既有隧道上的多、高層建筑基礎選型

鄭佩瑩，劉海源

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

近年來，隨著城市的不斷建設，特別是城市地下空間的發展，大量的近接工程不斷出現。如盾構隧道近接穿越橋梁樁基工程[1]，市政隧道近接已有隧道工程[2]，近接地鐵隧道下的樁基礎工程[3]等。相較于普通工程，近接工程對圍巖的擾動次數多、受力復雜，如若設計不當，不僅會造成擬建工程的失穩和破壞，還會對既有建筑的安全性產生較大影響，甚至產生難以補救的后果。

國內外較多學者針對不同的近接工程開展了相關研究并取得了豐富的成果。如Shi等[4]對某下穿高速公路的淺埋暗挖隧道的預加固措施進行了研究；殷召念等[5]以重慶東水門大橋·千廝門大橋渝中區連接隧道為對象，采用三維數值計算的方法模擬了該隧道施工的力學行為，并對其近接的既有高層建筑群樁的影響進行了分析；羅鎮[6]結合穗莞深城際深圳機場站近接超重蓄冷水罐基坑開挖工程，對近接高等級建筑物的基坑開挖施工預加固技術進行了研究。然而，由于近接方式、建筑物類型以及地質條件的復雜多樣，近接工程的設計與施工目前仍以經驗為主。

本文以常見的下穿既有隧道擬建建筑物為對象，通過對典型工程實例以及三維數值的分析，對該類近接工程的基礎選型進行了初步探討，所得結論可為類似工程提供參考。

2 典型工程實例

（1）鄒容廣場洞室地基工程

重慶市渝中區臨江門“鄒容廣場”的20層裙樓下，開挖有寬15m的市人防工程臨梯干道，且在裙樓筒體下是臨梯干道（稱主洞）與支洞的交叉部位。該工程場地巖體質量較好，為整體塊狀-厚層狀，構造裂隙不發育。該工程基礎采用的是2.5m厚的鋼筋混凝土筏板基礎，施工時首先將原覆蓋巖層開挖至標高245.9m（此時距主洞頂部6.7m）。鋼筋混凝土筏板下至主洞洞肩為砂巖，洞肩至洞底約3m處為泥巖，洞底3m以下為砂巖。

（2）重慶圖書金融綜合大樓

該綜合大樓（12F/-3F）基礎北側下部建有輕軌區間隧道及風道，并與臨江門輕軌站隧道臨近。區間隧道毛洞尺寸為凈高8.67m、凈寬6.86m，洞頂與基底最短距離約為12.5m；風道隧道毛洞尺寸為凈高5.96m、凈寬4.42m，洞頂與基底最短距離約為5.9m；臨江門輕軌車站隧道毛洞尺寸為凈高20.578m、凈寬23.040m，與基礎的水平距離約6m，與基底的垂直距離約3m。

場地內地勢平緩，綜合大樓基底以下為中微風化砂巖，巖體裂隙不發育，呈整體塊狀-厚層狀。巖層呈單斜構造傾角約10°。

該綜合大樓基礎的最終設計方案為：在既有隧道穿越部分采用C30鋼筋混凝土交叉梁基礎 （1.5m×1.5m，基底標高240.2m）；其它部分采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎 （基底標高237.2m）。

（3）重慶市融匯廣場

重慶市融匯廣場位于重慶市沙坪壩區中心地段，北臨三峽廣場步行街，西側為28/-2F世源大廈，東側是30/-3F層高的慶泰大廈，南邊有地鐵一號線沙坪壩車站通過，西邊有地鐵環線區間隧道通過。融匯大廈地上29層、地下3層，±0.000標高為251.10m，負三層（地下三層）的底標高為234.80m，主體塔樓為框架-剪力墻結構。

地鐵一號線車站頂標高為234.965m，底標高為220.37m，車站開挖高度為14.595m，開挖寬度為23.80m，車站隧道頂部覆蓋層厚度約17.0m。靠近建筑物側車站有一出入口通道，通道頂標高231.25m，底標高為226.25m，開挖寬度8.0m，開挖高度5.0m。其中與車站平行的一段通道在建筑物地下室內，占用地下室的一部分空間。地鐵環線區間隧道頂標高為219.18m（距離上覆地鐵一號線車站隧道底僅1.19m），底標高為211.18m，開挖高度為8.0m，開挖寬度為6.0m，兩隧道中心間距為18.0m。

建筑物地下室的基坑邊緣與車站邊緣的最小距離為11.0～12.5m，與地鐵環線邊緣的最小距離為14.0m。

整個場地均為第四系土層覆蓋，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組泥巖、砂巖。

融匯大廈最終基礎方案為框架柱采用樁基礎，剪力墻筒體為筏板基礎。

（4）小什字車站隧道高層建筑

泛華大廈Ⅱ區（結構層20層）A幢及B幢的基底隧道上覆巖層厚度分別為13.4m和8.5m，部分位于隧道拱頂。泛華大廈Ⅲ區（結構層30層）基底隧道洞頂上覆巖層厚9m，基坑邊緣與隧道側墻最小水平距離為5.6m。三峽經協大廈B幢裙樓建筑柱下條基基底隧道洞頂上覆巖層厚約8.84m，基坑邊緣與隧道側墻最小水平距離為4.5m。

該場地內圍巖地層由全新統 （與中侏羅統沙溪廟組互層砂巖、泥巖及砂質泥巖組成，傾角12°～13°，巖層走向基本與隧道軸線一致。巖層構造裂隙（節理）稍發育～較發育，巖體為層狀及塊狀結構。隧道最大開挖高度13.94m，最大開挖寬度21.40m。

最終的基礎方案為：泛華大廈Ⅱ區建筑基礎為C35的準箱基，泛華大廈Ⅲ區基礎為C35的樁基及C35的條基，經協大廈B區基礎為C35的樁基及C35的條基。

3 三維數值計算

3.1 某幼兒園項目

該項目占地面積6796m2，建筑面積7474m2，其中擬建的教學樓層位于某既有洞室正上方，其建設可能對洞室產生影響。

擬建教學樓平面尺寸（長×寬）為70m×15m，設計地坪高程為230.50m，層數為4層。下方為直墻拱形洞室，主洞室凈高為6m，凈寬為8m。洞內初期支護采用C20錨桿噴射混凝土，厚度為50mm，圍巖進行了錨桿加固及掛鋼筋網和噴射混凝土，錨桿為梅花形布置，錨桿型號Φ22，錨桿長度2.5m，噴射混凝土鋼筋網Φ8@200×200，洞室二次襯砌厚度為350mm，為鋼筋混凝土支撐，混凝土為C30，鋼筋Φ12@200雙層雙向。洞室洞頂標高為212.27m，教學樓基底標高為230.1m （按梁底），垂直距離為17.83m。

場區地層為：第四系人工素填土（Q4ml）及侏羅系中統沙溪廟組（J2s）泥巖、砂巖組成。場內泥巖屬軟巖，巖體完整，砂巖屬較軟巖，巖體較完整，根據勘察報告提供的巖石物理力學參數，按《工程地質勘察規范》（DBJ 50-043-2005）可將圍巖基本質量等級劃分為IV級。

為了減輕對地下洞室的影響，設計中采用筏板式基礎，梁板式筏板板頂平梁頂，筏板厚400mm，梁截面為700mm×1000mm，筏板外伸500mm，外伸部分的底板交角削成135°。利用FLAC3D建立三維模型并進行彈塑性分析。根據勘察報告，計算采用的巖土體物理、力學參數如表1所示。為安全計，整個計算中將砂巖視為泥巖考慮。計算中教學樓按筏板基礎考慮，筏板厚400mm，基底反力為96.3kPa。筏板與地下洞室的模型圖如圖1所示。

表1 幼兒園項目巖土體物理力學參數計算值

圖1 教學樓筏板基礎與地下洞室的三維數值計算模型

計算結果表明修建教學樓引起的圍巖變形最大值為1.22mm，地表沉降最大值約為1.20mm，最大值位置位于①號隧道和②號隧道相交位置正上方（圖2）。而教學樓的修建引起下方洞室產生位移，其中會引起①號洞室產生0.87mm的總位移，0.86mm的沉降；②號洞室0.71mm的總位移，0.70mm的沉降；③號洞室0.53mm的總位移，0.51mm的沉降。洞室的最終位移值在規范規定的允許洞周水平相對收斂值和允許拱頂下沉值之內。

圖2 筏板基礎的豎向位移云圖

整個模型在教學樓施工后的最大主應力值為-0.45MPa，三個主要的洞室拱頂均會出現一定的拉應力區，該區域位于基礎正下方，但該范圍很小，且值也不大，最大值為①號洞室，值為0.02MPa。受壓和受拉最大值均小于巖石的抗壓和抗拉強度。塑性區分布圖顯示，洞室周邊并未出現塑性區，只是在地表填土層出現局部的塑性破壞區。而筏板基礎最大主應力最大值約為-0.06MPa，基礎在左側邊緣處出現較小的拉應力區，最大拉應力值為0.005MPa，基礎未出現塑性破壞區。

整個計算結果表明，教學樓和下方的洞室兩者均是安全的。

3.2 某綜合樓活動室項目

某綜合樓活動室（共7層，含1層地下室）的設計地坪高程為766.5m，基底標高為762.1m，平面尺寸為長83m×寬46m。該綜合樓正下方修建有開挖高度7.87m和寬度14.22m的隧道，洞頂與活動室基底的垂直距離約7m。隧道按Ⅳ級圍巖進行支護。場內地層結構主要為第四系全新統殘坡積粘性土夾卵石以及炭質頁巖組成。

設計時基礎考慮為筏板式基礎，筏板厚450mm，地基作用荷載27.5～155kPa。利用FLAC3D建立三維模型并進行彈塑性分析。根據勘察報告，計算采用的巖土體物理、力學參數如表2所示。計算中教學樓按筏板基礎考慮，筏板厚400mm，基底反力為96.3kPa。筏板與地下洞室的模型圖如圖3所示。

表2 綜合樓項目巖土體物理力學參數計算值

圖3 綜合樓筏板基礎與地下洞室的三維數值計算模型

計算結果表明修建教學樓引起的圍巖變形最大值為0.25mm，綜合樓修建完成后東大門隧道總的拱頂下沉最大值為14.25mm，總的周邊收斂最大值為2.31mm。從拱頂下沉和水平收斂變化值來看，綜合樓的修建雖會對下方的東大門隧道產生一定的影響，但這種影響是比較小的，綜合樓修建完成后隧道的最終位移值在規范規定的允許拱頂下沉值和允許洞周水平相對收斂值之內。筏板基礎的豎向位移云圖如圖4所示，可以看出，筏板中間部分 （包括隧道正上方）將產生最大約1.95mm的豎向位移。

圖4 筏板基礎豎向位移云圖

應力方面，由于基坑開挖卸荷，在綜合樓修建完成后，巖體的最大主壓應力有一定的減小，但變化值不大，變化值最大的僅為0.11MPa。而主拉應力較未修建時都有一定的增加，鄰近基坑邊緣局部點隧道圍巖拉應力超過抗拉強度，最大值達到0.20MPa，但整體來看，綜合樓正下方隧道圍巖所受拉應力并不大，且襯砌混凝土所受的主壓和主拉應力均未超過其抗壓和抗拉強度。

整個計算結果表明，綜合樓和下方的隧道兩者均是安全的。

4 結語

從上述幼兒園以及綜合樓活動室的三維數值計算可以看出，建筑物的修建對正下方范圍內的隧道將產生較大的影響，如果下部隧道為多個隧道交叉，交叉部位所受影響更為嚴重。

根據4個典型工程實例以及三維數值計算結果，建議該類近接工程下建筑物選用筏板或其他類型基礎跨越隧道范圍的方式。

幼兒園項目中，基底至隧道拱頂的垂直距離約為17.8m，建筑修建后洞室最大的總位移不到1mm；而綜合樓項目中，基底至隧道拱頂的垂直距離僅為7m，建筑修建后洞室最大的總位移達到了14.3mm。這表明，建筑對地下洞室的影響與基底至隧道拱頂的垂直距離有較大關系，距離越近，影響越大。因此，建議跨越的基礎應盡量淺埋，從而保證現有的覆蓋層厚度不被減薄。另外，在局部地段如需對巖體進行清除時，則宜采用機械或人工等非爆破方式進行開挖，避免對隧道圍巖的整體性造成不利影響。