随着社会经济发展,大城市中新建建筑物与原有建筑物邻近情况越来越多,尤其周边建筑物具有重要的社会功能时,会对新建建筑提出严格的限制条件。而新建的高层建筑具有基础沉降变形大、施工周期长的特点,当其与地铁邻近时,如何保证新建建筑在施工和使用阶段不影响周边地铁的正常运营,是亟待解决的新课题。

　　 新北京中心三期项目,塔楼为超限高层,地下室与已运营的地铁6号线距离只有15m,塔楼距离地铁6号线距离为30m。为了减少对地铁结构产生影响,采用优选桩长减少塔楼沉降、分期施工以及增设隔离桩的措施,满足了地铁运营的变形要求,为类似项目提供借鉴和参考。

　　 新北京中心三期塔楼位于北京通州新城运河核心区。塔楼地上建筑面积约15.7万m²,地下面积约6.3万m²,地下4层,地上57层,建筑高度275m。地下室东侧紧邻地铁6号线通州北关站,南侧紧邻地铁R1线北关站,西侧和北侧紧邻环遂,相对位置关系详见图1。由于地铁6号线通州北关站已经运营,所以要求项目在施工至投入使用的全过程期间,严格控制变形并进行监测预警,变形控制要求详见表1。

　　 基础底面以下地基土层分布见图2。⑨层细中砂,压缩模量为70kPa,⑩₁层重粉质黏土、粉质黏土,压缩模量为22kPa,⑩层粉细砂,压缩模量为80kPa,均可作为桩端持力层。

　　 塔楼采用桩筏基础,桩型采用后压浆钻孔灌注桩,采用泥浆护壁成桩工艺,综合考虑经济性、施工难度及成孔可靠性,采用1.0m直径钻孔灌注桩,并采取桩底、桩侧后压浆工艺。核心筒下筏板厚度为3.5m,柱下承台厚度为4m。塔楼埋深24m,绝对标高1.0m,裙房埋深21.5m,绝对标高3.5m,6号线埋深约21.5m,绝对标高3.5m。

　　 根据Randolph的建议^[1],单桩沉降引起周围土体剪切变形的水平影响范围r_m为:

　　 $r{}_{\text{m}}=2.5l(1-V{}_{\text{s}})$

　　 式中:l为桩长;V_s为桩周土体的平均加权泊松比。

　　 即使对于非常软弱的淤泥质土(V_s=0.5),单桩沉降情况下其剪切变形的影响范围也能达到1.25倍桩长,本工程群桩对土体的影响必然大于单桩,桩长按承载力确定最小为45m,所以群桩桩基沉降影响范围大于56.25m。

　　 加长工程桩可减少群桩桩基沉降,进而周围土层沉降与隧道沉降也会随之减少。但当桩长增加到一定程度后,桩基沉降差异将不再明显^[2],成本很高,故应结合实际情况确定合理的桩长。

　　 选取沉降最大区域塔楼核心筒的桩筏基础为主要分析对象,核心筒筏板为六边形,将其等效成正方形36m×36m。基底附加应力p₀=1 000kPa,桩混凝土采用C45,直径1m,桩间距3m,核心筒下三角形布桩,共198根桩,按承载力控制单桩承载力不小于9 600kN。桩基布置详见图3。

　　 根据承载力要求,桩长最小长度需满足45m,对应持力层为⑨层细中砂,分别计算45～70m不同桩长(选取桩长间隔为5m)的桩基沉降,综合考虑经济性、施工可靠性等因素来确定合理桩长。计算超长桩在较大桩顶荷载作用下的沉降时,不可忽略桩身混凝土轴向的非线性压缩变形^[3]。所以本文桩基沉降采用桩顶沉降,除了按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)^[2](简称桩基规范)考虑桩端土压缩变形,同时考虑了桩身压缩变形,即桩基中心点沉降=桩身压缩变形+桩端土压缩变形。采用等效作用分层总和法,依据桩基规范,计算桩身压缩和桩端土压缩变形。得到不同桩长的沉降计算结果见表2及图4。

　　 计算结果表明:随着桩长的增加,桩身压缩增大,而桩端土的变形逐渐减少。以⑨层细中砂为持力层时,桩基沉降随桩长的增加明显减少;以⑩层粉细砂为持力层时,随着桩长的增加,桩基沉降减少得微乎其微。穿过高压缩的⑩₁层重粉质黏土、粉质黏土,以⑩层粉细砂为持力层时,能够有效减少沉降。从经济方面,桩长与造价成本的关系见表3,45～60m的单桩成本变化不大,而60～70m单桩成本随桩长增加而显著提高。综合不同桩长的沉降分析和造价估算,最终采用图4中曲线折线点60m桩长作为工程方案,其比45m桩长方案沉降值减少了28mm,约28%,成本增加了约10%。

　　 为了保证沉降计算的准确性,采用PLAXIS软件进行桩基数值计算。计算模型有如下考虑:

　　 (1)土体采用HSS模型,HS Small材料模式是在土体硬化模型(HS)基础上考虑土体小应变阶段刚度增强效应的本构模型,是可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型,具有模拟塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力。基坑开挖主要是土体的卸载,HSS模型相对更适用于本工程。

　　 (2)筏板采用Plate板单元模拟,土体采用Soil土单元模拟,桩基采用Embedded Pile单元模拟。底部约束条件为水平、竖直方向都固定,四周约束条件为水平方向固定、竖直方向不固定。

　　 (3)分析模型根据实际工况考虑地下水及时空效应对桩土相互作用中土体有效应力的影响。

　　 (4)土体强度指标与渗透系数参考地质报告取值,各类土的变形模量考虑应力路径的影响,卸荷变形模量取值为:

　　 $E{}_0=\lambda {\gamma }^{\prime }z$

　　 式中:E₀为变形模量,MPa;λ为与变形模量对应的应力路径影响系数;γ′为土体有效重度;z为深度。

　　 计算结果详见图5,主楼最大沉降约为50.8mm,与桩基规范计算结果相差约10%,平均沉降44.2mm,主楼下筏板的整体挠度为0.35‰。裙房最大沉降36.6mm,平均沉降24.9mm。主楼与裙房的差异沉降最大值为0.73‰,满足《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ 11-501-2009)的变形要求。

　　 桩基规范中计算桩基沉降的分层总和法为估算方法,误差较大;以本构模型为基础的有限元数值分析方法较为精细,但土参数的选取会影响桩基沉降计算结果。本项目两者计算结果偏差不大,可相互印证。

　　 本工程施工过程大约分为6个阶段:打桩—基坑开挖—地下施工—地上施工前期—地上施工中期—全部施工与装修完成,各施工阶段变形趋势分析如下:

　　 打桩阶段:加强局部土体,对周围的隧道建筑影响较小。

　　 基坑开挖阶段:地基土卸载,附加应力为负值,坑底回弹;周围地铁结构相应出现逐渐上浮的趋势,水平方向会因土体约束作用减少而向基坑方向产生位移。

　　 地下施工阶段:坑底因卸载而产生的回弹变形还在继续,基底附加应力影响范围较浅;随着结构加载,地基土体产生的下压变形与卸载回弹变形相抵消,整体变形速率非常小。地铁结构逐渐上浮的趋势逐渐稳定,而向基坑方向产生位移的趋势也会逐渐稳定。

　　 地上施工阶段前期:荷载增加引起的附加应力扩散至桩长范围以内;地基土体压缩变形有相当部分为回弹再压缩变形,压缩变形速率较小。地铁结构变形改为逐渐下压的趋势。

　　 地上施工阶段中期:考虑外框与核心筒施工期间有6～7层的施工差,接近封顶时外框施工速度加快,同时存在较大的装修荷载,附加应力扩散至桩端以下;桩端范围土体与桩长范围土体相比压缩模量会突变,此阶段地基土沉降变形曲线有突变的特点,压缩变形速率增大。地铁结构相应会回位并出现向下的沉降,水平方向会再次向基坑方向产生位移。

　　 全部施工与装修完成:全部施工及装修完成以后,上部结构变形逐渐完成,地基内力逐渐稳定,地基土的变形仅为随时间调整及蠕变部分,变形速率逐渐减缓。地铁结构的竖向沉降和水平位移逐渐稳定。

　　 为了减少大面积基坑开挖和塔楼施工对地铁6号线的影响,本工程地下室分两期开挖施工。分区图详见图6。待分区1施工到地上阶段后,分区2开始施工。该做法由于基坑与地铁结构水平距离增加,减少了分区1施工对地铁6号线结构的影响。同时塔楼分区1地上施工阶段对地铁结构的下压变形与分区2开挖导致地铁结构的上浮变形相抵消,进而减少地铁结构的累积变形。

　　 采用MIDAS/GTS软件进行模拟计算,得到地铁结构的变形见表4。竖向变形和水平变形均未满足地铁结构正常运营的变形控制要求(表1)。

　　 分区2地下施工采用环撑方案,具体施工顺序为:在分区1的东侧设置护坡桩,在地铁6号线西侧设置地下连续墙,并在分区1设置钢柱及冠梁与主体各层结构连接,对分区2进行开挖,并在冠梁与地铁6号线西侧地下连续墙之间由上至下设置钢支撑,拆除分区1,2间的护坡桩。待分区2开挖完毕后,由下至上施工分区2地下室,并拆除钢支撑。做法示意详见图7。

　　 应注意地下室的抗拔桩与分区护坡桩避让。钢支撑水平间距约为1.6m,其代替各层楼板对连续墙形成支撑,故分区1的地下室应注意两侧土体间水平力传递的贯通性,尤其是与冠梁连接的1～2跨楼板的连续性要得到保证。在沉降后浇带造成楼板分断的位置,应增设构造加强措施,保证水平力的传递。另外,与冠梁连接的楼板不能太薄,应复核局部受压承载力。

　　 首先根据结构的位置,将支护结构进行施工放样,并尽可能利用设计方案确定立柱之间的位置,待支护结构施工完毕后,开挖首层土体(通常开挖至首层楼板梁底部标高),为地下室结构的地下1层梁板的施工创造条件;待地下1层顶板达到施工要求的强度后,再次向下开挖土体直至地下2层顶板标高处,并施工地下2层梁板,依次向下开挖施工至地下结构的底板标高处并随后浇筑底板。

　　 因北京地区土质较好,基础稳定性较好,很少采用逆作法。本工程为了防止接驳大厅的出入口变形较大,局部接驳大厅位置(地下局部1层)拟采用逆作法施工,详见图6。

　　 施工顺序为:1)施工主体地下室范围内结构(分区2施工完毕);2)开挖土方并施工局部地下室顶板;3)开挖土方并施工地下室底板;4)顶板上部覆土至室外地面标高。

　　 由于接驳大厅面积不大,且为地下1层,根据分区1与分区2的变形监测情况再决定该局部是否有必要采用逆作法。

　　 隔离桩是指在隧道和群桩之间设置无上部荷载的桩,对群桩引起的土体位移起遮拦作用,使得群桩顶荷载不能直接传递到隧道处,来达到减小隧道位移和变形的作用,影响示意详见图8。根据黄晓阳^[3]的研究,隔离桩长取工程桩长的1.25倍最为有效,且离受荷桩群距离越近越好。

　　 为了满足变形控制要求,在距离主楼桩群10m左右设置隔离桩,桩径1m,桩长85m,桩间距取1.5m,桩顶离基础底板下1m。布置图详见图3。增设隔离桩后地铁结构变形结果对比详见表5。

　　 增加隔离桩的方式有效减少了结构变形,减少比例达到30%～40%,满足了地铁变形限制要求。

　　 在施工或使用过程中,如果地铁结构变形较大,需要采用必要的补救应急措施来保证其正常运营。

　　 跟踪注浆是在土层沉降处注入适量水泥或化学浆,起到补偿地层的作用,从而减小沉降。它是一种在隧道结构已产生位移的补救措施,根据隧道可能发生大位移或已经发生了部分位移,通过局部注浆增大隧道外侧的荷载和改善土性,迫使其反向位移。

　　 本文结合新北京中心三期项目,研究并归纳了新建高层对邻近地铁的变形控制方法和措施,主要有:

　　 (1)增加桩长方式可以减少新建超高层的桩基沉降,进而减少对邻近地铁的影响。本项目计算不同桩长的变形情况,按照桩长-桩基沉降曲线选取合理的桩长(60m),其沉降与满足承载力的45m桩长相比减少了28mm,约28%,成本增加仅为10%。

　　 (2)采用分期施工的方法可以减小基坑开挖引起地铁结构水平变形,并且利用塔楼加载的下沉效应和分区2开挖的反弹效应相抵消的有利作用,减小基坑开挖引起地铁结构竖向变形。

　　 (3)分析了新北京中心三期项目分区2施工的工序,总结主体结构设计配合时需要注意的问题,和加强措施。

　　 (4)设置隔离桩可以减少超高层塔楼对地铁结构的变形影响,比例达到约30%～40%,是非常有效的控制措施。

　　 (5)跟踪注浆方法是一种应急补救措施。可以在地铁结构变形过大时,进行纠偏。