南京南站北廣場地鐵車站厚板樁灘式托換基礎(chǔ)變形要求

南京南站北廣場地鐵車站厚板樁灘式托換基礎(chǔ)變形要求

1托換形式的探討南京南站是亞洲最大的車站，不僅連接著八條高質(zhì)量的鐵路和寧武貨線，還連接著南京地鐵1號線和3號線、6號線和12號線，實(shí)現(xiàn)了城市交通與城市交通的一體化。因此南站地下結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計與施工就不可避免地存在對其跨越的地鐵隧道的保護(hù)問題,例如作為南站重要組成部分的北廣場地下空間,在設(shè)計與施工時就既需要考慮對已有地鐵1號線的保護(hù)也需要考慮與地鐵3號線共建時的影響。由于跨越地鐵的建筑常與地鐵線路采用不同的布置形式,這也造成了其基礎(chǔ)上下的結(jié)構(gòu)部分必須通過托換完成結(jié)構(gòu)豎向力的傳遞,在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)自身及隧道保護(hù)的具體要求分析選用適當(dāng)?shù)耐袚Q形式。如圖1所示,南京南站北廣場平面呈半圓形,為一層純地下商業(yè)建筑,東西方向長約395m,南北長約127m,結(jié)構(gòu)標(biāo)高范圍為3.076~11.376m(本文中標(biāo)高均為吳淞高程),南面地下為寧蕪貨線隧道,隧道與廣場水平距離4.45m,底板略低于廣場底標(biāo)高,兩者之間施工開挖采用自然放坡實(shí)現(xiàn)。廣場中部為下沉式廣場,底板下沿南北方向貫穿已建的1號線及在建的3號線兩條隧道。3號線頂標(biāo)高范圍為0.141~2.300m,1號線頂標(biāo)高范圍為-6.970~-7.472m,三者關(guān)系見圖2,3。地鐵1號線為運(yùn)營中的線路,需確保廣場施工不影響地鐵的運(yùn)營工作安全;板下的3號線段為在建線路并與北廣場底板采用共建施工,隧道頂部與北廣場底板底間距最小處僅有0.6m,需要控制底板變形,避免對隧道頂板產(chǎn)生附加壓力。2底板變形分析為確保地鐵安全及本工程的順利進(jìn)行,與地鐵主管部門溝通后,地鐵主管部門對北廣場的結(jié)構(gòu)設(shè)計施工提出了4點(diǎn)要求:(1)北廣場樁基礎(chǔ)不應(yīng)在盾構(gòu)錨桿范圍內(nèi)施工,工程樁及圍護(hù)樁與1號線盾構(gòu)井壁間凈距離確保不小于5m。(2)確保在北廣場及3號線的開挖施工過程中,1號線盾構(gòu)頂部折算土層厚度不應(yīng)小于4m,以免由于上部土體開挖引起上浮變形。(3)在建的3號線處于1號線及北廣場中間,需要先于北廣場施工前完成,隧道頂部與北廣場底板板底間距最小處僅有0.6m,為保證廣場結(jié)構(gòu)不對地鐵隧道產(chǎn)生附加壓力,要求位于地鐵隧道上方的底板最大變形量不大于2cm,同時樁基礎(chǔ)與隧道凈距不小于1m。(4)3號線底板以上的工程樁不應(yīng)考慮樁身摩阻力,并應(yīng)適當(dāng)考慮負(fù)摩阻力。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)結(jié)構(gòu)跨越地鐵隧道時通常需要在基礎(chǔ)部分對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行托換。托換形式可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)、隧道走向及兩者的關(guān)系選擇厚板樁筏式托換基礎(chǔ)或者柱下梁式托換基礎(chǔ)。與以往經(jīng)驗(yàn)相比本工程有以下不同的特點(diǎn):首先,結(jié)構(gòu)需越過軌道隧道的較大跨度,只能在隧道線之間布置少數(shù)幾排樁基,支承樁之間跨度約20~30m,且樁基與上部結(jié)構(gòu)基本沒有對應(yīng)關(guān)系;其次,底板以上結(jié)構(gòu)布置了大量的下沉式廣場,結(jié)構(gòu)剛度較弱,不宜利用上部結(jié)構(gòu)剛度控制底板變形,而底板與隧道之間空間又非常有限,允許變形量很小;最后,由于廣場結(jié)構(gòu)與3號線隧道共建施工,底板與隧道之間的土體均為無法壓實(shí)的回填土。綜合以上各點(diǎn),在南站北廣場的底板設(shè)計中采用了2m厚的厚板樁筏式托換基礎(chǔ),北廣場底板結(jié)構(gòu)平面見圖4。為了盡量減小底板跨越隧道的寬度,同時兼顧隧道施工,將隧道施工使用的圍護(hù)樁延伸至底板結(jié)構(gòu)中兼做廣場底板的工程樁,這樣不僅減小了底板的跨越寬度,還能使底板在跨越方向形成連續(xù)受力以減小底板內(nèi)力。這部分兼做工程樁的圍護(hù)樁除了需要水平承載力抵抗基坑的水平推力外,還應(yīng)考慮豎向承載能力將厚板轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)豎向力傳至隧道以下的持力巖層。與傳力明確的柱下梁式托換基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比,厚板樁筏式托換基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)沒有明確的對應(yīng)關(guān)系,需要通過更為精細(xì)的模型進(jìn)行分析。為了確保工程的安全并更準(zhǔn)確地控制其變形對地鐵隧道的影響,分別采用SLABCAD及MIDAS/Gen兩種有限元分析模型對托換厚板進(jìn)行分析。如圖5所示,分析模型考慮了與厚板相鄰底板的影響。為了簡化模型,將厚板下的間距較密的圍護(hù)樁兼嵌巖工程樁簡化為等面積的連續(xù)墻體,將托換厚板以外間距較大的樁基簡化為等剛度的底部嵌固柱。根據(jù)地質(zhì)勘察報告,場地的強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層土質(zhì)堅硬、埋深淺,都是很好的持力層。強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度不均,且部分位置缺失,因此在設(shè)計時采用中風(fēng)化巖層作為持力層。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),采用直徑為0.8~1.2m的嵌巖旋挖灌注樁作為工程樁,嵌巖段進(jìn)入巖層不小于2m,樁長8~16m。持力層與嵌巖樁都具有非常大的剛度,根據(jù)規(guī)范計算結(jié)果,板下樁基沉降與變形之和最大值約為6mm,因此可認(rèn)為將支承樁簡化為底部嵌固的短柱或矮墻是合理的。表1比較了SLABCAD與MIDAS軟件的計算結(jié)果。由表可以看出,不考慮樁基變形與沉降的底板變形約為5mm。底板變形結(jié)果見圖6。底板總變形量為樁基變形與沉降及底板本身變形之和,即底板總變形量約為11mm,能滿足地鐵相關(guān)方面的要求。北廣場底板最大跨度30m,因此在計算中不僅需要按規(guī)范計算水平地震力的作用,還同時應(yīng)考慮垂直地震力影響,垂直地震力影響系數(shù)為0.6αmax(αmax為水平地震影響系數(shù)最大值)。圖7,8分別給出了恒+活組合工況下及豎向地震力組合工況下的內(nèi)力分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出,恒+活組合工況為控制工況,最大正彎矩與最大變形發(fā)生在中部最大跨度處,而最大負(fù)彎矩則發(fā)生在兩條隧道中間的嵌巖樁頂,這排樁基由于保護(hù)距離的原因無法沿廣場方向通長布置,在角部有一定的應(yīng)力集中?？傮w而言,由于托換厚板在幾跨樁基之間連續(xù)受力,使板底彎矩一部分轉(zhuǎn)移到中間支承樁頂成為負(fù)彎矩,大大改善了托換厚板的受力狀態(tài)?？紤]到底板的連續(xù)作用可能在支承樁頂產(chǎn)生比較大的內(nèi)力,在計算樁頂內(nèi)力時采取樁頂與底板剛接的假定計算樁頂水平力,計算結(jié)果見圖9。樁身設(shè)計時取該水平力與圍護(hù)設(shè)計水平力的較大值進(jìn)行驗(yàn)算,同時滿足豎向力對厚板的沖切驗(yàn)算。3施工工序及監(jiān)測為了減小工程對地鐵隧道安全的影響并加快工程進(jìn)度,北廣場采取與地鐵共建的方式施工,在跨越地鐵的區(qū)段范圍內(nèi)采取分段開挖,每段長度不超過30m,以保證每一段施工時在1號線盾構(gòu)隧道上方都有足夠的土壓力。中部下沉式廣場范圍跨越地鐵寬度最大,所以需晚開挖、早施工、早回填,減少土體回彈的時間。在每一施工區(qū)段內(nèi)采用如圖10所示的施工工序:基坑開挖至廣場底板標(biāo)高→圍護(hù)樁及工程樁施工,其中兼做工程樁的圍護(hù)樁按工程樁要求直接澆至廣場底板設(shè)計標(biāo)高→繼續(xù)開挖至3號線底板標(biāo)高施工隧道→隧道完工并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后盡快回填并澆筑底板,以結(jié)構(gòu)底板代替水平支撐。除了合理安排工序外,施工還需配合嚴(yán)格的監(jiān)測工作:基坑監(jiān)測從施工前一周開始初始數(shù)據(jù)觀測,開始開挖后每天進(jìn)行1~2次監(jiān)測,底板澆筑完成后一周內(nèi)每兩天監(jiān)測一次,一周后每周一次,觀測一個月以后改為每月一次直至基坑竣工。圖11為廣場跨越地鐵最大跨度處沉降最大的3個孔點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)(測點(diǎn)位置見圖4),可見最大沉降量為7.6mm,與設(shè)計計算結(jié)果吻合較好,也滿足了地鐵管理方提出的要求。4托換基礎(chǔ)設(shè)計方法探討隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展,未來將有更多的建筑物出現(xiàn)跨越地鐵隧道的情況,在這類設(shè)計中,設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工程的具體情況分析與城市軌道的相互關(guān)系與影響,并選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。本工程的托換基礎(chǔ)設(shè)計方法可為處理這一類問題提供一定的參考:(1)跨越隧道的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)布置選擇相應(yīng)的托換基礎(chǔ),柱下梁式托換基礎(chǔ)受力明確,但需較大的托換空間;厚板樁筏式托換基礎(chǔ)不受結(jié)構(gòu)布置形式的限