既有地鐵上蓋項目的結構設計

鄭建文

上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235

1 項目概況

本項目位于上海市浦東新區某地鐵車站區域，地鐵車站斜穿本地塊，將地塊分割為南北2個區域。場地現狀為：原場地內建筑配合地鐵車站的施工，在2008年，地鐵車站南側地塊地下室以及地鐵車站北側23 m部分地下室，施工至首層標高（局部至地下1層標高）后停工多年，如圖1、圖2所示。因建筑功能的調整，場地一期在東西兩側原有2棟4層建筑，現方案調整為1棟3層的商場（4#樓）及3棟2層辦公樓（5#樓、6#樓、7#樓）。場地二期原設計為1棟17層酒店式辦公樓和1棟120 m高辦公樓，現方案調整為2棟22層辦公樓（1#樓、2#樓）和1棟23層辦公樓（3#樓），1#樓、2#樓高度均為99 m，3#樓高度為97.8 m。

圖1 地塊已施工現狀

圖2 地塊地下室主要剖面示意

2008年已局部施工的建筑方案和現設計方案對比如圖3、圖4所示。

圖3 2008年建筑設計方案

圖4 現建筑設計方案

由此可見，2個建筑方案發生了很大變化。現建筑方案的新建建筑與地鐵車站外邊界最近距離分別為：1#辦公樓為31 m；2#、3#辦公樓為76 m和94 m。二期新建建筑在地鐵保護區內的是1#辦公樓、1#樓裙房、2#樓裙房及4A#樓。建筑物設計數據見表1。

表1 現設計方案新建建筑物數據

2 設計重點

本工程最主要的設計特點有2個部分：既有地鐵保護和既有結構。

首先分析地鐵保護的相關規范要求、地勘資料、既有地基基礎資料以及地鐵兩側南北區樁基基礎設計要求，歸納如下：

1）根據《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》〔滬市市政法（94）第854號文〕：地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）。隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，相對彎曲≤1/2 500。

2）地勘報告顯示，擬建場地屬于Ⅳ類建筑場地，處于抗震設防烈度7度區。樁基持力層可選擇第⑦2層粉砂以及第⑨1粉砂層。

3）已施工部分圖紙：樁基采用直徑700 mm的灌注樁，樁端持力層為⑦2層，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，抗拔力為1 000 kN。

基于以上一些既有設計資料，根據相關規范及地鐵保護要求，本項目結構設計重點為4部分：新建地上結構設計、已建地下結構加固設計、新建北區基礎設計、已建南區基礎復核。

3 地下已建部分上新建結構

地鐵車站上加建建筑，會引起結構荷載增加或改變，一方面，引起鄰近地鐵隧道的應力和位移變化，影響列車的運營安全；另一方面，導致原有結構的承載能力受到影響，難以滿足正常使用的要求。而本項目南區已建部分的樁基基礎緊鄰地鐵，原有建筑方案為東西向的3層框架結構，新的建筑方案修改勢必引起緊鄰地鐵的樁基基礎承受的荷載發生變化，同時引起鄰近地鐵隧道的土體應力和位移變化。為了減小對地鐵隧道的影響，滿足地鐵保護相關要求，加建建筑的方案設計從以下方面控制[1-7]：

1）上部接建荷載不能過大，保證附加荷載引起的地鐵沉降在限值范圍。

2）緊鄰地鐵的樁基承載力不能超過原有承載能力，如超過需對基礎進行加固，這對相鄰地鐵的擾動較大，而且經濟性差、可操作性小。

3）盡量控制上部結構的整體剛度和整體均勻性，合理設置抗震縫。

依據上述的設計思路，本項目采用了與普通結構不同的設計流程，如圖5所示。

圖5 已建地下部分上新建結構設計流程

根據已經施工部分樁基（圖6）可承受的反力值，反推上部結構荷載限值，控制上部建筑接建層數，是本項目的主要設計方法。在方案修改過程中，采取縮減橫跨地鐵建筑體量、地鐵以南建筑輪廓線完全退出地鐵范圍等措施。經過多輪結構計算和建筑方案調整，在保證已施工樁基承載力及沉降計算值滿足要求的前提下，最終在結構設計要求和建筑使用功能間找到了平衡，實現了建筑設計及商業使用的目標，如圖7所示。

圖6 已施工區域樁基

圖7 已建地鐵上新建商場最終建筑方案

4 地鐵保護區計算分析

4.1 沉降計算

本項目在對樁基沉降及對地鐵隧道的影響進行計算分析時，采用分層地基模型，同時按同類工程地質條件下的樁基工程經驗進行修正。剛度系數K＝Es/h（h為孔底沉渣的厚度，Es為沉渣土壓縮模量）。K取低值10 MPa/m，Es＝2 MPa，h＝0.2 m。在計算群樁基礎共同作用時，樁頂荷載已知情況下，可獲得土與樁群共同作用的基本表達式。地基中任意點的豎向附加應力為每根樁各單元的摩阻力在該點處產生豎向附加應力的總和，采用分層總和法求地基中任意一點的沉降。

沉降計算考慮南區已建地下室及北區未建地下室兩部分不同的受力及施工工況。對于南區已建地下室部分，根據既有結構樁基基礎承載能力，按上部加建后的結構總荷載考慮。特別指出的是，本次新加蓋建筑施工時，將本次上部加蓋的建筑作為附加荷載去計算單樁平均荷載。已建地下室施工多年，沉降變形已穩定，不再考慮原有地下室自重、水浮力和補償荷載貢獻。

而北區新建建筑考慮地下室可能出現的滲漏水情況以及基坑開挖降水后地下水位恢復較慢的情況，計算扣除相應低水位要求下的水浮力后的平均樁頂荷載。

在本地塊內的地鐵車站以8 m為間距，兩側各取27個計算點。對應這些點產生附加沉降的預估結果，形成相應的沉降曲線。可知，塔樓樁基施工后沉降對鄰近的地鐵車站下臥土層產生的最大附加沉降為7.8 mm。

根據附加沉降的預估結果，受工程樁基工后沉降的附加影響，地鐵車站的最小曲率半徑為22 857 m＞15 000 m，滿足控制要求。

4.2 已建結構樁基承載力驗算

根據樁基荷載計算結果，一期已建樁基最大單樁抗拔力為750 kN。經驗算，本工程一期已施工樁基抗拔承載力特征值為1 124 kN，滿足抗拔承載力要求。一期已建樁基最大單樁樁頂荷載標準值為1 718 kN。經驗算，本工程一期已施工樁基承載力特征值為2 090 kN，滿足抗拔承載力要求。根據以上分析結果，本地塊一期樁基礎已施工樁基承載力滿足設計要求。

4.3 實際沉降監測結果

從本項目施工開始前至竣工交付時期內，由地鐵監測位移變化量可以看出，現場實測沉降與計算較為吻合，在控制要求范圍內。地鐵監測未有異常情況，北區新建建筑未出現不均勻沉降。

5 地鐵車站與上蓋建筑連接形式及結構設計

本項目屬于典型的地鐵上蓋項目，地鐵車站斜穿本項目，將地塊的地下室分為南北2個部分。新加建結構部分在進行方案設計時，為了減小上部加建結構對原地鐵主體結構的影響，新加建結構不在地鐵上方立柱，而是采用與地鐵車站脫開的方式進行設計，即主體結構在首層采用大跨度結構的形式將南北區域商業連接成一個整體，同時將地鐵車站范圍內的上部荷載通過大跨度結構有效地傳至地鐵范圍以外的主體結構上，并在地下1層采用平接變形縫的形式與地鐵車站脫開，此種方式避免了荷載直接施加于地鐵車站，保證了地鐵運營安全。連接南北區商業廣場的大跨度結構跨度為23 m，結構與地鐵的關系見圖8。

圖8 地鐵車站與地鐵上蓋建筑結構關系

大跨度結構的受彎構件可采用的形式有混凝土密肋梁、預應力混凝土梁、型鋼混凝土梁、鋼與混凝土組合梁、鋼結構桁架等。因地下室已施工完畢，若采用型鋼混凝土的結構形式，需在地鐵兩層原地下室結構下插設置型鋼混凝土柱，而已建原結構緊鄰地鐵，因此現場的實際情況對于采用此結構形式產生很大的限制。基于此，本項目進行3種結構形式方案的分析比較，如表2所示。

表2 大跨結構比選

本項目因對地鐵上方建筑空間使用要求較高，且大跨結構梁下方需設置設備的綜合管線，單向密肋梁間距僅為2 800 mm，無法滿足設備管線布置要求，且影響建筑空間使用，因此單向密肋梁的方案對于本項目是不可行的；組合梁造價較高，且施工工藝較復雜，后期維護費用也不低；而預應力結構梁能有效地降低截面高度，滿足建筑空間的使用要求，并具有較低的工程造價，因此針對本項目的自身特殊性，大跨度預應力結構梁成為最優選擇。

6 已建地下室整體加固設計

由于方案修改，本項目大多數已建部分梁、柱、板的原有配筋已無法滿足加建建筑附加荷載的要求。為了保證主體結構的安全，需要對上述構件進行加固。考慮經濟性、施工便利、工期等因素，本項目主要采用粘貼碳纖維法、加大截面法、外包型鋼法等加固形式。

綜合各加固方法的優缺點，結合現場施工的可操作性、工程實際情況等，本項目制定了已建主體結構梁、柱加固的總體原則見表3、表4。

表3 梁加固原則匯總

表4 柱加固原則匯總

7 結語

本文通過實際既有地鐵上蓋項目的結構設計案例，闡述了在軟土地基地區，在已建地鐵車站上新建上蓋建筑的結構設計方法、沉降計算復核、整體加固設計等，得出以下結論：

1）在既有地鐵車站上新建結構應區別于一般新建結構設計方法，找到與既有地鐵合適的連接形式。本項目采用接建建筑與地鐵車站脫開的方法，減少對既有地鐵車站的影響。

2）對于地鐵保護區范圍內加建建筑，最重要的是對已建地鐵車站和隧道的保護，應充分詳實地計算并結合實際情況分析沉降影響，特別是對于軟土地基地區。本項目采用分層總和法，有效模擬附加沉降預估，并在實測階段證明計算結果與實際情況的匹配度。

3）已建地下室的加固設計，應充分考慮結構安全可靠度、施工可實施性、經濟效益等綜合因素，進行一定程度的加固方法歸并。

綜合以上分析，本項目實現了對于既有地鐵的保護要求，建筑使用功能的落實，提升了整個區域的商業價值和人流導入價值，是既有地鐵上蓋項目的典型示范，是城市發展的有效實踐和經驗積累。