地鐵車站的抗浮設計

張景花

近年來,隨著城市地下軌道交通建設規模的不斷擴大,大部分地鐵車站均以淺埋、明挖施工居多,而很多城市的地下水位又較高,水位也不是穩定不變,且地鐵設計均是百年工程,這使得地鐵車站的抗浮設計在地鐵設計中占有重要的地位。

1 抗浮設計的原因及處理方法

地鐵車站上浮的原因是結構重量及車站側壁摩擦力之和小于水浮力所引起的。當車站自身重量(包括頂板覆土重)不能抵抗地下水浮力時,地下車站將產生上浮,導致結構變形破壞,使地下車站不能發揮正常功效,由此產生抗浮設計。

抗浮設計包括整體抗浮驗算及局部抗浮驗算,通過整體抗浮驗算可保證地下車站不會整體上浮,但不能保證底板不開裂變形等現象。局部抗浮驗算可保證底板局部不開裂變形等現象。

2 抗浮措施

2.1 施工階段抗浮措施

地下車站施工階段抗浮措施一般采用基坑外或基坑內降水,使地下水位保持在開挖面下1 m,直至結構施工完畢,頂板覆土完成后才停止降水。

2.2 使用階段抗浮措施

2.2.1 配重法

這是一種常規的抗浮措施,對于地下車站,配重法的優點表現如下：1)可以在其頂板上加厚覆土;2)可將車站底板延伸,利用外伸的覆土增加壓重;3)增加底板厚度。地鐵車站中,由于大部分均設在道路下方,增加覆土厚度一般不可行,而將車站底板延伸會使車站圍護結構范圍變大,圍護結構與主體之間要回填壓實,由于地鐵車站基坑較深,施工較困難且填土一般達不到設計要求,對車站主體不利,且延伸部分使水浮力的受力面積增大,相應部分壓載的作用部分被抵消;底板加厚會使基坑埋深加大,水浮力相應增加,這樣壓載的作用會部分被抵消。從經濟角度來說后兩種方法也會使車站造價相應提高。但對于地下與地上結合的地鐵車站,由于車站基坑較淺,可考慮此方法與其他方法結合達到抗浮的目的。

2.2.2 抗拔樁下拉法

這種方法是利用樁體自重與樁側摩阻力來提供抗拔力。它不同于一般的基礎樁,有其自身的獨特性能,樁體承受拉力,樁體受力大小隨地下水位變化而變化。由于基坑深度較深,在地鐵車站設計中多采用機械鉆孔灌注樁,抗拔樁一般根據浮力大小結合車站框架柱及底縱梁設計。但由于地下車站抗拔樁與底板相交處防水很難保證,本方法一般在抗浮梁無法施作且必須進行抗浮設計時采用。

2.2.3 抗浮梁壓頂法

此方法是地鐵車站設計中比較常用的方法,這種方法是利用地鐵車站的圍護結構(鉆孔灌注樁或地下連續墻)在車站頂板上方沿圍護結構設置一圈壓頂梁,使車站在受水浮力上浮時,壓頂梁對車站頂產生向下壓力,同時利用圍護結構的自重及側摩阻力共同達到抗浮目的。由于車站的圍護結構一般是永久性支護,利用這種方法抗浮就目前來說在地鐵抗浮設計中是一種比較經濟實用的方法。一般車站抗浮優先考慮此方法。

2.2.4 抗浮錨樁法

此方法是在民建中近年來大量應用的抗浮技術,一般采用高壓注漿工藝,使漿液滲透到巖土體的孔隙或裂隙中,錨桿側摩阻力比抗拔樁大,更有利于抗浮,且造價低,施工方便。但是普通錨桿受拉后桿體周圍的灌漿體開裂,使鋼筋或鋼絞線極易受到地下水的侵蝕,直接影響耐久性,抗浮錨桿與底板的結點是防水的薄弱環節。國內對抗浮錨桿的設計還不夠成熟,缺乏有關的規范標準,尤其是錨桿的耐久性缺乏可靠的技術控制,又由于地鐵是百年工程,對耐久性及防水要求更為嚴格。目前在國內地鐵車站的抗浮設計中缺少設計經驗。

3 地鐵車站抗浮設計實例

3.1 配重法及抗拔樁的綜合應用

3.1.1 工程概況

某工程位于天津市西外環線西側,為地下1層站、地上1層的地上地下結合站,周邊基本為農田,地下1層總長180.2 m,地上1層為 149.2 m,車站寬為22.8 m,地上室內±0.00相當于天津市1972年大沽高程系2002年高程3.252 m,室外地面標高為-0.45 m。基坑采用放坡開挖,深8.3 m。由于本工程是地上地下結合站,沒覆土重,且面積較大,沒有足夠的荷載重量,抗浮穩定不滿足要求,需要設置抗拔樁,又考慮本站基坑較淺且為放坡開挖。經過分析采用φ 800鉆孔灌注樁和結構主體底板外挑1 m,共同解決車站抗浮問題。

地下抗浮設防水位為地面下0.5 m。

3.1.2 抗浮驗算

水浮力：7.76×(182.2×24.8)×10=350 640 kN。

抗浮重量：

地下結構重量：

覆土重：20×0.5×22.8×31.6=7 204.8 kN。

頂板自重：3 236.8×0.5×26+0.7×26×(321.8+334.7)=54 026.7 kN。

底板自重：4 548.3×0.7×26+181.4×26×(1.32×2+2.08)=105 040.5 kN。

側墻自重：5.96×(22.8×2-10.1-9.6+14.9×2+15.5×2)×0.6×25+149.8×0.6×25×6.96=23 390.1 kN。

站臺板墻自重：(6.7+6.8)×180.2×0.2×25+123.4×4×0.2×1.31×25=15 396.6 kN。

縱梁自重：(1.2×1.2+0.9×1)×180.2×25=10 541.7 kN。

柱自重：0.8×1.0×4.86×25×19+0.8×1.0×3.86×25×6=2 310 kN。

地上結構重量：

板重：3 236.8×0.14×26+495.9×0.14×26=13 587 kN。

柱重：0.5×0.5×26×5×25×3=2 437.5 kN。

梁重：21.6×25×0.3×0.86×23+21.6×25×0.3×0.36×20+180.2×25×0.3×0.56×4=7 398.1 kN。

合計：241 333 kN＜350 640 kN,不滿足抗浮要求。

周邊懸挑1 m土：

(181.4×2+5.3×2+5.8×2)×1×6.6×10=25 410 kN。

底板梁下及側墻下共布置242根φ 800鉆孔灌注13 m長樁;

樁重：242×3.14×0.4×0.4×13×25=39 513 kN。

樁側阻力：

一根樁側阻力：Tuk= ∑λiqsikuili=3.14×0.8×(0.7×3.64×20+0.7×0.6×46+0.7×1.5×51+0.7×1×55+0.5×4.3×68+0.7×0.8×62+0.7×1.16×64)=992 kN。242×992=240 064 kN。

總重：[(241 333+25 410+39 513)×0.9+240 064]/350 640=1.4＞1.15,滿足抗浮要求。

3.2 抗浮梁的應用

3.2.1 工程概況

某工程位于哈爾濱市樺樹街中段路下,本工程為地下2層站,周邊建筑物較多,車站總長180.0 m,車站寬為19.2 m,地面高程相當于哈爾濱大連高程119.280。基坑圍護采用φ 800鉆孔灌注樁間距1.0 m,基坑深15.3 m。由于本工程距離松花江較近,地下水比較豐富,水位較高,且面積較大,沒有足夠的荷載重量,抗浮穩定不滿足要求,需要解決抗浮問題,又考慮本站基坑較深且圍護用鉆孔灌注樁。采用在頂板處φ 800鉆孔灌注樁上設置800 mm×800 mm的抗浮梁解決車站抗浮問題。

3.2.2 地質概況和地下抗浮設防水位

場地地質條件和計算參數見表1。

表1 場地地質條件和計算參數

抗浮設防水位為大連高程系118.10 m。

3.2.3 抗浮驗算

計算取1 m寬結構單元,取最不利處覆土。

水浮力：12.53×19.2×10=2 405 kN。

抗浮重量：

覆土重：20×2.6×19.2=998 kN;

頂中底板自重：(0.9+0.4+0.8)×25×17.8=934 kN;

側墻自重：(0.7+0.7)×25×12.53=438 kN;

站臺板自重：(0.2×25+0.1×20)×10.5=73 kN;

縱梁自重：(1×1+0.9×0.6+1.2×1.34)×25=78 kN;

柱自重：0.7×1.1×(12.53-0.8-0.4-0.9)×2×25/8=50 kN;

合計：2 571 kN。

2 571×0.9=2 314 kN＜2 405 kN,不滿足抗浮要求。

抗浮梁自重：0.8×0.8×1×25=16 kN;

圍護樁重：0.502×21.88×25=274 kN;

樁側阻力(以C17-ZX01)：2.5×(0.75×6.3×19+0.75×2.7×11+0.6×3.8×30+0.75×0.6×18+0.6×3.9×30+0.75×4.6×30)×1 000=905 kN;

則[(2 571+16+274)×0.9+905]/2 405=1.45＞1.15。

滿足抗浮要求。

4 結語

1)地鐵車站的抗浮設計是普遍存在的問題,各地應結合各項工程的實際情況選擇經濟適用的抗浮措施。

2)局部抗浮驗算應與整體抗浮驗算能更好地綜合應用。

[1] 葉健寧.淺談地鐵深基坑施工中的地質風險[J].山西建筑,2008,34(18)：300-301.