既有地铁上盖项目的结构设计

郑建文

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235

1 项目概况

本项目位于上海市浦东新区某地铁车站区域，地铁车站斜穿本地块，将地块分割为南北2个区域。场地现状为：原场地内建筑配合地铁车站的施工，在2008年，地铁车站南侧地块地下室以及地铁车站北侧23 m部分地下室，施工至首层标高（局部至地下1层标高）后停工多年，如图1、图2所示。因建筑功能的调整，场地一期在东西两侧原有2栋4层建筑，现方案调整为1栋3层的商场（4#楼）及3栋2层办公楼（5#楼、6#楼、7#楼）。场地二期原设计为1栋17层酒店式办公楼和1栋120 m高办公楼，现方案调整为2栋22层办公楼（1#楼、2#楼）和1栋23层办公楼（3#楼），1#楼、2#楼高度均为99 m，3#楼高度为97.8 m。

图1 地块已施工现状

图2 地块地下室主要剖面示意

2008年已局部施工的建筑方案和现设计方案对比如图3、图4所示。

图3 2008年建筑设计方案

图4 现建筑设计方案

由此可见，2个建筑方案发生了很大变化。现建筑方案的新建建筑与地铁车站外边界最近距离分别为：1#办公楼为31 m；2#、3#办公楼为76 m和94 m。二期新建建筑在地铁保护区内的是1#办公楼、1#楼裙房、2#楼裙房及4A#楼。建筑物设计数据见表1。

表1 现设计方案新建建筑物数据

2 设计重点

本工程最主要的设计特点有2个部分：既有地铁保护和既有结构。

首先分析地铁保护的相关规范要求、地勘资料、既有地基基础资料以及地铁两侧南北区桩基基础设计要求，归纳如下：

1）根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》〔沪市市政法（94）第854号文〕：地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m，相对弯曲≤1/2 500。

2）地勘报告显示，拟建场地属于Ⅳ类建筑场地，处于抗震设防烈度7度区。桩基持力层可选择第⑦2层粉砂以及第⑨1粉砂层。

3）已施工部分图纸：桩基采用直径700 mm的灌注桩，桩端持力层为⑦2层，单桩竖向抗压承载力特征值为2 000 kN，抗拔力为1 000 kN。

基于以上一些既有设计资料，根据相关规范及地铁保护要求，本项目结构设计重点为4部分：新建地上结构设计、已建地下结构加固设计、新建北区基础设计、已建南区基础复核。

3 地下已建部分上新建结构

地铁车站上加建建筑，会引起结构荷载增加或改变，一方面，引起邻近地铁隧道的应力和位移变化，影响列车的运营安全；另一方面，导致原有结构的承载能力受到影响，难以满足正常使用的要求。而本项目南区已建部分的桩基基础紧邻地铁，原有建筑方案为东西向的3层框架结构，新的建筑方案修改势必引起紧邻地铁的桩基基础承受的荷载发生变化，同时引起邻近地铁隧道的土体应力和位移变化。为了减小对地铁隧道的影响，满足地铁保护相关要求，加建建筑的方案设计从以下方面控制[1-7]：

1）上部接建荷载不能过大，保证附加荷载引起的地铁沉降在限值范围。

2）紧邻地铁的桩基承载力不能超过原有承载能力，如超过需对基础进行加固，这对相邻地铁的扰动较大，而且经济性差、可操作性小。

3）尽量控制上部结构的整体刚度和整体均匀性，合理设置抗震缝。

依据上述的设计思路，本项目采用了与普通结构不同的设计流程，如图5所示。

图5 已建地下部分上新建结构设计流程

根据已经施工部分桩基（图6）可承受的反力值，反推上部结构荷载限值，控制上部建筑接建层数，是本项目的主要设计方法。在方案修改过程中，采取缩减横跨地铁建筑体量、地铁以南建筑轮廓线完全退出地铁范围等措施。经过多轮结构计算和建筑方案调整，在保证已施工桩基承载力及沉降计算值满足要求的前提下，最终在结构设计要求和建筑使用功能间找到了平衡，实现了建筑设计及商业使用的目标，如图7所示。

图6 已施工区域桩基

图7 已建地铁上新建商场最终建筑方案

4 地铁保护区计算分析

4.1 沉降计算

本项目在对桩基沉降及对地铁隧道的影响进行计算分析时，采用分层地基模型，同时按同类工程地质条件下的桩基工程经验进行修正。刚度系数K＝Es/h（h为孔底沉渣的厚度，Es为沉渣土压缩模量）。K取低值10 MPa/m，Es＝2 MPa，h＝0.2 m。在计算群桩基础共同作用时，桩顶荷载已知情况下，可获得土与桩群共同作用的基本表达式。地基中任意点的竖向附加应力为每根桩各单元的摩阻力在该点处产生竖向附加应力的总和，采用分层总和法求地基中任意一点的沉降。

沉降计算考虑南区已建地下室及北区未建地下室两部分不同的受力及施工工况。对于南区已建地下室部分，根据既有结构桩基基础承载能力，按上部加建后的结构总荷载考虑。特别指出的是，本次新加盖建筑施工时，将本次上部加盖的建筑作为附加荷载去计算单桩平均荷载。已建地下室施工多年，沉降变形已稳定，不再考虑原有地下室自重、水浮力和补偿荷载贡献。

而北区新建建筑考虑地下室可能出现的渗漏水情况以及基坑开挖降水后地下水位恢复较慢的情况，计算扣除相应低水位要求下的水浮力后的平均桩顶荷载。

在本地块内的地铁车站以8 m为间距，两侧各取27个计算点。对应这些点产生附加沉降的预估结果，形成相应的沉降曲线。可知，塔楼桩基施工后沉降对邻近的地铁车站下卧土层产生的最大附加沉降为7.8 mm。

根据附加沉降的预估结果，受工程桩基工后沉降的附加影响，地铁车站的最小曲率半径为22 857 m＞15 000 m，满足控制要求。

4.2 已建结构桩基承载力验算

根据桩基荷载计算结果，一期已建桩基最大单桩抗拔力为750 kN。经验算，本工程一期已施工桩基抗拔承载力特征值为1 124 kN，满足抗拔承载力要求。一期已建桩基最大单桩桩顶荷载标准值为1 718 kN。经验算，本工程一期已施工桩基承载力特征值为2 090 kN，满足抗拔承载力要求。根据以上分析结果，本地块一期桩基础已施工桩基承载力满足设计要求。

4.3 实际沉降监测结果

从本项目施工开始前至竣工交付时期内，由地铁监测位移变化量可以看出，现场实测沉降与计算较为吻合，在控制要求范围内。地铁监测未有异常情况，北区新建建筑未出现不均匀沉降。

5 地铁车站与上盖建筑连接形式及结构设计

本项目属于典型的地铁上盖项目，地铁车站斜穿本项目，将地块的地下室分为南北2个部分。新加建结构部分在进行方案设计时，为了减小上部加建结构对原地铁主体结构的影响，新加建结构不在地铁上方立柱，而是采用与地铁车站脱开的方式进行设计，即主体结构在首层采用大跨度结构的形式将南北区域商业连接成一个整体，同时将地铁车站范围内的上部荷载通过大跨度结构有效地传至地铁范围以外的主体结构上，并在地下1层采用平接变形缝的形式与地铁车站脱开，此种方式避免了荷载直接施加于地铁车站，保证了地铁运营安全。连接南北区商业广场的大跨度结构跨度为23 m，结构与地铁的关系见图8。

图8 地铁车站与地铁上盖建筑结构关系

大跨度结构的受弯构件可采用的形式有混凝土密肋梁、预应力混凝土梁、型钢混凝土梁、钢与混凝土组合梁、钢结构桁架等。因地下室已施工完毕，若采用型钢混凝土的结构形式，需在地铁两层原地下室结构下插设置型钢混凝土柱，而已建原结构紧邻地铁，因此现场的实际情况对于采用此结构形式产生很大的限制。基于此，本项目进行3种结构形式方案的分析比较，如表2所示。

表2 大跨结构比选

本项目因对地铁上方建筑空间使用要求较高，且大跨结构梁下方需设置设备的综合管线，单向密肋梁间距仅为2 800 mm，无法满足设备管线布置要求，且影响建筑空间使用，因此单向密肋梁的方案对于本项目是不可行的；组合梁造价较高，且施工工艺较复杂，后期维护费用也不低；而预应力结构梁能有效地降低截面高度，满足建筑空间的使用要求，并具有较低的工程造价，因此针对本项目的自身特殊性，大跨度预应力结构梁成为最优选择。

6 已建地下室整体加固设计

由于方案修改，本项目大多数已建部分梁、柱、板的原有配筋已无法满足加建建筑附加荷载的要求。为了保证主体结构的安全，需要对上述构件进行加固。考虑经济性、施工便利、工期等因素，本项目主要采用粘贴碳纤维法、加大截面法、外包型钢法等加固形式。

综合各加固方法的优缺点，结合现场施工的可操作性、工程实际情况等，本项目制定了已建主体结构梁、柱加固的总体原则见表3、表4。

表3 梁加固原则汇总

表4 柱加固原则汇总

7 结语

本文通过实际既有地铁上盖项目的结构设计案例，阐述了在软土地基地区，在已建地铁车站上新建上盖建筑的结构设计方法、沉降计算复核、整体加固设计等，得出以下结论：

1）在既有地铁车站上新建结构应区别于一般新建结构设计方法，找到与既有地铁合适的连接形式。本项目采用接建建筑与地铁车站脱开的方法，减少对既有地铁车站的影响。

2）对于地铁保护区范围内加建建筑，最重要的是对已建地铁车站和隧道的保护，应充分详实地计算并结合实际情况分析沉降影响，特别是对于软土地基地区。本项目采用分层总和法，有效模拟附加沉降预估，并在实测阶段证明计算结果与实际情况的匹配度。

3）已建地下室的加固设计，应充分考虑结构安全可靠度、施工可实施性、经济效益等综合因素，进行一定程度的加固方法归并。

综合以上分析，本项目实现了对于既有地铁的保护要求，建筑使用功能的落实，提升了整个区域的商业价值和人流导入价值，是既有地铁上盖项目的典型示范，是城市发展的有效实践和经验积累。