抗拔樁排布方式對大斷面地鐵車站的受力影響分析

【中圖分類號】：TU473.1 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-20-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.005

Analysis of the Influence of the Arrangement of Anti Pull Piles on the Stress of Large Section Subway Stations

ZHANG Pei，LI Xingquan

【Abstract】：Inordertostudythe influenceof thearrngementofpullout pilesontheinternalforces，deformationsand pull-out pile reactions of the subway station main structure of the floor and botom longitudinal beam，and choose areasonable arrngement of pull-out piles，the anti-floating design of a large-section subway station inacoastal citywas taken as the engineering background.The three-dimensional finite element calculationof the main structure of the station under six different arrangements of pull-out piles was carried out by using midas Gen finite element analysis software.By comparing the calculation results of six diffrent arrangements of pull-out piles，itis shown thatthearrangementofpull-out piles inthe middlespanof thebotomlongitudinalbeam can effectivelyreduce the internalforce of thebotom longitudinal beam.Atthe same time，for the large-section station，inorder to meet the requirements of theanti-floating stabilityof thestation and the design bearing capacity of the pull-out piles，small diameter pull-out piles can be used to densely arrange the middle span area of the station floor.Under the requirements of the internal forceand deformation of the station floor structure，good economy can be obtained.

【Key words】： large section subway station；anti floating design；layout of anti pull piles

為滿足城市地鐵、城際鐵路、機場等綜合站體的聯運要求，多柱多跨的大斷面地鐵樞紐車站越來越多。由于沿海城市的地下水位普遍較高，而大斷面結構抗浮難度大，因此抗浮設計問題也成為了大斷面地鐵車站設計難點之一。由于目前國內地鐵結構計算軟件限制和地鐵結構設計習慣原因，設計者普遍以滿足抗浮要求來確定抗拔樁的數量，然后按照規范要求的樁間距進行抗拔樁平面排布，再輔助采用二維簡化模型進行計算[2-3]。郭乾坤等4和徐光苗[5采用三維計算模型分析了抗拔樁對地鐵車站的受力及變形影響；但也僅針對抗拔樁的設置對車站受力影響進行了研究，未給出抗拔樁的排布方式對車站結構受力和抗拔樁內力影響。而在實際工程中，選擇合理的抗拔樁排布方式對改善地鐵結構受力狀態、優化構件尺寸、節約工程造價具有重要的意義。為進一步研究抗拔樁排布方式對車站結構受力及變形的影響規律，本文以沿海某城市大斷面地鐵車站的抗浮設計為工程背景，對6種不同抗拔樁排布方式的車站結構進行數值計算，分析車站底板及底縱梁結構受力、變形以及抗拔樁反力特征，并對大斷面地鐵車站結構抗拔樁排布方式的選擇提出建議。

1工程概況

某車站位于機場航站樓主樓下方，為城際鐵路與城市地鐵共用車站，主體為地下三層四柱五跨箱型結構，標準段結構寬 63.60m ，高 30.448m ，明挖順作法施工。見圖1。

綜合考慮地形地貌、區域車站坡度變化及覆土回填壓實等影響，頂板覆土取為 1.0m ，底板埋深取為 31.448m 抗浮設計水位按使用階段水位升至地面線計算。車站埋深及抗拔樁長度范圍內土層物理力學參數見表1。

2結構模型與計算參數

2.1模型建立

本文分析重點為抗拔樁排布方式對車站主體結構在正常使用階段的受力影響，因此計算采用荷載-結構模型，靜力工況下結構為彈性地基上的鋼筋混凝土框架。選取標準段區域連續10跨結構建立三維計算模型。見圖2-圖3和表2。

2.2邊界條件

主體結構在彈性地基上進行內力分析，分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬地層對結構的水平位移和垂直位移的約束作用，彈簧僅能承受壓力；圍護結構采用地下連續墻，與主體結構做抗浮梁連接，正常使用階段考慮地下連續墻的抗浮作用，抗浮梁以僅能承受壓力的彈簧模擬；抗拔樁采用大剛度線性彈簧模擬[8＼～9]

大剛度彈簧剛度模型可以有效模擬抗拔樁的約束作用，但如何準確獲取抗拔樁的彈簧剛度是關鍵。根據GB50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》

式中： 為樁周豎向地基彈簧初始剛度， 為樁軸豎向基床系數， 為樁側水平基床系數， Δ l 為樁軸豎向基床系數計算范圍內樁的長度， m；U 為樁截面周長，m。

本工程抗拔樁為2種不同直徑的擴底樁，根據工程地勘資料取值并按照式（1）和式（2）計算彈簧剛度。見表3和見表4。

2.3荷載計算

根據表1對車站主體所在土層范圍內靜正側壓力系數及地層天然重度進行加權平均計算，共取3處鉆孔，靜止側壓力系數取0.65，地層天然重度取 。見表5。

3計算工況與計算結果分析

3.1抗拔樁排布位置對結構受力影響

以抗拔樁1為例，分別布置于底板跨中（方式1）、柱正下方（方式2）、底縱梁跨中（方式3），通過不同抗拔樁樁位下的地鐵車站結構響應，對地鐵車站結構底板、底梁及抗拔樁自身的內力及變形規律進行研究，得出抗拔樁樁位設置的合理位置。見圖4。

3種抗拔樁布置方式底板負彎矩最大值均位于側墻與底板連接處，其中方式2的負彎矩值最大，方式3的負彎矩值最??；方式2和方式3底板正彎矩值接近，均在邊跨跨中1/3處及中間跨跨中，方式1正彎矩值最大，在邊跨樁與邊跨梁之間。見表6和圖5-圖6。

方式3由于抗拔樁布置于底縱梁跨中，減小了底縱梁跨度，在抗拔樁位置底縱梁產生負彎矩，對受力最有利，底縱梁的支座彎矩和跨中彎矩在3種布置方式中均最小。方式2中，抗拔樁布置于柱正下方使底縱梁支座處剛度增大，導致支座負彎矩最大，對底縱梁受力產生了不利影響。

標準組合下3種布置方式底板豎向位移方式2最大，為 5.128mm ；方式1次之，為 4.909mm ；方式3最小，為 4.872mm 。方式2和方式3底板位移最大處均位于底板中間跨跨中，方式1底板位移最大值位于邊跨梁附近。見圖7。

為研究抗拔樁沿車站橫斷面受力規律，選取沿車站縱向中部區域一排抗拔樁，得出沿車站橫斷面抗拔樁反力分布。3種抗拔樁布置方式抗拔樁反力值均為越靠近車站橫斷面中心反力值越大。見圖8。

方式1抗拔樁數量比方式2和方式3少一列，因此抗拔樁整體反力值均大于方式2和方式3；方式2和方式3抗拔樁均設置于底縱梁底及邊跨底板跨中，因此抗拔樁反力值一致。通過與抗拔樁承載力特征值比較，方式1中間3列抗拔樁和方式2、方式3中間2列抗拔樁的反力值均大于抗拔樁承載力特征值，將破壞失效，不滿足設計要求，因此需要對車站橫斷面次邊跨及中間跨位置抗拔樁進行加密。

3.2抗拔樁排布優化設計

以抗拔樁布置于底縱梁跨中（方式3）為基礎，結合抗拔樁的反力分布規律，對車站次邊跨及中間跨位置抗拔樁加密布置，使所有抗拔樁反力滿足設計要求。

為了獲得更好的經濟性并使車站底板結構受力達到最優，加密區抗拔樁選擇2種不同的樁徑，即抗拔樁1和抗拔樁2分別進行計算，選擇最優的抗拔樁排布方式。加密區樁梅花狀布置，優化排布1在次邊跨及中間跨底板處均采用采用大直徑樁，優化排布2次邊跨采用大直徑樁、中間跨底板處采用小直徑樁，優化排布3次邊跨及中間跨底板處均采用小直徑樁加密。見圖9。

3種抗拔樁優化排布標準組合下底板負彎矩最大值均位于側墻與底板連接處；正彎矩最大值產生位置有一定差別，優化排布1和優化排布2位于邊跨底板抗拔樁與邊跨梁之間位置，優化排布3產生于底板邊跨跨中。優化排布2和優化排布3的底縱梁彎矩值接近一致；優化排布1相比優化排布2和優化排布3，底縱梁支座處的彎矩值均有所增加，其中邊跨底縱梁支座彎矩增加幅值為 3.5% ，中間跨底縱梁彎矩增加幅值為 7.0% 。次邊跨及中間跨區域采用小直徑樁加密對底縱梁受力更有利。見表7和圖10-圖11。

標準組合下3種優化排布的板豎向位移量相近，優化排布1為 2.946mm ，優化排布2為 3.020mm ，優化排布3最為 2.963mm 。優化排布1豎向位移最大值位于邊跨抗拔樁與邊跨梁之間；優化排布2中底板位移最大處均位于邊跨抗拔樁與邊跨梁之間和底板中間跨跨中一列抗拔樁沿車站走向的兩樁之間；優化排布3中底板位移最大值位于邊跨第2列抗拔樁沿車站走向的兩樁之間與底板中間跨跨中。見圖12。

選取車站縱向中部區域橫斷面范圍的抗拔樁，計算不同樁位的抗拔樁反力值。大直徑樁和小直徑樁在不同樁位下的反力值均小于兩種樁的抗拔承載力特征值。見表8。

優化排布1中底縱梁跨中的大直徑抗拔樁反力值 排布1中次邊跨及中間跨底板下抗拔樁的反力值過最小，但是對比大直徑樁的抗拔承載力特征值，優化小，抗力余量過大在經濟性上不合理。優化排布2和優化排布3在次邊跨及中間跨底板處均采用小直徑樁加密，因此在中間跨底縱梁跨中、次邊跨和中間跨底板處的抗拔樁反力值相近，但由于優化排布3在邊跨底板處采用2列小直徑樁，相比較優化排布2邊跨底縱梁跨中抗拔樁反力值減小。

4結論

1）抗拔樁布置于底縱梁跨中對車站底板結構受力最有利，可以對底縱梁起到減跨作用，明顯減小底縱梁跨中及支座彎矩。

2）沿車站橫斷面抗拔樁反力值均為越靠近車站橫斷面中心，反力值越大；因此對車站次邊跨及中間跨位置抗拔樁應加密布置。

3）車站次邊跨及中間跨采用小直徑抗拔樁加密排布相比采用大直徑樁加密排布有更好的經濟性。當邊跨底縱梁下抗拔樁反力過大時，應在邊跨底板靠近邊跨底縱梁位置布置抗拔樁，當采用大直徑樁使樁間距過大時，可采用小直徑樁，盡可能減小樁間距。

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