地铁车站的抗浮设计

张景花

近年来,随着城市地下轨道交通建设规模的不断扩大,大部分地铁车站均以浅埋、明挖施工居多,而很多城市的地下水位又较高,水位也不是稳定不变,且地铁设计均是百年工程,这使得地铁车站的抗浮设计在地铁设计中占有重要的地位。

1 抗浮设计的原因及处理方法

地铁车站上浮的原因是结构重量及车站侧壁摩擦力之和小于水浮力所引起的。当车站自身重量(包括顶板覆土重)不能抵抗地下水浮力时,地下车站将产生上浮,导致结构变形破坏,使地下车站不能发挥正常功效,由此产生抗浮设计。

抗浮设计包括整体抗浮验算及局部抗浮验算,通过整体抗浮验算可保证地下车站不会整体上浮,但不能保证底板不开裂变形等现象。局部抗浮验算可保证底板局部不开裂变形等现象。

2 抗浮措施

2.1 施工阶段抗浮措施

地下车站施工阶段抗浮措施一般采用基坑外或基坑内降水,使地下水位保持在开挖面下1 m,直至结构施工完毕,顶板覆土完成后才停止降水。

2.2 使用阶段抗浮措施

2.2.1 配重法

这是一种常规的抗浮措施,对于地下车站,配重法的优点表现如下：1)可以在其顶板上加厚覆土;2)可将车站底板延伸,利用外伸的覆土增加压重;3)增加底板厚度。地铁车站中,由于大部分均设在道路下方,增加覆土厚度一般不可行,而将车站底板延伸会使车站围护结构范围变大,围护结构与主体之间要回填压实,由于地铁车站基坑较深,施工较困难且填土一般达不到设计要求,对车站主体不利,且延伸部分使水浮力的受力面积增大,相应部分压载的作用部分被抵消;底板加厚会使基坑埋深加大,水浮力相应增加,这样压载的作用会部分被抵消。从经济角度来说后两种方法也会使车站造价相应提高。但对于地下与地上结合的地铁车站,由于车站基坑较浅,可考虑此方法与其他方法结合达到抗浮的目的。

2.2.2 抗拔桩下拉法

这种方法是利用桩体自重与桩侧摩阻力来提供抗拔力。它不同于一般的基础桩,有其自身的独特性能,桩体承受拉力,桩体受力大小随地下水位变化而变化。由于基坑深度较深,在地铁车站设计中多采用机械钻孔灌注桩,抗拔桩一般根据浮力大小结合车站框架柱及底纵梁设计。但由于地下车站抗拔桩与底板相交处防水很难保证,本方法一般在抗浮梁无法施作且必须进行抗浮设计时采用。

2.2.3 抗浮梁压顶法

此方法是地铁车站设计中比较常用的方法,这种方法是利用地铁车站的围护结构(钻孔灌注桩或地下连续墙)在车站顶板上方沿围护结构设置一圈压顶梁,使车站在受水浮力上浮时,压顶梁对车站顶产生向下压力,同时利用围护结构的自重及侧摩阻力共同达到抗浮目的。由于车站的围护结构一般是永久性支护,利用这种方法抗浮就目前来说在地铁抗浮设计中是一种比较经济实用的方法。一般车站抗浮优先考虑此方法。

2.2.4 抗浮锚桩法

此方法是在民建中近年来大量应用的抗浮技术,一般采用高压注浆工艺,使浆液渗透到岩土体的孔隙或裂隙中,锚杆侧摩阻力比抗拔桩大,更有利于抗浮,且造价低,施工方便。但是普通锚杆受拉后杆体周围的灌浆体开裂,使钢筋或钢绞线极易受到地下水的侵蚀,直接影响耐久性,抗浮锚杆与底板的结点是防水的薄弱环节。国内对抗浮锚杆的设计还不够成熟,缺乏有关的规范标准,尤其是锚杆的耐久性缺乏可靠的技术控制,又由于地铁是百年工程,对耐久性及防水要求更为严格。目前在国内地铁车站的抗浮设计中缺少设计经验。

3 地铁车站抗浮设计实例

3.1 配重法及抗拔桩的综合应用

3.1.1 工程概况

某工程位于天津市西外环线西侧,为地下1层站、地上1层的地上地下结合站,周边基本为农田,地下1层总长180.2 m,地上1层为 149.2 m,车站宽为22.8 m,地上室内±0.00相当于天津市1972年大沽高程系2002年高程3.252 m,室外地面标高为-0.45 m。基坑采用放坡开挖,深8.3 m。由于本工程是地上地下结合站,没覆土重,且面积较大,没有足够的荷载重量,抗浮稳定不满足要求,需要设置抗拔桩,又考虑本站基坑较浅且为放坡开挖。经过分析采用φ 800钻孔灌注桩和结构主体底板外挑1 m,共同解决车站抗浮问题。

地下抗浮设防水位为地面下0.5 m。

3.1.2 抗浮验算

水浮力：7.76×(182.2×24.8)×10=350 640 kN。

抗浮重量：

地下结构重量：

覆土重：20×0.5×22.8×31.6=7 204.8 kN。

顶板自重：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。

侧墙自重：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。

站台板墙自重：(6.7+6.8)×180.2×0.2×25+123.4×4×0.2×1.31×25=15 396.6 kN。

纵梁自重：(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。

地上结构重量：

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。

合计：241 333 kN＜350 640 kN,不满足抗浮要求。

周边悬挑1 m土：

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

底板梁下及侧墙下共布置242根φ 800钻孔灌注13 m长桩;

桩重：242×3.14×0.4×0.4×13×25=39 513 kN。

桩侧阻力：

一根桩侧阻力：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。

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

3.2 抗浮梁的应用

3.2.1 工程概况

某工程位于哈尔滨市桦树街中段路下,本工程为地下2层站,周边建筑物较多,车站总长180.0 m,车站宽为19.2 m,地面高程相当于哈尔滨大连高程119.280。基坑围护采用φ 800钻孔灌注桩间距1.0 m,基坑深15.3 m。由于本工程距离松花江较近,地下水比较丰富,水位较高,且面积较大,没有足够的荷载重量,抗浮稳定不满足要求,需要解决抗浮问题,又考虑本站基坑较深且围护用钻孔灌注桩。采用在顶板处φ 800钻孔灌注桩上设置800 mm×800 mm的抗浮梁解决车站抗浮问题。

3.2.2 地质概况和地下抗浮设防水位

场地地质条件和计算参数见表1。

表1 场地地质条件和计算参数

抗浮设防水位为大连高程系118.10 m。

3.2.3 抗浮验算

计算取1 m宽结构单元,取最不利处覆土。

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;

顶中底板自重：(0.9+0.4+0.8)×25×17.8=934 kN;

侧墙自重：(0.7+0.7)×25×12.53=438 kN;

站台板自重：(0.2×25+0.1×20)×10.5=73 kN;

纵梁自重：(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;

合计：2 571 kN。

2 571×0.9=2 314 kN＜2 405 kN,不满足抗浮要求。

抗浮梁自重：0.8×0.8×1×25=16 kN;

围护桩重：0.502×21.88×25=274 kN;

桩侧阻力(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;

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

满足抗浮要求。

4 结语

1)地铁车站的抗浮设计是普遍存在的问题,各地应结合各项工程的实际情况选择经济适用的抗浮措施。

2)局部抗浮验算应与整体抗浮验算能更好地综合应用。

[1] 叶健宁.浅谈地铁深基坑施工中的地质风险[J].山西建筑,2008,34(18)：300-301.