地鐵與其它建筑的共建結構沉降耦合控制技術

尤旭東 楊 科 羅發揚

(1.上海軌道交通十三號線發展有限公司，200070，上海;2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，200092，上海∥第一作者，高級工程師)

近些年以來，伴隨著我國的城市化進程，城市軌道交通進入了高速發展的時期。結合城市軌道交通建設這一契機，大力開發利用地下空間是建設集約型城市，走可持續發展道路的一個重要方面［1］。

在這樣的背景下，結合城市軌道交通共建開發的項目應運而生，隨之也帶來了諸多工程技術難題。其中包括地鐵與開發共建結構的沉降耦合控制這一技術難題。由于功能等條件限制，在結合地鐵設施共建開發的項目中，地鐵設施大多埋深較深，往往位于項目的最下部分。如果地鐵正上方的建筑形態各異，在這些不同的建筑荷載作用下，地鐵設施將產生差異沉降變形，這直接關系到地鐵系統的運營安全。

目前，對于這種同期共建的結構沉降規律的認識以及結構性能對差異沉降的響應規律在理論上和實踐上還未成熟。探討和研究建筑差異沉降的產生機理和控制技術，對于結合城市軌道交通進行地下空間開發具有極其重要的意義。本文將結合上海自然博物館地下綜合體工程實踐，研究地鐵與開發共建結構的沉降耦合控制技術及應用。

1 上海自然博物館地下綜合體工程簡介

1.1 工程概況

上海自然博物館(見圖1)地下綜合體位于上海市靜安區，基地南側為在建雕塑公園，東側為大田路，西側為慈溪路，北側為山海關路。其將成為該區域的重要公共建筑。上海自然博物館通過建筑形體、景觀和公共空間設計與周邊的雕塑公園緊密結合、融為一體。可為前來博物館的參觀者提供一種獨特的體驗，以加強建筑承載的文化信息和使命。

圖1 自然博物館鳥瞰圖

項目用地范圍為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。地下室底板下結合軌道交通13號線明挖區間段南北向穿越，地下室北側有南北向的13號線自然博物館站，西側緊鄰育才中學教室及多層房屋。圖2、圖3 分別為項目平面、剖面圖。

圖2 上海自然博物館項目平面圖

1.2 沉降耦合控制的難點

上海自然博物館項目所處區域土層軟弱，具有含水量高、壓縮性高、孔隙比大、抗剪強度低、靈敏度高、土體流變性及重新固結變形量大等特點［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。可見基礎結構上作用的建筑形態、荷載異常復雜。其中下沉中庭區域，基礎設計控制工況為抗拔工況;其余區域，基礎控制工況為抗壓工況。而軌道交通13號線明挖區間段位于上海自然博物館基礎內部。

因此，需對包括車站、明挖區間段在內的不同區域，進行沉降耦合和控制。否則可能導致地鐵設施沉降差異過大，造成基礎的不均勻沉降開裂、連接口部拉裂漏水，以及地下室底板結構的開裂和滲漏等嚴重影響工程正常使用和地鐵運營安全的問題［3］。

圖4 上海自然博物館上部結構平面圖

2 差異沉降產生的機理

在上海地區典型的軟土地層上，將地鐵設施、大型地下空間以及上部建筑形成一個大型建筑綜合體同期共建，雖然具有各種集約優勢，但位于綜合體內部的地鐵這一城市生命線工程對于沉降影響極為敏感，控制難度大。分析差異沉降產生的機理，可指導設計，有針對性地采取工程措施。

對于上海自然博物館項目這類的共建工程，地鐵設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各異、荷載大小不均，在這些不同的建筑荷載作用下，地鐵設施將產生差異沉降變形。

(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生，將間接地對地鐵設施產生附加拖帶沉降影響。因此，在設計階段就需對工程的沉降進行預估計算，根據計算結果對綜合體建筑物中的地鐵結構、地下室結構、上部結構等采取針對性的設計措施，以控制差異沉降。

3 一體化共建的沉降耦合控制技術

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，往往建設規模較大。雖然建筑物沉降大多均可滿足民用設施的相關要求，但地鐵設施的沉降控制標準較高，通常難以達到。對于上海自然博物館項目而言，工程體量較大，且建筑形狀特殊，無論上部不均勻荷載對地鐵設施的直接影響，還是通過周邊土體對地鐵車站產生的附加拖帶沉降影響，都有可能超過地鐵工程沉降控制標準的上限。因此，需采用針對性的措施來控制地鐵的附加沉降，具體做法可從以下幾方面進行考慮:

(1)沉降耦合控制標準:根據項目特點，制定絕對沉降和差異沉降的雙控標準，指導項目樁基設計和計算。

(2)樁基布置原則:對于沉降較大的區域，通過減輕結構自重、增加樁長、增大樁徑或采用樁底注漿等措施，減少沉降;對于地鐵設施部分，在地鐵設施下設置沉降調節樁來提高其自身的抗變形能力，從而減小地鐵設施的附加沉降影響。(3)沉降耦合計算方法:采用合理可靠的計算分析方法，預估工程樁基沉降，指導設計。

4 上海自然博物館沉降預估計算

明確樁基礎布置原則和沉降耦合控制標準后，就需要選擇合理的沉降計算方法，得到準確合理的計算結果，為設計工作提供沉降控制以及結構受力變形的依據。

4.1 沉降計算方法

對于樁基沉降的計算，上海地區采用較多的是利用Mindlin 應力公式和分層地基模型進行計算，該方法的合理性已為通過實例比較得到證實［4］。并且通過以往大量工程實測數據的積累進行反分析，目前已經積累了一套合理的參數取值。

然而隨著有限元技術的進步和推廣，借助有限元計算軟件，結合已經積累形成的參數取值，不僅可以實現上述計算方法，還可以考慮分層土體的影響、上部結構的剛度調節、空間尺寸的影響等多方面因素，同時還可以提高計算效率及計算精度。因此，有限元三維模型分析在工程實踐中得到了越來越多的應用。

4.2 上海自然博物館項目沉降計算結果

依照前述的沉降控制措施，上海自然博物館項目參照地鐵設施變形控制標準，制定了絕對沉降≤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)的雙控標準。

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

上海自然博物館項目結構形式特殊，受力工況復雜，項目設計過程中了以樁基預估計算為依據，對上海自然博物館、軌道交通13號線車站、區間隧道的樁基布置進行了反復調整，并在地鐵設施下方設置了沉降耦合樁，以控制地鐵變形。自然博物館項目最終的樁布置如圖5所示，預估計算成果如圖6 b)、圖7 b)所示。圖8 中所示計算值為圖6 模型和圖7 模型計算結果相疊加之后的地鐵設施沉降曲線。

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地鐵設施的沉降影響計算

根據計算結果，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號線明挖區間段產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，滿足地鐵設施的變形控制指標。上海自然博物館項目于2014年8月竣工，目前為止結構底板沉降已經收斂。其底板沉降曲線如圖8 中實測曲線所示，最大沉降變形為12.3 mm，與沉降計算值基本吻合。最小曲率半徑為75 000 m，滿足地鐵設施的變形控制指標。

5 結語

通過以上理論分析和上海自然博物館工程實踐可以看出，針對將地鐵、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，運用合理的計算方法及參數對工程差異沉降進行預估分析，并根據分析結果在設計上采取相應的技術措施，可將綜合體工程對地鐵車站產生的差異沉降影響控制在地鐵設施保護要求范圍之內，確保地鐵設施安全，從而使綜合體共建工程可以順利實施。

目前上海自然博物館地下綜合體已對外開放，其作為上海市示范項目，收到了良好的社會評價。

圖7 上海自然博物館建筑沉降對地鐵設施的附加影響

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施的沉降變形

［1］Calthorpe P.The Next American Metropolis- Ecology，Community，and the American Dream ［M］.New York:Princeton Architecture Press，1993.

［2］賈堅，謝小林.上海地下綜合體的建造模式及沉降耦合控制［J］.建筑結構，2009，38(9):71.

［3］Jia J.The settlement characteristic of underground urban complex in Shanghai［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University:Science，2009，14(3):365.

［4］樓曉明，劉建航.高層建筑樁基礎對鄰近隧道影響的監測與分析［J］.同濟大學學報:自然科學版，2003，31(9):1014.

［5］張震.盾構隧道結構長期沉降研究綜述［J］.城市軌道交通研究，2013(3):135.

［6］王慶國，賈堅，樓曉明，等.地鐵車站與周邊開發共建的差異沉降控制分析［J］.城市軌道交通研究，2008(6):23.