地铁与其它建筑的共建结构沉降耦合控制技术

2015-06-28尤旭东罗发扬

城市轨道交通研究 2015年10期

尤旭东杨科罗发扬

(1.上海轨道交通十三号线发展有限公司，200070，上海;2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，200092，上海∥第一作者，高级工程师)

近些年以来，伴随着我国的城市化进程，城市轨道交通进入了高速发展的时期。结合城市轨道交通建设这一契机，大力开发利用地下空间是建设集约型城市，走可持续发展道路的一个重要方面［1］。

在这样的背景下，结合城市轨道交通共建开发的项目应运而生，随之也带来了诸多工程技术难题。其中包括地铁与开发共建结构的沉降耦合控制这一技术难题。由于功能等条件限制，在结合地铁设施共建开发的项目中，地铁设施大多埋深较深，往往位于项目的最下部分。如果地铁正上方的建筑形态各异，在这些不同的建筑荷载作用下，地铁设施将产生差异沉降变形，这直接关系到地铁系统的运营安全。

目前，对于这种同期共建的结构沉降规律的认识以及结构性能对差异沉降的响应规律在理论上和实践上还未成熟。探讨和研究建筑差异沉降的产生机理和控制技术，对于结合城市轨道交通进行地下空间开发具有极其重要的意义。本文将结合上海自然博物馆地下综合体工程实践，研究地铁与开发共建结构的沉降耦合控制技术及应用。

1 上海自然博物馆地下综合体工程简介

1.1 工程概况

上海自然博物馆(见图1)地下综合体位于上海市静安区，基地南侧为在建雕塑公园，东侧为大田路，西侧为慈溪路，北侧为山海关路。其将成为该区域的重要公共建筑。上海自然博物馆通过建筑形体、景观和公共空间设计与周边的雕塑公园紧密结合、融为一体。可为前来博物馆的参观者提供一种独特的体验，以加强建筑承载的文化信息和使命。

图1 自然博物馆鸟瞰图

项目用地范围为16 000 m2，总建筑面积约为45 257 m2，其中地上建筑面积为12 652 m2，地下建筑面积为32 605 m2。建筑总高度为18 m，地上三层，地下二层。地下室底板下结合轨道交通13号线明挖区间段南北向穿越，地下室北侧有南北向的13号线自然博物馆站，西侧紧邻育才中学教室及多层房屋。图2、图3 分别为项目平面、剖面图。

图2 上海自然博物馆项目平面图

1.2 沉降耦合控制的难点

上海自然博物馆项目所处区域土层软弱，具有含水量高、压缩性高、孔隙比大、抗剪强度低、灵敏度高、土体流变性及重新固结变形量大等特点［2］。上海自然博物馆地上建筑形状特殊，为一层螺旋增加至三层，且建筑中部留有下沉中庭，如图4所示。可见基础结构上作用的建筑形态、荷载异常复杂。其中下沉中庭区域，基础设计控制工况为抗拔工况;其余区域，基础控制工况为抗压工况。而轨道交通13号线明挖区间段位于上海自然博物馆基础内部。

因此，需对包括车站、明挖区间段在内的不同区域，进行沉降耦合和控制。否则可能导致地铁设施沉降差异过大，造成基础的不均匀沉降开裂、连接口部拉裂漏水，以及地下室底板结构的开裂和渗漏等严重影响工程正常使用和地铁运营安全的问题［3］。

图4 上海自然博物馆上部结构平面图

2 差异沉降产生的机理

在上海地区典型的软土地层上，将地铁设施、大型地下空间以及上部建筑形成一个大型建筑综合体同期共建，虽然具有各种集约优势，但位于综合体内部的地铁这一城市生命线工程对于沉降影响极为敏感，控制难度大。分析差异沉降产生的机理，可指导设计，有针对性地采取工程措施。

对于上海自然博物馆项目这类的共建工程，地铁设施附加变形的主要原因如下:

(1)由于功能等条件限制，地铁设施大多埋深较深，往往位于综合体的最下部分。如果地铁正上方的建筑形态各异、荷载大小不均，在这些不同的建筑荷载作用下，地铁设施将产生差异沉降变形。

(2)在新建建筑物的沉降影响下，周边土体随建筑物一起沉降。而随着土体沉降的产生，将间接地对地铁设施产生附加拖带沉降影响。因此，在设计阶段就需对工程的沉降进行预估计算，根据计算结果对综合体建筑物中的地铁结构、地下室结构、上部结构等采取针对性的设计措施，以控制差异沉降。

3 一体化共建的沉降耦合控制技术

将城市轨道交通、地下空间以及上部建筑共建形成大型建筑综合体，往往建设规模较大。虽然建筑物沉降大多均可满足民用设施的相关要求，但地铁设施的沉降控制标准较高，通常难以达到。对于上海自然博物馆项目而言，工程体量较大，且建筑形状特殊，无论上部不均匀荷载对地铁设施的直接影响，还是通过周边土体对地铁车站产生的附加拖带沉降影响，都有可能超过地铁工程沉降控制标准的上限。因此，需采用针对性的措施来控制地铁的附加沉降，具体做法可从以下几方面进行考虑:

(1)沉降耦合控制标准:根据项目特点，制定绝对沉降和差异沉降的双控标准，指导项目桩基设计和计算。

(2)桩基布置原则:对于沉降较大的区域，通过减轻结构自重、增加桩长、增大桩径或采用桩底注浆等措施，减少沉降;对于地铁设施部分，在地铁设施下设置沉降调节桩来提高其自身的抗变形能力，从而减小地铁设施的附加沉降影响。(3)沉降耦合计算方法:采用合理可靠的计算分析方法，预估工程桩基沉降，指导设计。

4 上海自然博物馆沉降预估计算

明确桩基础布置原则和沉降耦合控制标准后，就需要选择合理的沉降计算方法，得到准确合理的计算结果，为设计工作提供沉降控制以及结构受力变形的依据。

4.1 沉降计算方法

对于桩基沉降的计算，上海地区采用较多的是利用Mindlin 应力公式和分层地基模型进行计算，该方法的合理性已为通过实例比较得到证实［4］。并且通过以往大量工程实测数据的积累进行反分析，目前已经积累了一套合理的参数取值。

然而随着有限元技术的进步和推广，借助有限元计算软件，结合已经积累形成的参数取值，不仅可以实现上述计算方法，还可以考虑分层土体的影响、上部结构的刚度调节、空间尺寸的影响等多方面因素，同时还可以提高计算效率及计算精度。因此，有限元三维模型分析在工程实践中得到了越来越多的应用。

4.2 上海自然博物馆项目沉降计算结果

依照前述的沉降控制措施，上海自然博物馆项目参照地铁设施变形控制标准，制定了绝对沉降≤20 mm 和差异沉降(曲率半径R≥15 000 m，曲率半径可反映差异沉降)的双控标准。

造成地铁设施产生差异沉降的主要原因为:①地铁正上方的上海自然博物馆结构形式复杂、荷载大小不均。在这些不同的建筑荷载作用下，地铁设施将产生差异沉降变形。②在上海自然博物馆的沉降影响下，下卧土体产生沉降，而这部分沉降将间接地对地铁设施产生附加拖带沉降影响。因此，在沉降预估计算时，考虑了上述沉降原因，分别为图6a)和图7b)所示的计算模型。图6 为考虑上方的结构分布差异对地铁设施影响的计算模型，计算范围包括地铁车站和明挖区间段。图7 为考虑上海自然博物馆沉降对地铁设施附加影响的计算模型，计算范围包括了自然博物馆和明挖区间。

上海自然博物馆项目结构形式特殊，受力工况复杂，项目设计过程中了以桩基预估计算为依据，对上海自然博物馆、轨道交通13号线车站、区间隧道的桩基布置进行了反复调整，并在地铁设施下方设置了沉降耦合桩，以控制地铁变形。自然博物馆项目最终的桩布置如图5所示，预估计算成果如图6 b)、图7 b)所示。图8 中所示计算值为图6 模型和图7 模型计算结果相叠加之后的地铁设施沉降曲线。

图5 上海自然博物馆工程桩布置图

图6 上方不同建筑荷载对地铁设施的沉降影响计算

根据计算结果，在考虑上海自然博物馆沉降拖带影响以及地铁上方不均匀建筑荷载影响后，自然博物馆下方的轨道交通13号线明挖区间段产生的附加沉降变形最大值为13.1 mm，最小曲率半径为50 000 m，满足地铁设施的变形控制指标。上海自然博物馆项目于2014年8月竣工，目前为止结构底板沉降已经收敛。其底板沉降曲线如图8 中实测曲线所示，最大沉降变形为12.3 mm，与沉降计算值基本吻合。最小曲率半径为75 000 m，满足地铁设施的变形控制指标。

5 结语

通过以上理论分析和上海自然博物馆工程实践可以看出，针对将地铁、大型地下空间以及上部建筑形成大型建筑综合体同期共建的特点，运用合理的计算方法及参数对工程差异沉降进行预估分析，并根据分析结果在设计上采取相应的技术措施，可将综合体工程对地铁车站产生的差异沉降影响控制在地铁设施保护要求范围之内，确保地铁设施安全，从而使综合体共建工程可以顺利实施。

目前上海自然博物馆地下综合体已对外开放，其作为上海市示范项目，收到了良好的社会评价。