邻近地铁住宅建筑基础选型分析

2021-04-09何明哲

工程建设与设计 2021年5期

何明哲

（中国中元国际工程公司，北京 100089）

1 引言

随着我国建筑行业的发展和人们对居住品质的不断追求，住宅项目在朝着大型和综合发展的同时，与轨道交通的结合日益紧密，因此，出现了大量的地铁上盖以及邻近地铁建筑项目。地铁对相邻建筑的影响，与基坑支护的关系处理，超长地下室温度作用影响，带地下室的塔楼地基承载力深度修正等问题息息相关，关乎项目的安全性与经济性，已成为结构设计中的关键问题。本文结合实际项目，对以上问题的产生原因，对基础选型的影响进行定性分析，并对项目中案例的基础选型做简要阐述。

2 项目概况

2.1 项目简介

本工程占地面积189 000m2，总建筑面积339 200m2。其中，地上建筑面积253 300m2，主要功能为住宅、公寓和商业，地下建筑面积85 800m2，主要功能为车库、设备用房和战时人防。场地北侧有规划地铁建设。

本项目分为南、北两片区域，南区为低层洋房及配套地下室，北区为高层住宅及配套地下室。南、北区地下室连为一体，东西向最大长度约为340m，南北向最大长度约为450m。

如图1 所示，北区高层住宅为29～32 层，建筑高度约86.85～93.25m，地下室层高5.7m，含设备夹层2.1m，其中，3#、4#、5#楼含局部2 层小裙房，为临街小商业楼，与高层住宅塔楼主体脱开，无地下室，建筑高度约8.1m。1#～5#楼及附近地下室均临近规划地铁，其中，3#、4#楼的裙房基础以下有规划地铁穿越。3#、4#楼及附近的地下室基础边缘距离地铁洞室中心线8～16m 不等。

±0.000m 相当于绝对标高40.750m，高层住宅1#～5#楼基础底绝对标高约33.250～33.650m，临近地下室的基底绝对标高约33.900m。

本文拟对北区地下室、临近规划地铁处高层住宅及临街小商业楼的基础方案进行分析。

图1 局部总平面示意图

2.2 地质情况

地层岩性：各主要岩层参数及桩基设计参数如表1 所示。

表1 主要岩层及桩基设计参数

天然地基以③中砂、④中砂为持力层，fak=200kPa，桩基础以⑥砾砂为桩端持力层。场地平坦，地貌为冲积平原，场区无不良地质作用，无特殊性岩土，可不考虑液化效应。

地下水：抗浮设防水位绝对标高28.20m，水位在底板以下，故底板不考虑水压力。

2.3 结构主要设计条件

设计基准期：50a，设计使用年限：50a；结构安全等级：二级；结构重要性系数：1.0；基础设计等级：乙级（1#～5#楼，为甲级）；抗震设防类别：丙类。

基本风压：0.55kN/m2；基本雪压：0.50kN/m2；标准冻深：1.2m。

场地抗震设防烈度7 度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为II 类，场地设计特征周期为0.35s。

3 基础选型分析

本项目北侧临近市政道路，不仅与规划地铁相邻，而且受施工运输及场地排布影响，部分区域需采用垂直支护，不论地铁盾构施工，还是支护桩的施工，对基础的选型和布置都会产生影响。与此同时，由于地下室超长，选择不同的地下室基础类型对于释放温度应力是不同的，选择不同的地下室基础类型，承载力修正不同，进而影响高层住宅基础方案，因此，需要综合考虑确定。本文从4 个方面分析以上因素对基础选型的影响。

3.1 基础选型关键因素分析

3.1.1 邻近地铁影响

本项目北侧临近规划地铁，按地铁规划有关条件，地铁洞室直径6m，纵向中心线绝对标高约20m，典型楼座与地铁洞室、土层位置关系如图2 所示。

图2 典型楼座（4#楼）与地铁洞室、土层位置关系剖面图

地铁施工对本项目影响体现在以下几方面。

1）对高层住宅下CFG 桩基础的影响

根据计算分析得到的基底反力，本工程可采用筏板基础，CFG 桩地基处理，对于CFG 桩，桩身承载力对复合地基承载力有重要影响。按力学原理，桩身承载力来源侧阻和端阻，而两者的发挥均与桩身与桩周土的相对位移有关。

当地铁洞室开挖后，临近洞室一侧的桩周土侧限变弱或消失，甚至因地铁洞室引起地表沉降，导致一定深度范围的桩周土位移大于桩身，产生桩身负摩阻力；桩端土层局部卸载，进而使桩端阻的发挥大打折扣。此外，由于桩周土压力不平衡，桩身局部产生横向挠曲变形，进而产生部分弯矩和剪力。

由以上分析可见，地铁洞室的施工，对于临近的CFG 桩基础单桩承载力和桩身承载力均有着不利影响。

2）对临街小商业楼及局部地下室基础形式影响

对于3#、4#楼的小商业楼，地铁洞室穿越其基础下土层。由于洞室开挖，基础持力层土必然下沉，导致基础不均匀沉降。而3#、4#楼小商业部分与主体塔楼脱开，采用框架结构，属对不均匀沉降敏感建筑，因此，需增加基础刚度，采用基础刚度比较好的基础形式，抵抗不均匀沉降。

3）对高层住宅基础布置的间接影响

本项目临近地铁处多数采用垂直支护，支护形式为钢管桩加土层锚杆。为不干扰地铁施工，支护桩位置需靠近地下室，高层住宅筏板基础边界及CFG 桩基础的排布，均须考虑垂直支护桩设计和施工的影响。

3.1.2 基坑支护影响

本项目北侧临近市政道路，考虑运输原因，场地出口及运输通道设置于此，因此，相应区域不具备放坡条件，须做垂直支护，支护形式为钢管桩加土层锚杆。同3.1.1 节，此范围与规划地铁相邻，为避让地铁洞室，支护桩须靠近地下室基础，因此，地下室基础，尤其高层住宅筏板基础出挑距离及CFG 桩位置，均受支护桩限制，设计时须考虑。

3.1.3 温度作用影响及地基承载力修正

地下室采用天然地基，原则上既可用筏板基础，也可用独立基础加防水板方案。鉴于本工程地下室超长，存在不可忽略的温度应力，对墙柱产生可观的水平推力。

对于超静定结构，其温度变化产生次内力的根本原因是约束，同等条件下，约束越强，次内力越大。对于本工程，为减少温度变化对墙柱产生的不利影响，可采用水平刚度较小的基础形式。从这个意义上，选择独立基础加防水板方式，从概念上，更有利于降低温度作用的影响。

3.1.4 构造板及其对塔楼地基承载力深度修正

1）构造板的提出

本工程拟对传统的防水板进行改进，取消基础底板底部设置的聚苯板层，经此改进后的防水板叫作构造板。这样，一方面降低施工难度，加快施工进度；另一方面，从受力角度，构造板可承担少数地基反力，对塔楼地基产生超载作用，提高其地基承载力。

2）构造板对塔楼地基承载力深度修正

按3.1.3 节分析，构造板相比于传统防水板，取消聚苯板层，并因此承担一定的基底反力（根据构造板承载力极限状态反算，且不大于基础底面以上实际超载）。根据土力学原理[1]，基础周边超载是地基承载力深度修正的根本原因，如构造板可承担一定的基底反力，则形成对高层住宅塔楼基础的超载，并折算为等效土层厚度，对基础承载力进行深度修正。

3.2 基础选型

3.2.1 地下室（北区）基础选型

取地下室典型柱网做2 种方案比选，第一种是筏板基础，第二种是独立基础加构造板。经过比较分析，在土方开挖和混凝土工程量上，第二种方案更为经济。此外，超长地下室基础底板需配置双层双向构造钢筋抵抗温度变形[2]，对于第一种方案，因底板厚度大，钢筋量大于第二种方案。综上所述，基础方案确定为独立基础加构造板方案（构造板取消聚苯板层）。

对于北侧部分与规划地铁临近地下室，由本文3.1.1 节分析，采用刚度较大的基础形式：筏板基础。

3.2.2 临地铁高层住宅基础选型

1）基础方案比选

根据项目所在地经验，对典型楼座（4#楼）做2 种方案比选，第一种为CFG 地基处理+筏板基础，第二种为长螺旋压灌桩基础+承台+防水板。经过对比分析，前者经济性优于后者，故采用CFG 地基处理+筏板基础方案。

2）筏板基础及其承载力修正

基础厚度：根据本文3.1.1 节内容以及合作单位对地铁施工仿真分析结果，1#～5#楼受影响较大。为降低地铁施工的不利影响，筏板基础厚度在满足计算要求的基础上，增加至1 200mm，其余楼座可按计算要求确定筏板厚度。

承载力修正：本项目地下室范围较大，满足宽度大于主楼宽度2 倍要求，可考虑基础埋深修正[3]。按3.1.4 节，考虑地下室构造板对基础承载力的提高作用，深度修正系数ηd=1.0，折算土层厚度按3.1.4 节考虑。

3）CFG 桩设计

桩径：根据地勘有关桩基设计参数及当地经验，同等条件下，桩径越小，经济性越好，按施工工艺要求，选择小桩径400mm。

桩长：根据地勘和进入持力层要求，同时考虑桩身承载力尽可能与单桩承载力特征值尽可能接近，经计算，有效桩长12.2m。

桩间距：因高层住宅高度较大，在标准荷载组合下，筏板基底压力呈现出周边大，中间小的趋势，因此需划分区域，对于不同区域，桩间距不同。根据计算分析结果，确定中间区域间距为1.6m，周边区域间距为1.4m，正方形布置。

部分加强桩：临地铁桩，根据本文3.1.1 节内容，需做适当加强，根据专家论证结果，临地铁高层住宅外侧2 排桩，桩长需延伸至约地铁洞室中心线以下D（D 为洞室直径），桩长确定为12.2+6=18.2m，同时，根据本文3.1.1 节内容，需对桩配置全长范围的钢筋笼，提高抵抗局部横向变形能力。