大型复杂地下空间结构设计特点

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摘要：总结大型复杂地下空间在结构体系与计算、基坑支护方案、与相邻建（构）筑物关系、结构抗浮等方面的设计特点

关键词：地下空间；结构体系；基坑支护；抗浮

Abstract: Sum up the design features of a large complex of underground space, foundation pit in the structural system and calculation program, and the adjacent building (structure) building relationships, structure and anti-floating Key words: underground space; structural system; Foundation Pit; anti-floating

中图分类号：TU93 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02

随着我国城市化进程的发展，土地资源短缺的矛盾日益突出。尤其是近年城市轨道交通的进程加快，与之相结合的地下空间综合开发逐步增加，大型地下空间的开发利用是继向上空要空间后、城市化可持续发展的又一方向。大型复杂地下空间结构设计具有如下几方面特点：

由于建筑所处地理位置重要，周边环境复杂，基坑支护方案、施工方案的选择受周边环境的影响与控制。

地下结构围护结构设计方案的确定受周边环境（建构筑物、地下管线、道路交通等）条件制约，因为在基坑开挖过程中，岩土变形甚至破坏会导致环境恶化或灾难。大型地下空间由于地处城市中心区或闹市区，周边建、构筑物密集，道路交通流量大，大型枢纽工程还往往与既有的铁路及轨道交通工程合建或紧邻，基坑施工要保证周边建筑、管线、运营线路的安全，基坑开挖对周边环境影响及控制是大型地下空间的重点。

由于大型地下空间集中的使用功能较多，地下结构往往不规则且复杂，不仅是平面不规则、基底标高也根据使用空间的不同而变化，造成基底位于不同地质条件的地层上，也给围护结构设计方案增加了难度。

天府广场基坑1号线站台位于地下三层；2号线车站位于地下四层；公交换乘区域要求地下一层的空间；其余物业及停车场要求一～二层的地下空间，因此基底埋深由8.1～28.09米变化，同时物业空间底板下还设置了地铁1、2号线联络线，基坑深度变化即为复杂，基底土层分别位于稍密～密实砂卵石层及泥岩层。在围护结构方案的确定时，根据围护结构所处位置及地层与基坑深度，确定不同的围护结构安全等级及保护等级，基坑中部等级适当降低；分别采用了桩+锚（盾构调头处用内支撑）、土钉墙、放坡喷锚支护等措施，达到了安全、经济的使用效果。

Y-9、Y-10地下空间位于广州地铁一号线公园前站北侧及二号线公园前站北段东西两侧，且Y-9地块位于地铁一、二号线联络线的上部，施工期间保证地铁车站及联络线的正常使用是本工程的设计重点和难点。针对该地块施工的特殊性，具体采用的基坑施工方案主要如下：

（1）垂直于一号线公园前站方向：将基坑分为两次开挖（即南段和北段），先期开挖北段，在先期开挖基坑与地铁一号线车站之间留置反压土体（南段作为反压土体），开挖分界线（反压土体的底边线）大约在距离地铁车站约23m左右，该反压土体采用土钉墙护坡，以保证不发生土体坍塌以及施工的安全。先期部分基坑开挖时围护结构采用锚索支撑。先期施工部分主体结构完成后，在该部分结构与地铁车站围护结构之间设置钢管支撑，然后进行后期部分（南段）基坑开挖，分步施作完成。

（2）垂直于二号线公园前站方向：地铁二号线车站北段两侧基坑深度基本相同，可采用车站两侧同步开挖的方式解决两侧压力不均匀问题，而不留置反压土体，从而方便施工以加快进度。

（3）公纪区间及一、二号线联络线区间：该地块范围内的公纪区间隧道为矿山法隧道，联络线区间则采用了明挖法和矿山法两种施工工法，因此在基坑开挖过程中需针对不同的施工工法进行不同的施工控制和提出不同的施工要求（有特殊要求的时候需进行特殊处理）。联络线范围的土方开挖实行控制性开挖，如联络线两侧的基坑开挖时采用同步对称开挖避免偏载的出现、控制隧道上方的土方开挖顺序和厚度等，施工过程中为避免由于水压原因造成隧道上浮而要求在适当位置预先设置降水井。

通过以上措施，有效控制了基坑变形，确保了周边道路、地铁车站及联络线的正常运营。

在厦门新站的基坑设计中，由于福厦线总工期原因，要求国铁车站先期投入运营，地铁基坑开挖要求保证上部国铁动车的正常运营，围护结构不能有水平变形，为了防止钢构桥基础变形，钢构桥的桥墩之间设置了一道砼支撑，保证桥墩不产生向基坑内的水平位于。本站国铁部分屋顶137m跨度的钢构是目前国内最大跨度的钢构件，如此大跨的钢构件对基础变形控制要求极其严格，不允许水平位移超过5mm，钢构件的柱基础全部落在地铁车站里面或者基坑周边，基坑最宽处达到了70m，且多处不具备设置砼支撑顶紧基础的条件。为了控制基坑变形，针对本站地层为花岗岩残积土层的条件，采用二次劈裂注浆锚索，即在锚索正常施工工序完成24小时后，多采用一道高强注浆，直到返浆为止。将原有的普通锚索承载力提高了2~3倍，有校得解决了土层锚索支护拉力小、位移过大的问题。

连接布吉客运枢纽工程火车站东、西广场的暗挖人行通道，上方为运营中的广深铁路，通道以近似正交下穿广深铁路正线和到发线，共穿越10股道。由于广深铁路运输繁忙，为减少框架施工对广深铁路运营的影响，首先对既有10股道进行加固，股道下69.884m框架采用中继间法从左右两侧分别向中间顶进，通道其他部分采用现浇的施工方法。通道总长92.659m，其中西广场顶进段长51.854m、两顶进段之间现浇段长8.86m；东广场顶进段长18m、现浇段长13.945m。设计最大顶力13238.0kN。

为保证广深铁路运营安全，对铁路采用直径1.8m挖孔桩和扩大基础，采用12m+16m+12mD便梁扣轨。施工期间，还必须取得铁路运输、工务等有关部门的大力配合，做好安全防护工作和应急处理预案，保证铁路运营和通道施工安全。

基坑及围护结构的设计除应参照工程地质和水文地质条件外，大型综合地下空间还应综合城市总体规划要求，结合周围地面既有建筑物、管线及道路交通状况，通过对技术、经济、工期、环境影响、使用效果、风险分析等综合评价，合理选择施工方法和结构型式，尤其注意采取专门有效的措施确保运营线路的安全。

大型复杂地下空间主体结构体系由其复杂的组成功能决定，还涉及采用的规范、荷载、材料、所处地层、建设时序、结构设计使用年限及耐久性要求等。

大型复杂地下空间集中的功能功能越来越多，可以含地铁（或紧邻）、公交、大铁、出租、地下过街通道、物业开发、地下停车场等功能。

我院既有大型复杂地下空间功能一览表

上述内容涉及的结构设计规范、荷载、材料、各功能的设计使用年限及耐久性要求均不同，各功能空间换乘关系（尤其轨道交通与大铁）决定结构所处的地层深度、建设时序也不一致，地铁、国铁、商业等涉及的规范不同，结构应满足所有功能及不同的行业规范要求。

结构体系的选择与确定是由地下空间的结构特点决定的。大型复杂地下空间由其体量大、功能组成复杂等特点，决定了其结构体系复杂。

在含水地层中，主体一般采用有抗渗要求的钢筋混凝土结构，尽量不设或少设伸缩缝。施工期间的混凝土收缩主要靠分段设置混凝土后浇带或具有补偿收缩混凝土技术的膨胀加强带、采用低收缩混凝土材料并加强养护；使用期间的温度作用影响应通过计算，采取减小混凝土收缩或温度变化的保温隔热措施或设置预应力钢筋或增配构造钢筋等措施。厦门新站最长边尺寸分别达到344米，成都地铁2号线沙河堡站长度达到540.101m，未设置伸缩缝，结构及防水效果良好。

复杂的使用功能还决定了大型复杂地下空间主体结构的结构形式及柱网布置，功能的多样化要求结构形式及柱网布置灵活变化。如天府广场地下空间工程由于整体景观要求，地面设84.5x82.5m矩形开孔，下方为地下一层下沉广场，因此地下一层围绕矩形开孔所对应的下沉广场设置了规则的纵横向柱网；其下的地下二层是半径48米的圆形柱网的地铁1号线车站站厅层（柱网半径分别为R=30m、R=38m、R=48m）；地下一层纵横向柱网与地下二层圆形柱网在2315m2范围内上下未对齐。为满足建筑功能要求，地下一层规则柱网下采用了大面积转换梁结构将上部荷载传至地下二层圆形柱网上，这种处理方式传力简洁明确、结构自重轻、同时兼顾了集水沟等设置要求；实现地铁车站、景观、商业三者的协调。上部商业的大空间要求决定了结构采用双向井字梁布置、下部沿地铁车站纵向净空要求，采用了横向板+墙闭合框架结合纵梁体系；还有局部风道、通道等组成的混凝土剪力墙结构等，构成了复杂的结构体系和灵活的柱网布置及结构形式，部分出地面广场及造型还结合了轻钢结构与网架结构。

同时，大型复杂地下空间还可能由于轨道交通或国铁线路等原因，基坑平面形状及基底标高变化多样，为确保基坑施工安全，对主体结构的施工顺序也会有所制约，主体结构的形式在考虑施工因素的情况下会更加复杂。因此，对大型地下空间的结构体系，需要根据使用功能要求确定，不拘泥于单一的材料、结构形式或柱网布置；在细节上，根据具体的功能要求灵活处理。贯彻结构为功能服务的意识，使结构设计达到安全、适用、经济、美观的要求。

复杂结构体系需要建立三维模型进行分析计算

大型复杂地下空间结构体系的复杂性，决定结构了不能简单采用平面计算结果模拟，需要进行三维数值分析。

如天府广场工程的设计中，为满足阳光能照射到地下四层2号线站台的设计理念，在地铁1、2号线换乘节点上方从顶板至地下三层楼板均要求设置大开孔。而对作为人防顶板的下沉广场层，设置大型孔洞与人防的设计理念是矛盾的；同时由于84.5x82.5米的范围的下沉广场处于阳光直射的室外，而本层楼层面积达46000平方米，下沉广场周边与整个地下一层楼、底相连未设置变形缝，如果按初步设计方案下沉广场上设置四个大孔洞采光，则温度荷载作用下楼板大孔周边相连接部位温度应力过大、还存在应力集中现象。经过对不同结构采用ANSYS大型通用有限元程序建立模拟结构的实际情况进行分析比较，发现造成上述结果的主要原因在于下沉广场受温度荷载作用时会产生膨胀或收缩，而下沉广场与周边结构楼板或底板为一整体，约束了下沉广场楼板的变形，使本层产生了温度应力。楼面开了过大的孔洞，温度应力只能沿孔洞周边的薄弱连接部位传递，因此温度应力对结构影响很大。在结构计算的基础上，结合概念设计理念，在施工图阶段将下沉广场上设置的半径17～27米、面积1382平方米的圆环形开孔，实际上是将受温度荷载作用的结构分成20～30米的结构段，相当于设置了一个10米宽的大变形缝，再辅以保温隔热措施，结构温度影响可以忽略不计，既满足了建筑通透性要求又有效减小了广场楼面结构的温度应力。

在荷载作用方面，大型地下空间作用的设计荷载种类多、组合复杂，除常规的恒、活、地震荷载作用外，往往包含人防荷载、温度作用、列车荷载、城市汽车A级荷载等；涉及的结构设计规范及设计方法也由于使用功能不同而不一致。如直接承担列车荷载作用构件采用容许应力法；常规的民用建筑采用极限状态法。结构的设计计算还应根据结构构件的实际情况具体分析确定。

结构抗浮在大型地下空间设计中尤为重要

地下结构抗浮也是结构设计的重点。大型地下空间结构的复杂性，给抗浮设计增加了难度。

以天府广场工程为例，由于工程体量大、结构形式复杂、结构底板分别位于地下一～四层（埋深8.1~28.09米）不同标高处、地面覆土厚度根据景观要各不相同（2.16~0.36米），结构不同部位的浮力相差较大。地下一层局部84.5x82.5米的下沉广场上方无顶板及覆土，下沉广场下方是深达28.09米的地铁换乘节点，结构抗浮问题尤为突出。

因此，在设计中在柱位及底板的纵横梁适当位置设置一定数量的抗拔桩及底板挑出等辅助措施以解决结构的整体抗浮。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）第5.2.7条（γ0N≤Uk/γs +Gp）,在本次初步设计中，一层抗拔桩设计抗拔承载力为1370kN；二层抗拔桩设计抗拔承载力为4474kN；三层抗拔桩设计抗拔承载力为4164kN；四层抗拔桩设计抗拔承载力为8016kN；（在施工图设计中，再根据挖孔桩揭示的每桩地层情况做分别不同的桩长确定）。

地下三层如采用纵梁下设桩，抗拔桩设计抗拔承载力为5410kN,且由于横向柱网尺寸为11.5，底板厚度为1300，采用Φ1800抗拔桩，桩长约为17.5米。经优化后，抗拔桩设计抗拔承载力为4164kN,采用纵横梁布置，底板厚度不超过1100, 采用Φ1500抗拔桩，桩长约14米。地下四层同样采用此方式。

结构抗浮可采用岩层锚杆或抗拔桩，由于除地下四层外，基底均在砂卵石内只能采用抗拔桩加基底挑板增加压重的方式抗浮。地下四层部分考虑到杂散电流影响及岩层的可靠性，也采用抗拔桩抗浮。

由于联络线处地下二层抗拔桩不能设置，此处抗浮采用联络线底板挑出增加压重的方式抗浮，与地下二层底板拉结，因此联络线上回填土体应密实、稳定。

大型复杂地下空间结构，由于各部位基坑开挖情况、基底标高、内部结构层数、柱网布置情况、结构重量、顶板覆土等均不相同，且平面尺度大，结构整体刚度小，不能采用通常的抗浮压顶梁抗浮，整个结构由局部抗浮控制。即应将结构细分多个区域进行计算，或通过主体结构三维分析结果，得出准确的抗拔力数值，用以进行抗拔构件的设计。

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