闫永军

摘要： 我国在地铁运行对周围环境的影响和地铁隧道开发建筑对邻近桩基影响两方面虽然已经取得了重大突破，但仍有一些弊端暂时没有得好很好的解决。其中跨越地铁超高层住宅桩筏基础设计是地铁研发建筑中重要的一环，因此对其进行了如下研究。

Abstract： Although major breakthroughs have been made in the impact of subway operation on the surrounding environment and the impact of subway tunnels on the construction of nearby piles， some shortcomings are still not well solved. Among them， the design of piled raft foundation for super high-rise residential buildings crossing subway is an important part of subway R & D and construction. Therefore， the following research has been carried out.

关键词： 地铁跨越；超高层建筑；桩筏基础设计

Key words： subway spanning；super high-rise building；piled raft foundation design

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）08-0158-02

0 引言

桩筏基础包含很多优势，竖向承载力高、基础沉降小、整体性强、调节差异沉降能力等，随着当今社会建筑物越来越高、越来越重、越来越大，桩筏基础被广泛运用到设施建设当中。但是，在传统的目前的设计方法中，对上部结构刚度作用的利用率一直呈现效率低的状态，导致建筑材料的大量浪费，因此，改善桩筏基础的设计概念，对设计方法进行系统性研究，对于降低成本，减少浪费而言，现实意义不容小觑[1]。并且，随着地铁得高速发展，地铁隧道施工以及地铁运行对邻近建筑物基础造成的振动影响，已经逐渐浮现于人们的意识层中。可见，对于跨越地铁超高层住宅桩筏基础的研究，具有重要的意义。

1 以实际项目为例探究桩筏基础设计

此处引用华润·新鸿基钱江新城项目的研究数据对此进行详细研究与阐述。

华润·新鸿基钱江新城项目主要由E-06、07、08、09四塊地构成，位于浙江杭州的钱江新城。该项目计划在这四块地上建设高档住宅、商场、公寓以及酒店。拟在该项目的东侧建设高档住宅，其东北方向与庆春东路延伸段相近，东南与富春江路相邻近，西南方向与九号路相邻近，西北则和酒店相接壤。住宅用地总面积约为2.3公顷。

在该项目的高档住宅建设中，采用混凝土剪力墙结构，住宅的主要建筑物均建有一层或两层的地下室，为了使用方便，地下室均不设置缝隙。地上结构为塔楼结构，地下为两层的大底盘。杭州2#号线地铁线是沿着该项目区域东北方向庆春东路的低下施工，即将施工的4#线跨越该项目区域，在庆春东路的钱江路站与2#线对接。除此之外，地铁部门要求在1#、2#楼基础下的8m预留两条净宽约为10m的左右地铁隧道。

通过在网上对三维有限元弹塑性模型（剪力墙结构、桩筏基础和地基三部分组成）进行查询，并综合考虑上部结构刚度、地铁隧道跨度等对筏板性状的影响，将其和所查的数据作比较，发现：

①上部结构刚度几乎对基础最大沉降没有显著影响，但是对最大弯矩、差异沉降具有显著的影响。在忽略上部结构刚度对基础最大沉降影响的情况下，其中，最大沉降减少了不到6%，但是，差异沉降却减少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大弯矩都有较大减少，分别为38%和25%。

②在上部结构达到20层高度后，上层结构刚度对最大弯矩、差异沉降的作用越来越小，这说明上层结构刚的影响是具有一定限度的。

③当筏板的厚度增加时，最大沉降和差异沉降都会减小，并且，当筏板的厚度达到1.5m后，降低程度逐渐减小；但是，随着筏板厚度的增加，最大弯矩呈现出线性增加趋势，这表明仅仅依靠提高筏板厚度的方式使得调节不均匀，这种方式是不可行的。

④筏板的最大沉降和差异沉降都随着地铁隧道跨度的增大而增加，并且随着增幅的加大，筏板最大弯矩也越来越大。

⑤隧道跨度、地基刚度是影响最大沉降的两大重要因素；基础刚度、上部结构刚度是影响最大弯矩、差异沉降的两大重要因素。

⑥当一幢建筑物必须跨越地铁隧道（或者说地铁隧道修建不可避免需要穿过建筑物时），为了使跨越地铁隧道对筏板变形、内力的影响达到最小，可以通过地铁隧道中心线、筏板对角线相重合的方式将桩筏基础跨越地铁隧道；在设计过程中，设计人员应尽可能的避免在桩筏基础边缘设计地铁隧道。

在地铁实际建设过程中，穿过既有建筑物的基础是不可避免地，而下部大部分以桩或桩筏为基础的则是对于（超）高层建筑。但是，一般而言，筏板的差异沉降会直接对建筑物的使用安全性造成影响；筏板的内力也几乎决定了筏板的配筋量。但是，传统的设计经验告诉我们，使用材料越多，越容易保证安全，但这往往会造成材料的大量浪费[2]。因此，对隧道开挖对桩筏基础性状的影响也需要进行一系列分析。

2 地铁隧道的开发对邻近桩筏基础的影响分析

通过构建三维有限元模型结构，将上部结构荷载作用考虑在内，分析地铁隧道施工对邻近桩筏基础的影响：

①开挖隧道实际上对邻近厚筏的弯矩和剪力影响都很小，并不会产生多大的干扰。

②随着隧道开挖的持续推进，筏板的沉降不但没有增大，反而还略微有所减小。

③隧道开挖之后，距离桩顶20m以内的桩身轴力会增大，并且，增大的幅度是，前一排大于后一排，同一排中，边桩的轴力增加明显要大于中桩；距离桩顶20m以下的的，桩身轴力和开挖之前进行对比，明显有所减少；桩身旁距，尤其是在集中在距桩顶20cm以内的桩身区域间会发生明显地变化；桩顶弯矩值会达到最大水平，但是前排桩明显比后排桩大，以及同排中边桩明显大于中桩的规律；而隧道起拱线附近桩身会出现负弯矩最大值。

④开挖隧道的过程中，群桩会向着隧道的方向产生扭曲，发生形变。对同一排桩而言，水平方向的变形大体上一致，没有显著差异。然而，与后排桩相比，前排桩产生的变形更加显著；桩身的水命变形的最大值都出现在隧道起拱线附近。

⑤隧道开挖对于桩身水平方向变形的影响主要发生在桩顶到三倍的筏板底面与隧道中心线的距离的桩身的范围之内。除此之外，隧道埋深几乎不会影响到筏板的差异沉降与最大沉降，其影响在一定程度上可以忽略不计。

⑥群桩的水平变形，会随着隧道所在的土层变形模量的增加而逐渐减小，并且减小的趋势会越来越不明显；但是，隧道所在的土层变形模量的增加对筏板的最大沉降的影响仅仅是使其略微减小，对差异沉降，几乎就没有什么影响。

⑦如果增大盾构掘进正面推力和盾尾注浆的压力，那么桩身挠曲值会逐渐减小，减小到一定的程度，桩身发生远离隧道方向的挠曲。

3 跨越地铁超高层住宅具体设计的归纳

通过网上查阅有关华润·新鸿基钱江新城项目的资料，结合已有的数据，以杭州地铁4#线钱江新城住宅项目段场地为工程背景，分析了地铁运行过程中产生的振动对地表、桩体水平方面位移的影响，大致得到以下幾个结论：

①地面减速度振级随着距地铁中心线距离的增加而逐渐减弱，并且距地铁中心线水平距离大约40m以外的区域，地铁运行周围的居民们表示受地铁运行的影响很小，通过对周围建筑物的数据分析，也得出相似的结论；当然，显而易见的是，地表加速度振级最大的地方位于地铁中心线大概正上方的位置。

②增大隧道埋深，地表加速度振级会越来越小，并且，当距离地铁中心线水平的距离超过40m之后，地表加速度振级随着隧道埋深的增加，其变化可以说是微乎其微。

③因为前排桩在一定程度上会遮挡到后排桩，地铁运行过程中会造成前排桩发生水平位移程度比后排桩的大，然而两者之间并没有显著差异。本次研究结果显示，前排桩桩体水平方向的最大位移为0.09m，后排桩桩体水平方向的最大位移是0.07m；然而，前排桩、后排桩均是在地铁隧道下约10m处，桩身的水平位移幅值达到最大值。

此外，在研究过程中，我们发现跨越地铁得桩筏基础也有比较优化的设计理念，大概归结如下：

①厚度值为2.4～4.0m的筏板厚度为合理厚度；

②对于某些高层建筑上部具有剪力墙结构的情况，合理处理好上部结构刚度能够配置筏板的配筋量，并且效果比较明显，在上文中提到过，与实际的配筋对比，水平方向上的钢筋用量降低了大约31%，垂直方向上的钢筋用量大约降低了20%；

③对于与地铁隧道紧邻的桩来说，可在桩体上部（20cm左右）增设鼓劲、纵径，这样能够提高桩体自身的抵抗水平方向变形的能力。

4 结语

通过分析地基、大跨桩筏基础、上部结构作用下，大跨桩筏基础、抓法基础的内力与变形受到的影响，地铁运行过程中产生的振动对地表、大跨桩筏基础变形的影响，以及并对跨越地铁隧道桩的筏基础进行了优化设计分析，总结为以下几条：

①考虑上部结构刚度的影响，它几乎没有影响的最大沉降基础，但具有显著影响沉降差和最大弯矩，且不考虑上部结构刚度的影响，最大沉降降低了不足6%，然而，差异沉降却减少了足足42%；筏板的X、Y方向，其最大弯矩都有较大减少，分别为38%和25%。根据本研究结果，如果建筑上部采用了剪力墙结构，考虑上部结构刚度的影响能够明显降低筏板的配筋量，在X方向钢筋用量可以减少39%左右的使用量，Y方向更是可以减少43%的使用量。

②差异沉降和最大沉降都随着筏板厚度的增加而减小，并且，当筏板的厚度厚于1.5m时，会慢慢降低减小幅度会；但是，在筏板厚度不断增加的情况下，最大弯矩呈现出线性增加，这就表明仅仅依靠增加筏板厚度的方法使得调节不均匀是不可行的。

③地基刚度的增加会引起一系列减小的状况包括最大沉降和差异沉降等的减少，并且，减小的趋势越来越不明显。另外，当地铁隧道跨度增大时，筏板的最大沉降量也会逐渐增加。然而，地铁隧道跨度对最大弯矩、差异沉降的影响就会降低，相对较小。

④隧道跨度与地基刚度是影响最大沉降两大敏感因素；基础刚度与上部结构刚度是影响最大弯矩、差异沉降的两大敏感因素。当一个建筑必须穿过一个地铁隧道的情况下，为降低使得桩筏基础对整个地铁隧道的内力和变形的影响，使影响达到最小，需要将筏板的对角线和地铁隧道的中心线进行重合。在工程设计过程中，设计人员应尽可能的避免在建筑桩基的边缘穿过地铁隧道。

⑤随着距离地铁中心线的距离的逐渐增大，地面加速度的振级会越来越小，并且，在距离地铁中心线水平距离40m以外的区域，周围建筑和居民的正常生活受地铁运行的影响比较小，甚至没有多大影响。

参考文献：

[1]谢新宇，吴勇华，姜玮东，吴健，刘开富.跨越地铁隧道超高层建筑桩筏基础数值模拟及优化设计[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（10）：3182-3188.

[2]吴勇华，谢新宇，叶军，吴健，刘开富.跨越地铁高层建筑桩筏基础数值模拟研究[J].岩土工程学报，2011，33（03）：441-447.

[3]董芳菲.高层建筑桩筏基础优化设计研究[D].西安建筑科技大学，2012.