尤旭東 楊 科 羅發(fā)揚(yáng)

(1.上海軌道交通十三號(hào)線發(fā)展有限公司，200070，上海;2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，200092，上海∥第一作者，高級(jí)工程師)

近些年以來(lái)，伴隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程，城市軌道交通進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期。結(jié)合城市軌道交通建設(shè)這一契機(jī)，大力開(kāi)發(fā)利用地下空間是建設(shè)集約型城市，走可持續(xù)發(fā)展道路的一個(gè)重要方面［1］。

在這樣的背景下，結(jié)合城市軌道交通共建開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，隨之也帶來(lái)了諸多工程技術(shù)難題。其中包括地鐵與開(kāi)發(fā)共建結(jié)構(gòu)的沉降耦合控制這一技術(shù)難題。由于功能等條件限制，在結(jié)合地鐵設(shè)施共建開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中，地鐵設(shè)施大多埋深較深，往往位于項(xiàng)目的最下部分。如果地鐵正上方的建筑形態(tài)各異，在這些不同的建筑荷載作用下，地鐵設(shè)施將產(chǎn)生差異沉降變形，這直接關(guān)系到地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全。

目前，對(duì)于這種同期共建的結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律的認(rèn)識(shí)以及結(jié)構(gòu)性能對(duì)差異沉降的響應(yīng)規(guī)律在理論上和實(shí)踐上還未成熟。探討和研究建筑差異沉降的產(chǎn)生機(jī)理和控制技術(shù)，對(duì)于結(jié)合城市軌道交通進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)具有極其重要的意義。本文將結(jié)合上海自然博物館地下綜合體工程實(shí)踐，研究地鐵與開(kāi)發(fā)共建結(jié)構(gòu)的沉降耦合控制技術(shù)及應(yīng)用。

1 上海自然博物館地下綜合體工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

上海自然博物館(見(jiàn)圖1)地下綜合體位于上海市靜安區(qū)，基地南側(cè)為在建雕塑公園，東側(cè)為大田路，西側(cè)為慈溪路，北側(cè)為山海關(guān)路。其將成為該區(qū)域的重要公共建筑。上海自然博物館通過(guò)建筑形體、景觀和公共空間設(shè)計(jì)與周邊的雕塑公園緊密結(jié)合、融為一體?？蔀榍皝?lái)博物館的參觀者提供一種獨(dú)特的體驗(yàn)，以加強(qiáng)建筑承載的文化信息和使命。

圖1 自然博物館鳥(niǎo)瞰圖

項(xiàng)目用地范圍為16 000 m2，總建筑面積約為45 257 m2，其中地上建筑面積為12 652 m2，地下建筑面積為32 605 m2。建筑總高度為18 m，地上三層，地下二層。地下室底板下結(jié)合軌道交通13號(hào)線明挖區(qū)間段南北向穿越，地下室北側(cè)有南北向的13號(hào)線自然博物館站，西側(cè)緊鄰育才中學(xué)教室及多層房屋。圖2、圖3 分別為項(xiàng)目平面、剖面圖。

圖2 上海自然博物館項(xiàng)目平面圖

1.2 沉降耦合控制的難點(diǎn)

上海自然博物館項(xiàng)目所處區(qū)域土層軟弱，具有含水量高、壓縮性高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高、土體流變性及重新固結(jié)變形量大等特點(diǎn)［2］。上海自然博物館地上建筑形狀特殊，為一層螺旋增加至三層，且建筑中部留有下沉中庭，如圖4所示?？梢?jiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上作用的建筑形態(tài)、荷載異常復(fù)雜。其中下沉中庭區(qū)域，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制工況為抗拔工況;其余區(qū)域，基礎(chǔ)控制工況為抗壓工況。而軌道交通13號(hào)線明挖區(qū)間段位于上海自然博物館基礎(chǔ)內(nèi)部。

因此，需對(duì)包括車(chē)站、明挖區(qū)間段在內(nèi)的不同區(qū)域，進(jìn)行沉降耦合和控制。否則可能導(dǎo)致地鐵設(shè)施沉降差異過(guò)大，造成基礎(chǔ)的不均勻沉降開(kāi)裂、連接口部拉裂漏水，以及地下室底板結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂和滲漏等嚴(yán)重影響工程正常使用和地鐵運(yùn)營(yíng)安全的問(wèn)題［3］。

圖4 上海自然博物館上部結(jié)構(gòu)平面圖

2 差異沉降產(chǎn)生的機(jī)理

在上海地區(qū)典型的軟土地層上，將地鐵設(shè)施、大型地下空間以及上部建筑形成一個(gè)大型建筑綜合體同期共建，雖然具有各種集約優(yōu)勢(shì)，但位于綜合體內(nèi)部的地鐵這一城市生命線工程對(duì)于沉降影響極為敏感，控制難度大。分析差異沉降產(chǎn)生的機(jī)理，可指導(dǎo)設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地采取工程措施。

對(duì)于上海自然博物館項(xiàng)目這類(lèi)的共建工程，地鐵設(shè)施附加變形的主要原因如下:

(1)由于功能等條件限制，地鐵設(shè)施大多埋深較深，往往位于綜合體的最下部分。如果地鐵正上方的建筑形態(tài)各異、荷載大小不均，在這些不同的建筑荷載作用下，地鐵設(shè)施將產(chǎn)生差異沉降變形。

(2)在新建建筑物的沉降影響下，周邊土體隨建筑物一起沉降。而隨著土體沉降的產(chǎn)生，將間接地對(duì)地鐵設(shè)施產(chǎn)生附加拖帶沉降影響。因此，在設(shè)計(jì)階段就需對(duì)工程的沉降進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)綜合體建筑物中的地鐵結(jié)構(gòu)、地下室結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)等采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，以控制差異沉降。

3 一體化共建的沉降耦合控制技術(shù)

將城市軌道交通、地下空間以及上部建筑共建形成大型建筑綜合體，往往建設(shè)規(guī)模較大。雖然建筑物沉降大多均可滿足民用設(shè)施的相關(guān)要求，但地鐵設(shè)施的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較高，通常難以達(dá)到。對(duì)于上海自然博物館項(xiàng)目而言，工程體量較大，且建筑形狀特殊，無(wú)論上部不均勻荷載對(duì)地鐵設(shè)施的直接影響，還是通過(guò)周邊土體對(duì)地鐵車(chē)站產(chǎn)生的附加拖帶沉降影響，都有可能超過(guò)地鐵工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的上限。因此，需采用針對(duì)性的措施來(lái)控制地鐵的附加沉降，具體做法可從以下幾方面進(jìn)行考慮:

(1)沉降耦合控制標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，制定絕對(duì)沉降和差異沉降的雙控標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)和計(jì)算。

(2)樁基布置原則:對(duì)于沉降較大的區(qū)域，通過(guò)減輕結(jié)構(gòu)自重、增加樁長(zhǎng)、增大樁徑或采用樁底注漿等措施，減少沉降;對(duì)于地鐵設(shè)施部分，在地鐵設(shè)施下設(shè)置沉降調(diào)節(jié)樁來(lái)提高其自身的抗變形能力，從而減小地鐵設(shè)施的附加沉降影響。(3)沉降耦合計(jì)算方法:采用合理可靠的計(jì)算分析方法，預(yù)估工程樁基沉降，指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

4 上海自然博物館沉降預(yù)估計(jì)算

明確樁基礎(chǔ)布置原則和沉降耦合控制標(biāo)準(zhǔn)后，就需要選擇合理的沉降計(jì)算方法，得到準(zhǔn)確合理的計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)工作提供沉降控制以及結(jié)構(gòu)受力變形的依據(jù)。

4.1 沉降計(jì)算方法

對(duì)于樁基沉降的計(jì)算，上海地區(qū)采用較多的是利用Mindlin 應(yīng)力公式和分層地基模型進(jìn)行計(jì)算，該方法的合理性已為通過(guò)實(shí)例比較得到證實(shí)［4］。并且通過(guò)以往大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累進(jìn)行反分析，目前已經(jīng)積累了一套合理的參數(shù)取值。

然而隨著有限元技術(shù)的進(jìn)步和推廣，借助有限元計(jì)算軟件，結(jié)合已經(jīng)積累形成的參數(shù)取值，不僅可以實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算方法，還可以考慮分層土體的影響、上部結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)節(jié)、空間尺寸的影響等多方面因素，同時(shí)還可以提高計(jì)算效率及計(jì)算精度。因此，有限元三維模型分析在工程實(shí)踐中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

4.2 上海自然博物館項(xiàng)目沉降計(jì)算結(jié)果

依照前述的沉降控制措施，上海自然博物館項(xiàng)目參照地鐵設(shè)施變形控制標(biāo)準(zhǔn)，制定了絕對(duì)沉降≤20 mm 和差異沉降(曲率半徑R≥15 000 m，曲率半徑可反映差異沉降)的雙控標(biāo)準(zhǔn)。

造成地鐵設(shè)施產(chǎn)生差異沉降的主要原因?yàn)?①地鐵正上方的上海自然博物館結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、荷載大小不均。在這些不同的建筑荷載作用下，地鐵設(shè)施將產(chǎn)生差異沉降變形。②在上海自然博物館的沉降影響下，下臥土體產(chǎn)生沉降，而這部分沉降將間接地對(duì)地鐵設(shè)施產(chǎn)生附加拖帶沉降影響。因此，在沉降預(yù)估計(jì)算時(shí)，考慮了上述沉降原因，分別為圖6a)和圖7b)所示的計(jì)算模型。圖6 為考慮上方的結(jié)構(gòu)分布差異對(duì)地鐵設(shè)施影響的計(jì)算模型，計(jì)算范圍包括地鐵車(chē)站和明挖區(qū)間段。圖7 為考慮上海自然博物館沉降對(duì)地鐵設(shè)施附加影響的計(jì)算模型，計(jì)算范圍包括了自然博物館和明挖區(qū)間。

上海自然博物館項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式特殊，受力工況復(fù)雜，項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中了以樁基預(yù)估計(jì)算為依據(jù)，對(duì)上海自然博物館、軌道交通13號(hào)線車(chē)站、區(qū)間隧道的樁基布置進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，并在地鐵設(shè)施下方設(shè)置了沉降耦合樁，以控制地鐵變形。自然博物館項(xiàng)目最終的樁布置如圖5所示，預(yù)估計(jì)算成果如圖6 b)、圖7 b)所示。圖8 中所示計(jì)算值為圖6 模型和圖7 模型計(jì)算結(jié)果相疊加之后的地鐵設(shè)施沉降曲線。

圖5 上海自然博物館工程樁布置圖

圖6 上方不同建筑荷載對(duì)地鐵設(shè)施的沉降影響計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在考慮上海自然博物館沉降拖帶影響以及地鐵上方不均勻建筑荷載影響后，自然博物館下方的軌道交通13號(hào)線明挖區(qū)間段產(chǎn)生的附加沉降變形最大值為13.1 mm，最小曲率半徑為50 000 m，滿足地鐵設(shè)施的變形控制指標(biāo)。上海自然博物館項(xiàng)目于2014年8月竣工，目前為止結(jié)構(gòu)底板沉降已經(jīng)收斂。其底板沉降曲線如圖8 中實(shí)測(cè)曲線所示，最大沉降變形為12.3 mm，與沉降計(jì)算值基本吻合。最小曲率半徑為75 000 m，滿足地鐵設(shè)施的變形控制指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上理論分析和上海自然博物館工程實(shí)踐可以看出，針對(duì)將地鐵、大型地下空間以及上部建筑形成大型建筑綜合體同期共建的特點(diǎn)，運(yùn)用合理的計(jì)算方法及參數(shù)對(duì)工程差異沉降進(jìn)行預(yù)估分析，并根據(jù)分析結(jié)果在設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的技術(shù)措施，可將綜合體工程對(duì)地鐵車(chē)站產(chǎn)生的差異沉降影響控制在地鐵設(shè)施保護(hù)要求范圍之內(nèi)，確保地鐵設(shè)施安全，從而使綜合體共建工程可以順利實(shí)施。

目前上海自然博物館地下綜合體已對(duì)外開(kāi)放，其作為上海市示范項(xiàng)目，收到了良好的社會(huì)評(píng)價(jià)。

圖7 上海自然博物館建筑沉降對(duì)地鐵設(shè)施的附加影響

圖8 上海自然博物館沉降附加影響和地鐵上方不均勻建筑荷載共同作用下地鐵設(shè)施的沉降變形

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