鄭州某地鐵上蓋建筑結構設計分析

張 帆

[上海市市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

伴隨地鐵這一軌道交通形式在我國城市公共交通體系中體現越來越重要的作用，地鐵上蓋建筑也大量涌現。而地鐵上蓋建筑設計中最為特殊且重要的一點即要確保地鐵結構安全及正常運營，這往往會給設計施工帶來較大的難度。雖然現在有較多工程采用一體化設計，如北京八王墳車輛段上蓋、上海地鐵莘莊站、徐盈路站地鐵上蓋等[1]，但是也存在地鐵結構設計未考慮上蓋建筑，地鐵施工在上蓋建筑施工前已完成等情況。對于此類情況，上蓋建筑設計施工過程中就需采取措施減小對地鐵影響，確保相關影響滿足地鐵相關規范要求。

本文以鄭州高鐵南站西廣場地下空間工程一期工程為例，分析工程施工及使用對于下方城郊鐵路工程（二段）的影響，并在設計中提出減小相關影響的措施。

1 工程概況

本項目位于鄭州高鐵南站西廣場地下，緊鄰地鐵功能區，為地下兩層公共停車場建筑，且包括部分地下通道及公共空間。項目地面為廣場，部分為地面道路。項目分為一、二兩期工程，一期下方為鄭州市南四環至鄭州南站城郊鐵路工程（二段）地鐵明挖區間（下文稱地鐵），其為三跨箱體結構，總跨度約25 m，與本工程豎向凈距為0.25～1.6 m，見圖1、圖2。

圖1 工程同城郊線平面關系圖

圖2 工程同城郊線剖面關系圖（單位：mm）

地鐵原設計考慮工況為：地鐵土建施工結束后即回填覆土至設計地面標高。根據施工進度安排，本工程施工前，地鐵主體結構已施工完成。

2 結構方案選型

根據施工進度安排，地鐵施工完成后本工程才開始施工，地鐵原設計僅考慮上方約11.36～13.45 m的覆土荷載，并未考慮與本工程合建而進行相應設計預留。針對此情況，結構方案的選擇有以下三種：一、跨越方案，設置轉換結構將本工程荷載直接傳至地鐵兩側圍護樁及新增樁基上。二、合建方案，依據地鐵柱位確定本工程相關區域柱位，底板以下設置短柱同地鐵柱相連。三、分離方案，將本工程施工過程作為一個類似地鐵施工覆土回填的過程看待，通過調整本工程建筑及結構布置、施工過程控制等措施，來確保地鐵設施的安全及正常使用。

此三種方案各有優劣，方案一對地鐵影響最小，可將本工程與地鐵完全脫離開來，傳力路徑清晰，受力明確。但地鐵跨度約25 m，本工程與地鐵之間凈距無法滿足跨越結構的空間要求。方案二中地鐵與本工程合建，考慮到原地鐵頂板設計荷載比本工程荷載要大，采用此方案能滿足地鐵原設計的要求，且施工方便。但一方面地鐵柱網與本工程柱網斜交，若按地鐵柱網進行相應布置，本工程建筑功能較難實現；另一方面，地鐵與本工程的設計使用年限不匹配。方案三的設計前提是本工程整體荷載小于地鐵原設計荷載，通過在設計和施工上的措施來滿足地鐵設施安全性和使用性的要求。此方案需在設計中根據地鐵做出相應的調整，且需根據地鐵相關情況及要求，針對性的進行施工組織。但此方案在現有客觀情況下對建筑功能影響最小，對地鐵影響亦可控。經綜合考慮，本工程采用方案三，即分離方案，地鐵同本工程之間采用素混凝土回填以保護地鐵設施。

3 地鐵保護關鍵節點設計

3.1 情況說明

（1）地鐵原設計考慮覆土約11.36～13.45 m，未設置抗拔樁。本工程結構整體自重比地鐵頂板原設計荷載小，需采取措施保證地鐵抗浮穩定性滿足要求。

（2）地鐵頂板原設計考慮的是均布土壓力荷載，本工程采用框架結構，傳至地鐵頂板的荷載為按柱位分布的集中荷載，荷載形式不同，需核算地鐵頂板結構的安全性及耐久性。

（3）分離式方案無法將本工程荷載直接傳至地鐵兩側，必須考慮本工程對下方地鐵設施的變形影響。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013）[2]、《鄭州市城市軌道交通運營管理辦法》，以及當地其他工程（鄭東新區綜合交通樞紐地下道路工程、鄭州東站東廣場地下空間開發工程等）的建設及評審案例，本工程各種加、卸載施工引起的地鐵鋪軌施工后的地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量需小于10 mm。

3.2 設計應對措施

（1）地鐵抗浮

地鐵原設計無抗拔樁，為確保地鐵抗浮穩定性滿足要求，設計中采取以下措施：a. 建筑設計中，地鐵上方區域不設置樓梯、坡道、下沉廣場等無覆土或少覆土區域。確保地鐵上方區域地下室頂板至少有2 m 覆土。b. 結構設計中，地鐵兩側設置抗拔樁，樁徑700 mm，樁長25 m，樁間距2.1 m，與地鐵外墻凈距2.7 m。c. 施工過程中，要求地鐵原有降水設施繼續工作，降水方案采用原地鐵基坑降水方案，本工程地下室主體結構封頂且頂板覆回填完畢后方可停止地鐵基坑降水。

（2）地鐵變形控制

地鐵基坑深度約20 m，地鐵及本工程總荷載小于地鐵基坑深度處原始土自重應力，地鐵地基為超補償狀態，不產生附加應力引起的沉降，此時的地基變形即為基坑土體的回彈再壓縮變形。土工試驗結果表明，卸荷量較小時基本不回彈，當卸荷比R＜0.4時已完成的回彈變形不到總回彈變形量的10%；再加荷時，隨著再加荷量的增加，再壓縮量開始發展較快，而后平緩，見圖3[3]。當再加載荷量為卸載量的20%時，土樣再壓縮變形量已接近回彈變形量的40%～60%；當在加載量為卸載量的40%時，土樣再壓縮變形量為回彈變形量的70%；當在加載量為卸載量的60%時，土樣再壓縮變形量為回彈變形量的90%[4]。考慮到地鐵設施的變形控制要求主要集中于地鐵鋪軌施工之后，設計中可根據土體回彈再壓縮變形特點，將地鐵上方相關區域的施工過程提前至地鐵鋪軌前，即將再壓縮變形發展較快的施工過程提前，以確保鋪軌后的施工及使用過程引起的地鐵設施變形滿足要求。而且按此施工方案，地鐵鋪軌后的施工過程為地鐵兩側區域的施工，其對地鐵設施的影響也較小。

圖3 土體回彈變形與再壓縮變形典型曲線

（1）卸荷比R

式中：Pmax為最大預壓荷載，或初始上覆荷載；Pi為卸荷后上覆荷載。

（2）回彈比率r

式中：Sc為載荷試驗中全部加荷完成后土體沉降變形穩定時產生的沉降量；Sb為載荷試驗中卸荷全部完成后土體回彈變形穩定時余下的沉降量；Sbi為載荷試驗卸荷過程中第i 級卸荷后土體回彈變形穩定時余下沉降量。

（3）再加荷比R'

式中：P0為卸荷前所加最大壓力；Pi為再加荷過程中經第i 級加荷后荷載值。

（4）再壓縮比率

式中：ΔSrci為載荷試驗中再加荷過程中經第i 級加荷，土體再壓縮變形穩定后產生的再壓縮變形量；Sc為載荷試驗中卸載階段產生的回彈變形量。

具體的施工要求為：在地鐵鋪軌前完成地鐵上方相關區域的結構施工及覆土回填施工；此外，要求地鐵上方及兩側基坑開挖及結構施工對稱同步進行，避免對地鐵產生水平向作用。

3.3 模型計算

（1）抗浮驗算

采用MIDAS GEN 建立三維有限元模型（見圖4），模型包括本工程（包括抗拔樁）及下方地鐵結構。兩者之間通過系桿連接（僅受壓），以模擬兩者之間素混凝土回填做法。根據地勘參數設置底板、側墻及樁底約束。抗浮驗算模型，頂板覆土按2.0 m 考慮。計算結果顯示，抗浮驗算工況下，地鐵兩側抗拔樁上拔力最大值約為780 kN，滿足抗拔承載力要求。

圖4 MIDAS GEN 模型局部示意圖

（2）地鐵結構承載力驗算

根據上節所述MIDAS 模型，按地面覆土3.0 m考慮，驗算地鐵頂板、側墻及底板的承載力及裂縫，結果顯示本工程作用下地鐵結構的承載力及裂縫寬度滿足規范要求。

（3）地鐵結構變形驗算

采用采用巖土工程變形與穩定計算專業軟件PLAXIS2D，通過對實際工況的模擬，分析地下空間開發對下部地鐵結構的影響。計算斷面見圖5，根據地質資料、圍護結構施工圖、本工程及地鐵結構施工圖建立模型，地下空間開發位于地鐵上方，平均凈距約為1.0 m。上部地下空間頂板覆土約為3 m。為減小邊界效應，計算范圍橫向取215 m，豎向取40 m。

圖5 P LAXIS 計算模型示意圖

上文已提及，地鐵地基變形主要為回彈再壓縮變形，計算中首先求得基礎開挖完成后地鐵地基的回彈量，在根據地勘所提供參數，分析得出各工況下地鐵底板處地基最大變形量見表1。本方案要求地鐵鋪軌前完成本工程地鐵上方相關區域施工，可得出從地鐵鋪軌完成至本工程施工結束，地鐵底板的最大變形量為17.1-12.8=4.3 mm，基本滿足地鐵設施的變形控制要求。

表1 各工況地鐵底板處地基最大變形量表

4 結語

本工程位于城郊線明挖區間上方，地鐵施工在本工程施工前已完成。以地鐵原設計方案為依據，在充分考慮施工條件可行性、建筑功能合理性等要求下，設計采用了分離方案。通過調整建筑結構布置、設置抗拔樁及采取針對性的施工組織方案等措施來確保本工程對地鐵影響滿足相關要求。在施工組織設計中，充分利用了土體回彈再壓縮的變形特征，將對再壓縮變形影響較大的施工過程提前至地鐵鋪軌前，確保鋪軌后地鐵設置變形滿足要求。經分析計算，地鐵鋪軌后本工程引起的地鐵明挖段最大變形量為4.3 mm，滿足地鐵設施的變形控制要求。