檔住宅建設中，采用混凝土剪力墻結構，住宅的主要建筑物均建有一層或兩層的地下室，為了使用方便，地下室均不設置縫隙。地上結構為塔樓結構，地下為兩層的大底盤。杭州2#號線地鐵線是沿著該項目區(qū)域東北方向慶春東路的低下施工，即將施工的4#線跨越該項目區(qū)域，在慶春東路的錢江路站與2#線對接。除此之外，地鐵部門要求在1#、2#樓基礎下的8m預留兩條凈寬約為10m的左右地鐵隧道。

通過在網上對三維有限元彈塑性模型（剪力墻結構、樁筏基礎和地基三部分組成）進行查詢，并綜合考慮上部結構剛度、地鐵隧道跨度等對筏板性狀的影響，將其和所查的數(shù)據(jù)作比較，發(fā)現(xiàn)：

①上部結構剛度幾乎對基礎最大沉降沒有顯著影響，但是對最大彎矩、差異沉降具有顯著的影響。在忽略上部結構剛度對基礎最大沉降影響的情況下，其中，最大沉降減少了不到6%，但是，差異沉降卻減少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大彎矩都有較大減少，分別為38%和25%。

②在上部結構達到20層高度后，上層結構剛度對最大彎矩、差異沉降的作用越來越小，這說明上層結構剛的影響是具有一定限度的。

③當筏板的厚度增加時，最大沉降和差異沉降都會減小，并且，當筏板的厚度達到1.5m后，降低程度逐漸減小；但是，隨著筏板厚度的增加，最大彎矩呈現(xiàn)出線性增加趨勢，這表明僅僅依靠提高筏板厚度的方式使得調節(jié)不均勻，這種方式是不可行的。

④筏板的最大沉降和差異沉降都隨著地鐵隧道跨度的增大而增加，并且隨著增幅的加大，筏板最大彎矩也越來越大。

⑤隧道跨度、地基剛度是影響最大沉降的兩大重要因素；基礎剛度、上部結構剛度是影響最大彎矩、差異沉降的兩大重要因素。

⑥當一幢建筑物必須跨越地鐵隧道（或者說地鐵隧道修建不可避免需要穿過建筑物時），為了使跨越地鐵隧道對筏板變形、內力的影響達到最小，可以通過地鐵隧道中心線、筏板對角線相重合的方式將樁筏基礎跨越地鐵隧道；在設計過程中，設計人員應盡可能的避免在樁筏基礎邊緣設計地鐵隧道。

在地鐵實際建設過程中，穿過既有建筑物的基礎是不可避免地，而下部大部分以樁或樁筏為基礎的則是對于（超）高層建筑。但是，一般而言，筏板的差異沉降會直接對建筑物的使用安全性造成影響；筏板的內力也幾乎決定了筏板的配筋量。但是，傳統(tǒng)的設計經驗告訴我們，使用材料越多，越容易保證安全，但這往往會造成材料的大量浪費[2]。因此，對隧道開挖對樁筏基礎性狀的影響也需要進行一系列分析。

2 地鐵隧道的開發(fā)對鄰近樁筏基礎的影響分析

通過構建三維有限元模型結構，將上部結構荷載作用考慮在內，分析地鐵隧道施工對鄰近樁筏基礎的影響：

①開挖隧道實際上對鄰近厚筏的彎矩和剪力影響都很小，并不會產生多大的干擾。

②隨著隧道開挖的持續(xù)推進，筏板的沉降不但沒有增大，反而還略微有所減小。

③隧道開挖之后，距離樁頂20m以內的樁身軸力會增大，并且，增大的幅度是，前一排大于后一排，同一排中，邊樁的軸力增加明顯要大于中樁；距離樁頂20m以下的的，樁身軸力和開挖之前進行對比，明顯有所減少；樁身旁距，尤其是在集中在距樁頂20cm以內的樁身區(qū)域間會發(fā)生明顯地變化；樁頂彎矩值會達到最大水平，但是前排樁明顯比后排樁大，以及同排中邊樁明顯大于中樁的規(guī)律；而隧道起拱線附近樁身會出現(xiàn)負彎矩最大值。

④開挖隧道的過程中，群樁會向著隧道的方向產生扭曲，發(fā)生形變。對同一排樁而言，水平方向的變形大體上一致，沒有顯著差異。然而，與后排樁相比，前排樁產生的變形更加顯著；樁身的水命變形的最大值都出現(xiàn)在隧道起拱線附近。

⑤隧道開挖對于樁身水平方向變形的影響主要發(fā)生在樁頂?shù)饺兜姆ぐ宓酌媾c隧道中心線的距離的樁身的范圍之內。除此之外，隧道埋深幾乎不會影響到筏板的差異沉降與最大沉降，其影響在一定程度上可以忽略不計。

⑥群樁的水平變形，會隨著隧道所在的土層變形模量的增加而逐漸減小，并且減小的趨勢會越來越不明顯；但是，隧道所在的土層變形模量的增加對筏板的最大沉降的影響僅僅是使其略微減小，對差異沉降，幾乎就沒有什么影響。

⑦如果增大盾構掘進正面推力和盾尾注漿的壓力，那么樁身撓曲值會逐漸減小，減小到一定的程度，樁身發(fā)生遠離隧道方向的撓曲。

3 跨越地鐵超高層住宅具體設計的歸納

通過網上查閱有關華潤·新鴻基錢江新城項目的資料，結合已有的數(shù)據(jù)，以杭州地鐵4#線錢江新城住宅項目段場地為工程背景，分析了地鐵運行過程中產生的振動對地表、樁體水平方面位移的影響，大致得到以下幾個結論：

①地面減速度振級隨著距地鐵中心線距離的增加而逐漸減弱，并且距地鐵中心線水平距離大約40m以外的區(qū)域，地鐵運行周圍的居民們表示受地鐵運行的影響很小，通過對周圍建筑物的數(shù)據(jù)分析，也得出相似的結論；當然，顯而易見的是，地表加速度振級最大的地方位于地鐵中心線大概正上方的位置。

②增大隧道埋深，地表加速度振級會越來越小，并且，當距離地鐵中心線水平的距離超過40m之后，地表加速度振級隨著隧道埋深的增加，其變化可以說是微乎其微。

③因為前排樁在一定程度上會遮擋到后排樁，地鐵運行過程中會造成前排樁發(fā)生水平位移程度比后排樁的大，然而兩者之間并沒有顯著差異。本次研究結果顯示，前排樁樁體水平方向的最大位移為0.09m，后排樁樁體水平方向的最大位移是0.07m；然而，前排樁、后排樁均是在地鐵隧道下約10m處，樁身的水平位移幅值達到最大值。

此外，在研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)跨越地鐵得樁筏基礎也有比較優(yōu)化的設計理念，大概歸結如下：

①厚度值為2.4～4.0m的筏板厚度為合理厚度；

②對于某些高層建筑上部具有剪力墻結構的情況，合理處理好上部結構剛度能夠配置筏板的配筋量，并且效果比較明顯，在上文中提到過，與實際的配筋對比，水平方向上的鋼筋用量降低了大約31%，垂直方向上的鋼筋用量大約降低了20%；

③對于與地鐵隧道緊鄰的樁來說，可在樁體上部（20cm左右）增設鼓勁、縱徑，這樣能夠提高樁體自身的抵抗水平方向變形的能力。

4 結語

通過分析地基、大跨樁筏基礎、上部結構作用下，大跨樁筏基礎、抓法基礎的內力與變形受到的影響，地鐵運行過程中產生的振動對地表、大跨樁筏基礎變形的影響，以及并對跨越地鐵隧道樁的筏基礎進行了優(yōu)化設計分析，總結為以下幾條：

①考慮上部結構剛度的影響，它幾乎沒有影響的最大沉降基礎，但具有顯著影響沉降差和最大彎矩，且不考慮上部結構剛度的影響，最大沉降降低了不足6%，然而，差異沉降卻減少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大彎矩都有較大減少，分別為38%和25%。根據(jù)本研究結果，如果建筑上部采用了剪力墻結構，考慮上部結構剛度的影響能夠明顯降低筏板的配筋量，在X方向鋼筋用量可以減少39%左右的使用量，Y方向更是可以減少43%的使用量。

②差異沉降和最大沉降都隨著筏板厚度的增加而減小，并且，當筏板的厚度厚于1.5m時，會慢慢降低減小幅度會；但是，在筏板厚度不斷增加的情況下，最大彎矩呈現(xiàn)出線性增加，這就表明僅僅依靠增加筏板厚度的方法使得調節(jié)不均勻是不可行的。

③地基剛度的增加會引起一系列減小的狀況包括最大沉降和差異沉降等的減少，并且，減小的趨勢越來越不明顯。另外，當?shù)罔F隧道跨度增大時，筏板的最大沉降量也會逐漸增加。然而，地鐵隧道跨度對最大彎矩、差異沉降的影響就會降低，相對較小。

④隧道跨度與地基剛度是影響最大沉降兩大敏感因素；基礎剛度與上部結構剛度是影響最大彎矩、差異沉降的兩大敏感因素。當一個建筑必須穿過一個地鐵隧道的情況下，為降低使得樁筏基礎對整個地鐵隧道的內力和變形的影響，使影響達到最小，需要將筏板的對角線和地鐵隧道的中心線進行重合。在工程設計過程中，設計人員應盡可能的避免在建筑樁基的邊緣穿過地鐵隧道。

⑤隨著距離地鐵中心線的距離的逐漸增大，地面加速度的振級會越來越小，并且，在距離地鐵中心線水平距離40m以外的區(qū)域，周圍建筑和居民的正常生活受地鐵運行的影響比較小，甚至沒有多大影響。

參考文獻：

[1]謝新宇，吳勇華，姜瑋東，吳健，劉開富.跨越地鐵隧道超高層建筑樁筏基礎數(shù)值模擬及優(yōu)化設計[J].中南大學學報（自然科學版），2011，42（10）：3182-3188.

[2]吳勇華，謝新宇，葉軍，吳健，劉開富.跨越地鐵高層建筑樁筏基礎數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學報，2011，33（03）：441-447.

[3]董芳菲.高層建筑樁筏基礎優(yōu)化設計研究[D].西安建筑科技大學，2012.