地鐵抗浮安全系數研究

韓磊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

近年來，隨著國內基礎設施建設投入的增加，各個城市的地鐵建設也在飛速發展，地鐵建設的總里程不斷被刷新，但也正因為地鐵屬于公共基礎設施建設，且建設成本較高，導致在運營期間很難收回建設成本，往往票務收入僅夠運營本身的成本，不足以彌補建設成本，地鐵的建設費用只能通過地方財政進行補貼，給地方財政增加了極重的負擔，所以降低地鐵的建設成本成為地鐵建設的關鍵性控制性因素，而地鐵工程費用中的土建成本費用幾乎又占了總投資的一半以上，所以在設計階段便需要精細化設計，將成本控制貫穿于設計的全過程，本文所討論的成都地鐵19 號線工程抗浮計算原則的優化和應用正是以此為目標在保證安全的基礎上盡量做到經濟合理、優化結構減少工程造價。

1 工程概況

成都地鐵19 號線工程是連接成都雙流國際機場與成都天府國際機場的一條關鍵性線路，線路大致為西北至東南走向，設計最大時速為160km/h，全線主要以地下線路及地下車站為主。作為本文主要研究對象的溫家山站是地鐵19 號線的從龍橋路站開始的第4 座車站，車站底板埋深約為25.4m，頂板覆土厚度約為1.6～3.75m，車站整體采用四柱五跨地下三層箱型框架結構，縱向軸間距為9m，結構橫向寬度（左右側外墻外邊緣間的距離）為37m，結構高度（頂板頂到底板底的距離）為23.8m，底板位于中風化泥巖層，由于周邊地質條件良好，無重要建構筑物，故基坑的圍護結構形式采用放坡+土釘墻進行支護，抗浮設計水位為規劃地面以下1.5m，設置有抗浮挑板和抗拔樁用以抗?。ㄒ妶D1）。

圖1 車站橫斷面圖

2 抗浮計算

由于車站圍護結構主要是采用放坡+土釘墻支護，一般地下結構中常采用的圍護樁+冠梁兼做抗浮壓頂梁的做法在本站也無適用條件，所以，在抗浮設計初期優先考慮的抗浮措施是在車站兩側設置抗浮挑板，但由于車站埋深較深，且車站范圍頂板覆土厚度僅有1.6m，在僅設置1.5m 寬的抗浮挑板后仍不能滿足抗浮要求，計算如下：

縱向單延米的結構自重+頂板覆土+挑板上覆土浮重后其總重力G=6250kN，該部分荷載為恒載，不會隨外界因素變化（后文會考慮到該因素）；

縱向單延米的水浮力為W=（25.4-1.5）×10×37×1=8843kN。

此 時 抗 浮 安 全 系 數K=G/W=0.7067＜1.05，顯然不能滿足《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）第11.6.1 條關于抗浮安全系數不應小于1.05 的要求。

于是，考慮在繼續保留抗浮挑板的基礎上設置抗拔樁參與抗浮，預估抗拔樁設置長度為L=15m，直徑d=1.5m，并擴底C=0.5m 的機械鉆孔擴底灌注樁（原設計采用人工挖樁，但由于施工工期的安全性等原因，后變更為機械鉆孔形式），擴底段高度為1.5m。結合地勘資料，取抗拔系數ψ=0.8，全樁均嵌入了中風化泥巖層，中風化泥巖層側摩擦阻力為f=200kN，擴底樁破壞面影響范圍取h=6m(規范4～10d，軟土取低值，卵石、礫石取高值，此處暫按4d 取值）。

考慮樁周摩擦阻力時，確定其單樁抗拔承載力特征值：

為增強結構體系的整體受力性能，考慮在每個軸對應的柱下均設置一根抗拔樁，軸線對應的橫斷面最多可設置4 根抗拔樁，按縱向軸跨9m 分攤至單延米的車站范圍，4 根抗拔樁能提供的縱向單延米抗拔力為：

3 發現問題

3.1 抗浮安全系數取值問題

根據《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）第11.6.1條“當計算地層側摩阻力時，根據不同地區的地質和水文地質條件，可采用1.10～1.15 的抗浮安全系數”。顯然上文中設置抗拔樁后仍不滿足規范要求，且一般情況下抗浮安全系數均取高值為1.15，于是按常規的做法是繼續加長抗拔樁或者增加抗拔樁的設置數量。但是值得注意的是，規范僅要求考慮了摩擦力后抗浮安全系數為1.15，但并不是很明確計入摩阻力后整體的抗浮安全系數均提高為1.15 還是只是計入摩擦力的某些構件按1.15 控制，于是進一步分析，之所以需要提高安全系數是考慮到由摩擦提供的摩阻力具有一定的不可靠性，但是實際上車站主體結構的永久重力和抗拔樁的自重這些恒載并不會隨外界因素變化，如果是提高整體抗浮安全系數則相當于忽略了自重等恒載的恒定性，于是以此為原則采取抗浮加強措施后則使得偏于保守了，對節約成本不利。下面試算了幾組數據，可以更直觀地看出忽略恒載恒定性的問題：

示例1：如果車站的結構尺寸等發生了變化，結構的自重整體增加了，取G、=9250kN，而水浮力不改變為W=8843kN，而此時抗浮安全系數K=1.046＜1.05，此時考慮在斷面設置1 根抗拔樁，抗拔樁的參數不變（L=15m，計算同前文），則設置的1 根抗拔樁換算為單延米所能提供的抗拔力為F=1×F/9=1×7627/9=847kN，而其中縱向單延米單樁浮自重為G/9=468/9=52kN。此時當只考慮抗拔樁的結構浮自重而不考慮摩擦力時K、=（G、+G）/W=（9250+52）/8843=1.052＞1.05，顯 然 能 滿 足 規 范 要求，但此時若計及抗拔樁的摩擦力后，則整體抗浮安全 系 數 需 要 提 高 到1.15，則K=(G、+F)/W=(9250+847)/8843=1.14＜1.15，顯然又不滿足規范的要求。

示例2：接組1 的情況，改變抗拔樁的周邊的地質條件，當抗拔樁位于密實砂土中時，按《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）中的規定，抗拔樁抗拔系數改變為ψ、=0.5，側摩阻力取f、=100kN，考慮設置2 根L、=10m 的抗拔樁，則此時單根抗拔樁的抗拔力為：

由以上兩組試算數據可以看出，隨著摩擦力對抗拔樁的貢獻值減小，摩擦抗拔樁（當采用圍護樁抗浮時，同理）所能提供的抗拔力遠比不上由抗浮安全系數改變導致的水浮力增量，在這種情況下可能存在只計入抗拔樁的自重便滿足規范的要求，而考慮抗拔樁的摩擦力后卻不能滿足規范要求的歧化現象。

3.2 抗浮水位與安全系數對應關系

由于地下水問題和常規的荷載問題還是有些區別的，荷載往往隨著使用時間的延長而存在較大的不確定性，故《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2001）中對荷載進行了永久荷載、可變荷載、偶然荷載的分類，針對不同的分類又有不同的組合值系數，由此可知荷載情況復雜不確定性較大。但是在《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）中水壓力和浮力是作為永久荷載考慮的，其作用與結構自重一樣是不隨外界因素變化的，而一般情況下水浮力均是取地區穩定地下水位最高值作為抗浮水位，就算短時間地面可能存在積水，但是地下水位卻不會立刻上漲，則一般也就不會存在抗浮水位高出地面很多的情況，此情況下地表水只能成為配重而不是浮力。本文討論的溫家山站位于規劃地塊范圍內，地塊規劃標高還要高出周邊市政道路標高約1～2m，而周邊沒有淹沒記錄，所以地下水肯定是不會高于周邊的規劃地面標高。在此情況下，當考慮1.05 的抗浮安全系數后，抗浮水位的實際計算水頭（按底板埋深來算）為：（25.4-1.5）×1.05=25.09＜25.4，可見實際高程已基本接近地面標高了，且遠高于周邊的市政道路標高，此時道路已經被長時間被洪水淹沒，而進一步當抗拔樁參與抗浮時抗浮水位的實際計算水頭為：（25.4-1.5）×（1.1～1.15）=26.29～27.485＞25.4，此時計算水頭比實際地面標高還高了0.89～2.085m，顯然這不符合此區域的真實情況，當然也不是不存在這個可能，比如受洪水影響的地區確實存在水位遠高于地面淹沒城市的情況，但是地鐵車站設計時其出入口的高度一般僅比地面標高0.45m，出地面的風亭等也僅高出地面1m（一般出入口及風亭的標高是以200 年一遇洪水位作為基準確定的，抗浮水位防洪不等于防澇水位），顯然也不允許地鐵周邊出現遠高于車站出入口的洪水位，否則就存在需要調整地勘報告中抗浮水位標高的可能，一般地鐵車站在選址的時候也會盡量避開存在淹沒風險的區域，如果真存在地鐵淹沒的情況時，則地下水會直接漫入車站內，此時涌入的洪水便作為了車站的配重，根據浮力的計算原理其作用將不再顯著增加。也就是說，對于地鐵車站的抗浮來說，最高水位值取到地面標高或最低出入口及風亭口標高就已經是極限了。甚至對于部分地勢較高的車站，能達到設防的抗浮水位的次數都是極其有限，那此時采用1.15 的抗浮安全系數導致實際計算水頭遠高于地面標高其實本身就存在一定的疑問，當然這里討論到的問題也主要是以本文涉及的車站進行闡述的，對這個問題不同的車站也可能有不同的情況，涉及防洪水位、內澇水位等一系列問題，最高實際計算水頭不適合統一指定，當因時而異、因站而異。

4 結論

針對以上兩個問題點，結合溫家山站的實際情況，經過與相關專家研究和商討后得出是否可以改變一下計算思路的想法。由于規范給出的抗浮安全系數也是個范圍值，地下水問題本身也有不確定性，且實地調查后發現19 號線的車站站位普遍地勢較高，不存在地下水位會高過地面的極端情況，于是擬采用以下原則分兩步進行抗浮驗算：

第一步，把水浮力分成兩個部分分開討論，一部分由結構的永久荷載抵抗，由于永久荷載可靠性較高且一般不隨外界因素發生變化，所以抗浮安全系數建議仍取值1.05。

第二步，剩余的水浮力則由考慮了摩擦力的抗拔樁或圍護樁承擔，考慮到摩擦力的不確定性，所以該部分的抗浮安全系數取值為1.15。

對本站而言，結構自重、覆土荷載、挑板上的覆土配重及抗拔樁（或圍護樁）的自重等永久荷載仍按1.05 的抗浮安全系數取值，而對抗拔樁或圍護樁提供的摩擦力則按1.15 取值，由于本站抗拔樁設置較少且抗拔樁摩擦力很大，按縱向單延米分攤后抗拔樁的自重占比幾乎可以忽略，故為了簡化計算，抗拔樁自重部分抗浮安全系數也取為1.15 并作為安全富余量預留。由于采用了不同的抗浮安全系數進行抗力組合，則常規G/N≥K[《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）第3.0.3]的公式將不再適用，也不能直接采用單純的綜合抗浮安全系數值K與1.05 或1.15 進行比較來判定是否滿足抗浮要求，于是此處引入了復合公式進行描述：

按此原則，第2 章節中進行計算后：

顯然按此原則計算時抵抗力大于浮力，能達到抗浮安全的效果。

目前該站已經完成施工，從現場的監測數據看，抗浮穩定性能滿足要求，所以以上公式計算抗浮應是可行的。