城市下穿隧道抗浮樁標準化設計研究

尤 瀟，王君鷺，劉 罡，茍 超

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

近年來，城市機動車保有量增長迅猛，城市道路交通關鍵節點的擁堵問題日益突出，許多城市在主干道交叉點修建下穿隧道，打造地下空間，以立體交叉的手段解決城市道路交通關鍵節點擁堵問題。而城市下穿隧道在施工及運營期間存在抗浮穩定的問題，抗浮穩定性不滿足要求時需要進行抗浮設計。在常用的抗浮措施中，尤以抗浮樁應用最為廣泛[1-3]。目前，圍繞抗浮樁設計計算的相關研究雖然不少，但其中關于如何合理確定抗浮設防水位[4-5]、抗拔樁單樁承載力[6-7]、抗浮荷載[8-15]等關鍵問題，不同設計人員的計算方法各異。抗浮樁設計涉及巖土工程、結構工程等專業范疇，相關專業規范中的規定也不完全統一；抗浮設計缺乏系統的理論依據和標準化的流程，本文就城市下穿隧道抗浮樁設計標準化中存在的一些問題進行探討，為城市下穿隧道抗浮樁標準化設計提供參考。

1 抗浮設防水位

抗浮水位的合理確定在抗浮設計計算中尤為重要，抗浮水位選取偏安全，對結構承受的地下水的浮力估計不足，在施工、運營階段會引起結構上浮、底板開裂等破壞，嚴重影響行車安全，甚至引發事故。反之，抗浮水位選取偏保守，會增加抗浮工程量，增加工程造價，造成不必要的浪費。多本規范都有關于抗浮水位的相關規定，《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2018)規定：當水文地質條件對基礎抗浮有重大影響時，宜進行專門的水文地質勘察，提供用于計算地下水浮力的設計水位。廣東省標準《建筑地基基礎設計規范》(DBJ 15-31—2016)規定：地下水的設防水位應取建筑物設計年限內(包括施工期)可能產生的最高水位。且在條文說明中表述，如果巖土工程勘察報告中沒有提供地下水的最高水位時，地下水設防水位可取建筑物的室外地坪標高。文獻[4]指出地下水位的變化受大氣降雨、地下水的補給、水的徑流排泄等自然因素等的影響，同時也受到人為因素的干擾，因此地下水位變幅較大，需要對工程沿線的含水層分布及層間水力聯系進行詳細勘察，綜合確定更合理的抗浮設防水位。勘察報告即使給出勘察期間的水位，與近年水位和歷史最高水位也存在很大誤差。綜上，地下工程的抗浮設防水位既不是勘察期間內的水位、也不是工程所在地區的常年最高水位。文獻[5]認為抗浮設防水位應為工程使用期間的最高洪水位，若此水位高出地表，則抗浮設防水位即為工程地表位置。抗浮水位確定為地表的方法在工程設計中被普遍接受，在多數情況下計算結果偏安全，且簡單易行。

2 抗浮驗算

隧道施工階段和使用階段的荷載不同，根據《道路隧道設計規范》(DG/TJ08-2033—2008)規定，隧道結構在施工和使用階段應分別進行抗浮驗算。并給出了施工階段和使用階段隧道結構自重及上覆土層有效壓重的荷載分項系數。驗算公式如下

(1)

式中：Gk、Nw,k、k分別為隧道結構自重及壓重之和、浮力作用值、抗浮穩定系數。根據規范明挖現澆段，使用階段不考慮側墻土體摩阻力時k=1.05。

關于隧道結構自重及壓重的荷載分項系數取值，不同設計人員取值不完全一致。文獻[5]與文獻[8]取值0.9，文獻[9]指出在抗浮穩定性計算中，荷載作用效應應該承載能力極限狀態下的基本組合考慮，分項系數為1.0。

3 抗浮樁設計

3.1 抗浮樁樁長與根數的確定

當前抗浮設計中的常用方法是對下穿隧道分段進行抗浮設計，綜合考慮樁間距、結構尺寸等，確定抗浮樁根數n，計算荷載效應基本組合計算單根抗浮樁的基樁拔力Nk。

(2)

《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2018)規定，群樁呈非整體破壞時抗拔承載力按下式驗算。

式中：Tuk為基樁的抗拔極限承載力標準值；Gp為基樁自重，地下水位以下取浮重度；λi為抗拔系數；qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；ui為樁身周長；li為各土層厚度。

《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG 3363—2019)規定，摩擦樁單樁軸向受拉承載力容許值[Rt]按下列公式計算。

(5)

式中：qik為樁側第i層土的側阻力標準值；u為樁身周長；ai為振動沉樁對各土層樁側摩阻力的影響系數。

《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2018)中基樁抗拔承載力特征值[R]取基樁的抗拔極限承載力標準值的一半，即

[R]=0.5∑λiqsikuili

(6)

對比公式(5)、(6)，基樁抗拔承載力容許值的求解思路一致，系數取值不同。參考兩規范后，抗浮樁承載力特征值或容許值[R]計算公式為：

(7)

在此基礎上結合抗拔承載力驗算公式

Nk≤[R]+Gp

(8)

通過試算求解抗浮樁根數與樁長。

3.2 抗浮樁配筋及裂縫驗算

《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2018)中5.8.7和《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010(2015版))中6.2.22對鋼筋鋼筋混凝土軸心抗拔樁的正截面受拉承載力應符合下式規定

N≤fyAs+fpyAp

(9)

式中：N為荷載效應基本組合下樁頂軸向拉力設計值，即N=1.2Nk；fy、fpy分別為普通鋼筋、預應力鋼筋的抗拉強度設計值；Ap分別為普通鋼筋、預應力鋼筋的截面面積。據此進行抗浮樁的配筋設計。

于此同時，還需依據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010(2015版))中3.4.5的結構構件裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值與7.1.2對抗浮樁進行最大裂縫寬度的驗算。7.1.2規定：按荷載效應的標準組合或準永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度可按下列公式計算。

式中：ωmax為最大裂縫寬度；αcr為構件受力特征系數；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數；σs為按荷載標準組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉普通鋼筋應力；Es為鋼筋的彈性模量；Cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離；deq為受拉區縱向鋼筋的等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率。對于抗浮工程樁裂縫驗算，Nk值取抗浮樁承載力特征值[R]。

對抗浮樁設計流程進行梳理，給出標準化設計流程圖。

圖1 抗浮設計流程

4 結 語

(1)抗浮設防水位的確定在城市下穿隧道抗浮樁設計中至關重要，應根據詳細水文地質勘察結果確定，若勘察報告未給出抗浮設防水位參考值，偏于安全考慮，抗浮水位可取為地表。抗浮樁抗拔承載力特征值可按《建筑樁基技術規范》和《公路橋涵地基與基礎設計規范》分別計算，選擇較為保守的承載力計算結果，且抗浮樁提供的抗拔力應包含基樁自重。隧道結構的抗浮驗算應分施工階段和使用階段分別進行驗算，采用不同的抗浮安全系數。

(2)抗浮樁標準化設計流程中有1組關鍵變量即抗浮樁的根數與樁長，結合計算公式(2)、(7)、(8)可知對于改組變量存在多解，增加樁數可減小樁長，反之亦然。因此，如何確定最優化的樁數與樁長組合，對提高抗浮樁設計的合理性和經濟性有重要的意義。設計人員在實際工程中，可在施工圖設計階段對此問題作進一步的探討，尋求即可保證工程安全可靠施工運營又經濟合理的抗浮設計，對初步設計進行深度優化。

(3)配筋與裂縫控制同樣是抗浮樁設計的核心問題，根據計算公式(2)、(8)、(9)確定抗浮樁的配筋的同時，尚需滿足裂縫驗算，需要認真對待，確保抗浮樁設計計算的安全準確。