黃 濱

(福州市建筑設(shè)計院 福建福州 350001)

0 引言

福州地鐵1 號線位于城市中央發(fā)展主軸，是福州市軌道交通骨架網(wǎng)的核心線路，是福州市區(qū)南北交通的主要通道。線路全長29.2km，設(shè)24個站。其中樹兜站～屏山站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道下穿原省農(nóng)業(yè)廳宿舍，考慮到該宿舍建筑年代較早，結(jié)構(gòu)安全度不高，施工過程中予以拆除，擬于地鐵隧道施工完畢后進行復(fù)建。

然后，對軌道交通結(jié)構(gòu)的保護是地鐵上蓋建筑設(shè)計區(qū)別于普通建筑設(shè)計的核心內(nèi)容，設(shè)計時必須引起高度重視?；诖耍疚囊栽∞r(nóng)業(yè)廳宿舍在地鐵上方復(fù)建工程為例，分析其對地鐵保護的上蓋建筑設(shè)計。

1 概況

1.1 工程概況

地鐵1 號線區(qū)間隧道下穿原省農(nóng)業(yè)廳宿舍段，線路長度約110m，設(shè)計為兩座單線隧道，盾構(gòu)法施工，圓形斷面，復(fù)合式襯砌。其中內(nèi)輪廓直徑5.5m，設(shè)計結(jié)構(gòu)外徑6.2m。該段兩座盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)凈距5.4m，隧道埋深23m左右，隧道所在地層為中風(fēng)化花崗巖，上覆強風(fēng)化花崗巖及殘積層、雜填土。

原省農(nóng)業(yè)廳舊改項目位于福州市鼓樓區(qū)鼓屏路與華林路交叉口，整個工程征地面積約9578m2，總建筑面積約27 557m2，由4棟6-16層住宅及1-2層配套用房組成，其中2#、3#樓位置設(shè)一層(局部兩層)連體地下室。該工程的1#樓、4#樓及地下室西北角位于地鐵軌行區(qū)正上方，其中1#樓基礎(chǔ)底面最低標(biāo)高11.3m(羅零高程，下同)，地鐵軌道洞頂最高標(biāo)高-4.0m，最小間距15.3m；4#樓基礎(chǔ)底面最低標(biāo)高13.4m，地鐵軌道洞頂最高標(biāo)高-3.0m，最小間距16.5m；地下車庫基礎(chǔ)底面最低標(biāo)高為12.7m,地鐵軌道洞頂最高標(biāo)高-3.0m，最小間距15.7m。該工程基坑開挖面積約為3850m2，基坑開挖深度約為2.7～10.6m，地下室頂板覆土0.8m～2.1m。

該舊改項目建筑結(jié)構(gòu)型式如表1所示；地鐵區(qū)間隧道與該舊改項目平面位置關(guān)系圖如圖1所示；地鐵區(qū)間隧道與該舊改項目地下結(jié)構(gòu)橫剖面位置關(guān)系圖如圖2所示；該舊改項目上部結(jié)構(gòu)對地鐵結(jié)構(gòu)影響等級如表2所示。

表1 該舊改項目建筑結(jié)構(gòu)型式一覽表

圖2 地鐵區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面及與項目地下結(jié)構(gòu)橫剖面位置關(guān)系圖

表2 該舊改項目上部結(jié)構(gòu)對地鐵結(jié)構(gòu)影響等級一覽表

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露，綜合土工試驗，原位測試成果，將場地巖土層劃分為7個工程地質(zhì)主層和若干個亞層，自上而下分為：

①雜填土：以建筑垃圾為主，均勻性差，全場分布，層厚0.60m～5.20m，層頂標(biāo)高16.15m～22.98m。

②粘土(局部為粉質(zhì)粘土)：可塑，以粘性土為主，層厚0.60m～4.50m，層頂標(biāo)高14.07m～16.06m。

③殘積粘性土(局部為殘積砂質(zhì)粘性土)：可塑，粘性土為主，層厚0.80m～6.20m，層頂標(biāo)高10.61m～20.95m。

④全風(fēng)化花崗巖：花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖已風(fēng)化，巖芯以砂土狀為主，層厚3.90m～9.10m，層頂標(biāo)高9.96m～22.29m。④1全風(fēng)化花崗斑巖：花崗斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖已風(fēng)化，巖芯以土狀為主，層厚2.30m～7.40m，層頂標(biāo)高8.99m～13.47m。

⑤砂土狀強風(fēng)化花崗巖：硬塑，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖已風(fēng)化，巖芯以砂土狀為主，層厚2.60m～11.90m，層頂標(biāo)高5.54m～15.79m。

⑤1砂土狀強風(fēng)化花崗斑巖：硬塑，花崗斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖已風(fēng)化，巖芯以土狀、砂土狀為主，層厚4.10m～11.10m，層頂標(biāo)高5.71m～11.17m。

⑥碎塊狀強風(fēng)化花崗巖：花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖為花崗巖，原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨，巖芯以碎塊狀為主，揭示厚度0.70m～5.00m，層頂標(biāo)高0.04m～10.52m。⑥1碎塊狀強風(fēng)化花崗斑巖：花崗斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖為花崗斑巖，原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨，巖芯以碎塊狀為主，揭示厚度0.70m～7.00m，層頂標(biāo)高-0.16m～6.35m。

⑦中風(fēng)化花崗巖：花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯以柱狀為主。裂隙發(fā)育程度極發(fā)育～一般發(fā)育。該層巖面變化大，RQD為30.8-100.0，巖石堅硬程度為堅硬巖，巖體完整-較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅰ-Ⅲ級，揭示厚度1.18m-8.13m，層頂標(biāo)高-1.49m～9.32m。⑦1中風(fēng)化花崗斑巖：花崗斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯以短柱狀、柱狀為主。裂隙發(fā)育程度極發(fā)育～一般發(fā)育。該層巖面變化大， RQD為26.9～100.0，巖石堅硬程度為堅硬巖，巖體完整-較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅰ-Ⅲ級，揭示厚度1.78m-5.93m，層頂標(biāo)高-1.61～0.23m。

場地隧道沿線地質(zhì)縱斷面圖如圖3所示。

地鐵1號線區(qū)間隧道下穿原省農(nóng)業(yè)廳宿舍段地質(zhì)縱斷面及與項目地下結(jié)構(gòu)橫剖面位置關(guān)系(圖2)，該剖面的土層編號為該段地鐵巖土工程勘察報告中的土層編號。該段隧道主要位于中等風(fēng)化花崗巖中。

1.3 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)

該項目屬于地鐵上蓋建筑，需滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[1](CJJ/T202-2013)的要求，具體指標(biāo)如表3所示。

表3 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

1.4 該工程潛在風(fēng)險及其解決方法

該項目對地鐵隧道的影響主要體現(xiàn)為：①基坑開挖對下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響；②上部結(jié)構(gòu)施工及永久使用荷載對下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

為確保該項目基坑及上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用期間其下方地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，確保地鐵的正常運營，采取措施如下：

(1)基坑施工遵循分區(qū)、分塊、分層、對稱、限時原則，盡量避免在地鐵隧道正上方進行大面積開挖卸載，必要時在地鐵隧道上方堆載反壓，以減小豎向卸載誘發(fā)下方隧道的不利影響。

(2)基坑施工過程加強基坑自身結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的相關(guān)監(jiān)測工作。

(3)鑒于下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)已修建，基坑施工前應(yīng)針對下方地鐵隧道的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀開展相關(guān)調(diào)查和分析，以掌握地鐵隧道的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。

(4)上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段，考慮到地鐵運營期無法采用人工監(jiān)控量測，采用遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有的結(jié)構(gòu)和軌道變形進行實時監(jiān)測。

2 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計

為滿足城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)中地鐵軌道結(jié)構(gòu)外壁附加荷載不大于20kPa及隧道位移<10mm的要求，1#樓與4#樓均采用筏板基礎(chǔ)及柱下獨立基礎(chǔ)，并增設(shè)結(jié)構(gòu)地下室，替代室內(nèi)填土、增加基礎(chǔ)埋置深度，以減少基底壓力及基礎(chǔ)沉降。1#樓基礎(chǔ)底面最低標(biāo)高11.3m，地鐵軌道洞頂最高標(biāo)高-4.0m，最小間距15.3m；4#樓基礎(chǔ)底面最低標(biāo)高13.4m，地鐵軌道洞頂最高標(biāo)高-3.0m，最小間距16.5m；兩棟樓基礎(chǔ)底面與地鐵軌道洞頂間距均大于15m，在對擬新建建筑對地鐵區(qū)間隧道的影響分析時，上部荷載采用考慮了施工模擬及后期使用加載的包絡(luò)值，附加應(yīng)力和附加壓縮量的計算范圍取為新建建筑基礎(chǔ)底面以下15m內(nèi)(即不需要考慮地鐵空間型式對荷載傳遞的影響)，并以滿足控制指標(biāo)為目標(biāo)。

1#樓基礎(chǔ)布置與地鐵走向平面關(guān)系圖(圖4)，4#樓基礎(chǔ)布置與地鐵走向平面關(guān)系圖(圖5)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[2](GB50007-2011)，1#樓按修正的分層總和法計算，結(jié)果見表4，4#樓按修正的分層總和法計算結(jié)果見表5。

圖4 1#樓基礎(chǔ)布置與地鐵走向平面關(guān)系圖

圖5 4#樓基礎(chǔ)布置與地鐵走向平面關(guān)系圖

表4 1#樓按修正的分層總和法計算結(jié)果

表5 24#樓按修正的分層總和法計算結(jié)果

這表明1#樓上部結(jié)構(gòu)永久使用階段對隧道外側(cè)壁引起的附加荷載小于20kPa，可能引起隧道的最大豎向位移遠(yuǎn)小于10mm。

這表明4#樓上部結(jié)構(gòu)永久使用階段對隧道外側(cè)壁引起的附加荷載小于20kPa，可能引起隧道的最大豎向位移遠(yuǎn)小于10mm。

3 地下洞室理論分析

普氏山壓理論[3]是1907 年普羅托季亞科諾夫提出的圍巖壓力的一種計算方法，即用平衡拱理論來確定圍巖壓力。該理論認(rèn)為，所有地層都可視為具有一定粘結(jié)力的“松散介質(zhì)”，引入了似摩擦系數(shù)fm的概念。假定巖體為不具黏聚力的松散體，洞室開挖之后就會形成壓力拱。洞室開挖對壓力拱以上的巖體沒有擾動，而壓力拱以下的巖體則將松動，以致塌落，如圖6所示。

圖6 普氏壓力拱理論示意圖

同理，1926 年，俄羅斯學(xué)者提出，壓力拱以上的巖體對洞室沒有作用，一般在松散，破碎圍巖中較為適用。該理論至今仍在礦山開采業(yè)和勘探掘進中得到廣泛應(yīng)用，其公式如下。

fm=kr·f

其中,a——洞室的毛跨度；

h——洞室的凈高度；

φ0——巖體的計算摩擦角；

fm——巖體特征普氏系數(shù)；

f——巖石的堅固系數(shù)；

kr——考慮地質(zhì)條件的折減系數(shù)，一般情況下kr<1.0。

根據(jù)經(jīng)驗，Ⅲ級中風(fēng)化花崗巖fm一般取8～10，本文修正后減去5，計算摩擦角取42°，計算得h1=1.5m。

根據(jù)該理論，地鐵隧道1.5m 以上為壓力拱線，其上巖體不受隧道開挖擾動，同樣，上部荷載不傳遞到隧道上。由于該項目地下空間底板距離隧道最小距離在15.3m 左右，隧道上方巖層厚度不小于3.5m，相當(dāng)于隧道上方的巖層保護厚度不小于2.0m，壓力拱上部基坑施工及上部結(jié)構(gòu)永久使用階段對隧道外側(cè)壁引起的附加荷載，對隧道基本無影響。

開挖洞室以后，由于支護或拱圈向坑道內(nèi)部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，而拱頂土柱的下沉，將帶動兩側(cè)三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。當(dāng)隧道埋深足夠深時，地層對下沉柱體產(chǎn)生的摩擦力足以維持柱體及柱體上方荷載，該深度極為隧道深埋臨界值，此時隧道上面的荷載對隧道結(jié)構(gòu)不再造成影響。該巖柱理論詳見圖7。

圖7 巖柱理論示意圖

我國鐵路建設(shè)根據(jù)該理論，并根據(jù)成昆、貴昆、川黔等鐵路共127 座單線隧道的417 個施工坍方資料，總結(jié)了隧道深埋臨界值計算公式：

h1=2×0.45×2s-1×ω

式中：ω=1+i(B-5)

B——洞室開挖毛跨度；

S——鐵路圍巖分級，如屬Ⅴ級圍巖，則S=5；Ⅲ級圍巖，則S=3；

i——以B=5m的圍巖垂直勻布壓力為準(zhǔn)，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m，取i=0.2，當(dāng)B>5m，取i=0.1。

根據(jù)巖柱理論[3]，地鐵1號線區(qū)間隧道過該項目地下空間段圍巖判為Ⅲ級，隧洞開挖寬度6.2m，計算隧道深埋臨界值為4.0m。根據(jù)鐵路行業(yè)經(jīng)驗，該隧道為深埋隧道，考慮基坑開挖，隧道仍有15m 的安全覆巖土層厚度，基坑施工及上部結(jié)構(gòu)永久使用階段，對隧道外側(cè)壁引起的附加荷載對其影響甚微。

4 數(shù)值模擬分析

該項目采用大型有限元計算軟件abaqus模擬基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)建設(shè)的動態(tài)施工過程，給出了整個計算域在不同施工階段的應(yīng)力變形情況。為了減少開挖邊界效應(yīng)，合理的模型寬度一般取基坑開挖寬度和長度的 3～5 倍范圍。本模型長度為(x方向)為192m，寬度(y方向)為163m，高度(z方向)為33.2～44m。土體采用C3D4實體單元模擬，支護樁按剛度等效原則簡化為地下連續(xù)墻，采用S3殼單元模擬，土釘及錨索采用T3D2桿單元模擬，隧道襯砌采用S3殼單元模擬。本次模擬共分為4個部分：

(1)導(dǎo)入初始地應(yīng)力得到應(yīng)力場分布，并進行地應(yīng)力平衡。

(2)加入隧道襯砌，模擬隧道開挖。

(3)加入支護體系并進行基坑開挖?；娱_挖共分為3個部分，開挖順序為：①部分、②部分及③部分。土方分塊如圖8所示。

(4)上部結(jié)構(gòu)施工，共分為4個工況，(工況1：1#地下部分加載完畢；工況2：地下室部分加載完畢，1#、4#加載至二層；工況3：4#加載完畢，1#加載至6層；工況4：所有樓棟全部加載)，如圖9所示。

圖9 上部結(jié)構(gòu)施工加載示意圖

4.1 隧道開挖對地層變形影響

隧道支護及開挖完成后，土體的豎向位移最大值在隧道底部，約為2.25mm，頂部豎向位移為-0.06mm。土層水平位移受隧道開挖影響相對較小，小于1mm。襯砌豎向位移最大值在隧道底部，其隆起變形更明顯一些，約為2.15mm，頂部豎向位移為-0.6mm。水平向最大位移量0.94mm。隧道開挖是一個應(yīng)力釋放的過程，會造成隧道周圍地層應(yīng)力重分布。隧道開挖后，豎向應(yīng)力最大值為615kPa，最小值為210.5kPa。

4.2 基坑開挖對隧道影響

基坑開挖塊①后，土體的豎向位移最大值在開挖部分的基坑底部，約為3.58mm。襯砌的最大豎向位移為2.24mm，與開挖前最大值2.15mm相比，變化不明顯，增加了0.09mm。水平向最大位移量為1.1mm，比開挖前0.94mm增加0.16mm。基坑開挖塊②后，土體的豎向位移最大值約為5.83mm。襯砌的最大豎向位移為2.33mm，增加了0.09mm。水平向最大位移量為1.52mm，增加0.42mm。基坑開挖塊③后，土體的基坑隆起計算最大值約為11.75mm。襯砌的最大豎向位移為2.92mm，增加了0.59mm。水平向最大位移量為2.7mm，增加1.18mm。基坑開挖過程，隧道周邊土體豎向應(yīng)力無明顯變化，基坑開挖引起的附加荷載小于20kPa。

4.3 上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段對隧道影響

上部結(jié)構(gòu)施工按加載工況1施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為11.77mm。襯砌的最大豎向位移為2.71，減少了0.21mm。水平向最大位移量為2.67mm，減少了0.03mm。按加載工況2施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.09mm。襯砌的最大豎向位移為2.19mm，減少了0.52mm。水平向最大位移量為2.08mm，減少了0.59mm。按加載工況3施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.12mm。襯砌的最大豎向位移為2.1mm，減少了0.09mm。水平向最大位移量為2.06mm，減少了0.02mm。加載工況4施加荷載后，土體的豎向位移最大值約為8.13mm。襯砌的最大豎向位移為2.1mm，最大值沒有變化。水平向最大位移量為2.03mm，減少了0.03mm。上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段隧道周邊土體豎向應(yīng)力無明顯變化，上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段引起的附加荷載小于20kPa。

4.4 數(shù)值模擬分析主要結(jié)論

基坑開挖與上部結(jié)構(gòu)施工及永久使用階段，對下方地鐵盾構(gòu)隧道影響的三維模擬分析結(jié)果顯示：基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)建設(shè)引起隧道的最大豎向位移為2.92mm ，最大水平位移為2.7mm ；對隧道外側(cè)壁引起的附加荷載均小于20kPa。表明基坑開挖與上部結(jié)構(gòu)施工及永久使用階段對下方地鐵盾構(gòu)隧道的影響較小；深基坑及上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段，不危及下方地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，不影響地鐵的正常運營。

5 地鐵隧道監(jiān)測結(jié)果

該區(qū)間地鐵隧道施工選用復(fù)合式盾構(gòu)，盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)地基土，主要為散體狀強風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖等巖層。在地鐵沿線均設(shè)置有監(jiān)測點。該項目施工全過程，地鐵均在運營；施工期間，該區(qū)間的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9～圖10所示。由圖9～圖10可見，地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移和本文數(shù)值模擬分析基本吻合，處于運營狀態(tài)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[1](CJJ/T202-2013)，處于安全狀態(tài)。

圖10 上行線拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖11 下行線拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

地鐵上蓋建筑作為一種特殊的建筑存在著，它雖然數(shù)量不多，但涉及到城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計時必須認(rèn)真對待。對軌道交通結(jié)構(gòu)的保護是地鐵上蓋建筑設(shè)計區(qū)別于普通建筑設(shè)計的核心內(nèi)容。綜合該項目場地的巖土工程勘察報告和地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊地層的工程地質(zhì)資料分析，地鐵隧道位于中風(fēng)化花崗巖地層中，與上部基坑底凈距大于15m，有利于控制上方基坑開挖卸載和上部結(jié)構(gòu)施工，以及控制永久使用階段加載對地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的不利影響。

為滿足城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)的要求，該項目地鐵隧道上方基坑支護、上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)計、施工均采取了合理有效的措施。結(jié)合洞室普氏壓力拱理論、巖柱理論及三維數(shù)值模擬分析，在該工程地質(zhì)條件下，地鐵區(qū)間隧道與基坑底之間有足夠的安全覆巖厚度，地下空間基坑開挖與上部結(jié)構(gòu)施工及永久使用階段對隧道影響小，深基坑及上部結(jié)構(gòu)施工和永久使用階段不危及下方地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全，不影響地鐵的正常運營。

目前，該項目已竣工驗收，在項目施工全過程，地鐵均在運營期，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移和本文數(shù)值模擬分析基本吻合，地鐵隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。