某邻近大桥保护区地下结构设计

张功义

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

本文研究的项目是临近大桥保护区的地下综合空间，其功能集地下车库、商业、剧场、下沉式绿化广场等；而且临近大桥等复杂城市环境，基坑对大桥的变形影响预测显得尤其重要。

1 项目概况

该项目作为世界技能博物馆配套项目。位于杨浦区滨江南段区域，基地周边涉及宁国路轮渡站、四条城市道路、已建成的滨江步道及杨浦大桥。地下两层，面积建筑约20000m2。地下一层层高6m，主要功能为停车库、商业、剧场、下沉式绿化广场等；地下二层层高4.9m，主要功能为停车库、设备中心等；室外景观呈坡地效果，主要设置工业凉亭等构筑物。

2 地下结构设计要点

2.1 主体结构设计要点

为满足建筑装修效果统一及方便将来功能改造，采用单向主次梁楼盖是较为经济合理的。

为满足建筑众多复杂功能、设备房间净高要求及景观坡地效果的营造，顶板存在较多高低起伏。采用盈建科软件进行真实标高建模计算分析，并严格按各区域覆土荷载取值。

对于高差处，框架柱形成短柱错层柱，箍筋须沿全高全段加密；框架梁须根据实际支座是否连续进行配筋设计；顶板错层板、大洞口周围板须加强配筋，满足0.25%配筋率。

2.2 桩基工程设计要点

从受力情况分析，根据项目规模及基底埋深（约11m），结合地质情况，基底主要承受浮力作用，基础拟采用桩基础。

从环境条件分析，地下室外墙距杨浦大桥桥墩基础外侧最近距离约69m。根据市政行业标准，对于不同的成桩方法，特大桥安全保护距离也不同，挤土桩为80m，非挤土桩为40m[1]。而钻孔灌注桩常见的非挤土桩，本工程可以采用，并将桩基设计等级提高到甲级，可以满足大桥保护要求。

3 剧场双曲屋盖分析

3.1 结构选型与布置

剧场屋盖选型综合考虑使用净高要求、建筑对顶棚造型要求、营造坡地景观效果、结构受力、耐久性及施工难易等因素，设计成钢筋混凝土密肋双曲拱形屋盖体系（见图1）。东西向跨度为23.2m，东西向顶板高差为1.2m；南北向为4 跨8.4m 柱网，南北向顶板高差为0.5m。矢高在1.2~1.7m 之间变化。

图1 剧场双曲顶盖轴侧图

框架柱截面为1000mm×900mm，大跨度方向框架梁及密肋梁截面为500mm×1600mm，南北向框架边梁截面为700mm×1700mm；密肋梁间距为2.1m，屋面板厚为250mm。

3.2 结构整体计算

考虑到剧场位于地下，受地震力影响较小，且双曲屋盖失高较小，结构整体计算时，曲面屋盖简化为平屋盖建模。顶板覆土恒载取值18kN/m2，顶棚设备吊挂等活载取值8~10kN/m2。

3.3 屋盖计算模型

剧场屋盖形式较为复杂，传统逐层建模方式的计算软件无法真实模型屋盖的受力情况。因此，采用盈建科空间结构计算模块，将上述三维顶盖模型导入，屋面板采用弹性板，框架梁柱均采用实体单元模拟，分析屋盖结构的整体变形、受力情况及水平推力对框架柱受力的影响。

3.4 屋盖结构分析结果

屋盖结构空间模型的挠度分析结果见图2，屋盖挠度最大位置在跨中靠近边界处，挠度最大值为19.5mm，挠跨比约为1/1200，屋面的挠度变形较小。而按平屋盖简化计算的最大挠度却达到123.5mm，挠跨比约为1/189，大于1/300 的规范限值，须预起拱45.5mm 方能满足规范要求。

图2 屋盖挠度分析结果/mm

空间模型的分析结果还显示，曲面模型梁底配筋比平面模型小；但双曲屋面对两侧的框架柱产生较大的水平推力、附加弯矩与变形。

4 大桥影响分析

4.1 基坑简况

基坑开挖深度为10.650m，基坑总开挖面积约11300m2，总周长约515m，周边存在大桥保护区。根据《基坑工程技术标准》第3.0.1 和3.0.2 条[2]，基坑安全等级定义为二级，环境保护等级定义为一级。

4.2 杨浦大桥概况

杨浦大桥主桥包含主孔+边孔，中间设置辅助墩，全长1178m，属于特大桥。采用桩基承台基础，桩型为450mm×450mm预制钢混凝土方桩，有效桩长约30m。

该项目基坑等级为二级，基坑外边线与东侧杨浦大桥桥墩最近距离约68m，对于杨浦大桥的安全保护距离为65m。而大桥管理部门的文件要求的保护区为80m。因此，本工程地下室基坑施工期间，该大桥为重点保护对象。

4.3 围护方案

围护的挡土结构为直径1000mm 间距1200mm 钻孔灌注桩，其有效桩长为24m，采用三排三轴搅拌桩作为止水帷幕，支撑体系为两道钢筋混凝土支撑。

4.4 分析软件

已有文献表明，在分析基坑开挖对周边建构筑物的变形影响方面，将三维问题简化为二维问题，不仅可以提高计算效率，并且计算精度及结果合理性方面均能满足实际工程的需求[3]。因此，该项目的数值分析模型采用国际著名的岩土工程通用有限元软件PLAXIS2D 建立，分析基坑整个施工过程中的稳定性和对周边地层和既有构建筑物的变形影响。

4.5 分析模型

基坑围护分析边界条件为：底部指定各方向位移为零，即采用固定边界；侧面法向采用固定边界，竖向允许变形。使用《基坑工程手册》[4]中推荐的PLAXIS 特有的HSS 本构模型模拟土体真实属性。选取距离大桥最近一侧剖面，建立土层情况、支护结构和杨浦大桥的完整数值模型，分析基坑开挖过程对东侧杨浦大桥的影响。

4.6 分析结果

分析结果见图3，最不利工况为基坑开挖至坑底时，相应的基坑水平峰值位移为18.22mm。分析结果还显示，基坑竖向最大位移为16.54mm，在这样的位移水平下，围护结构能够保证正常工作；基坑工程施工引起杨浦大桥最大沉降约0.61mm。大桥保护要求为桥墩水平和竖向位移均不超过1mm/d，累计不超过3mm。可见基坑开挖到坑底时对杨浦大桥的影响也在允许范围内。

图3 位移分布（水平向，峰值18.22mm）

5 结论

临近大桥保护区的地下结构项目，综合性较强，以下是此类项目的一些总结：

（1）对于多功能的地下结构，且景观呈坡地效果，为减轻结构覆土荷载，顶板往往存在高差，计算时应按真实板面标高建模，并加强高差处梁板柱配筋设计。

（2）桩基选型时不仅要考虑受力特点，更重要的是适应大桥的保护要求，优先采用灌注桩、薄壁钢管桩等非挤土桩，如必须采用管桩等挤土桩，应采取有限元分析手段进行桩基施工模拟，提出必要的大桥保护措施及相应的监测要求。

（3）整体计算时，剧场双曲屋盖可按平屋盖建模。而双曲屋盖空间模型结果显示，按平屋盖建模的计算挠度及梁配筋偏于保守。而水平推力对框架柱的受力影响不容忽视。

（4）基坑开挖施工对大桥的影响是大桥保护方案的重要内容，而PLAXIS 有限元软件则提供一个很好的分析模拟工具。