地铁基坑围护结构抗剪能力在抗浮设计中的应用

白玉冰，崔广建，王子木，王　浩，郝　欣（.北京科技大学土木工程与环境学院，北京　00083；.鞍山钢铁集团矿业公司，辽宁鞍山　400）



地铁基坑围护结构抗剪能力在抗浮设计中的应用

白玉冰1，崔广建2，王子木1，王浩1，郝欣1
（1.北京科技大学土木工程与环境学院，北京100083；2.鞍山钢铁集团矿业公司，辽宁鞍山114001）

摘要地铁工程施工一个关键的问题是地铁基坑如何抗浮。本文在介绍常用基坑抗浮措施的同时，提出了在封底混凝土与围护结构地下连续墙之间设置抗剪槽与抗浮桩相结合的抗浮方案。首先研究了抗浮桩的工作机理，然后对抗剪槽的设计进行重点分析，最后结合北京地铁8号线永定门外站的工程实例，应用MIDAS/GTS有限元软件作模拟分析。分析结果表明，抗剪槽和抗浮桩共同抵抗地下水浮力，减少了抗浮桩的数量及长度，降低了施工难度，节约了工期，降低了工程成本。

关键词抗浮设计；地下水；抗浮桩；抗剪槽

随着城市建设的发展，地铁、地下停车场、地下商场等地下建筑越来越多，如何采取抗浮措施来克服地下水浮力的影响对整个工程安全极为重要。地下水浮力对于基坑破坏主要分为2类：①基坑底板隆起，导致底板破坏；②基坑整体浮起，导致梁柱结点处开裂，同时底板也破坏。当前工程上常用到的抗浮措施：压重法、抗浮锚杆或抗浮桩。压重法指增加混凝土底板厚度或墙厚及结构自重以平衡水的浮力，但会加大基础埋深，增加基坑工程造价，经济上不合理。抗浮锚杆的间距小，地下室底板可做得较薄，锚杆的造价也较低，使整个抗浮结构可大大地节省工程造价；但不能充分利用上部结构传来的竖向力来平衡一部分水浮力，且要求锚固于较硬岩体中，对基坑周边地质要求高。抗浮桩是一种主动抗浮设计，因稳定性高、易施工、适用范围广而被广泛采用。抗浮桩后期维护简单，结构受力合理，不影响建筑功能；但是抗浮桩的桩底常位于较深的土层，具有施工成孔难度较大，施工效率相对较底，造价相对较高的缺点。

关于地下水浮力危害性的研究开始于1928年在美国的圣弗兰西斯的水坝塌溃事件。太沙基在1936年提出了土体的有效应力原理，当土体中的孔隙水压力大于等于土体的总应力时，也就是当土体中的有效应力为0时，土体中的孔隙水压力开始表现出浮力的性质。Hawkins对地下水水位的升降与土颗粒的强度之间的关系进行了研究。鲁嘉［1］研究了城市地下水变异对于土体结构强度的影响，得出随着城市建设的发展，水土作用的模式和强度大幅度增加，土体失稳并导致灾害的现象频频发生，由此需要在更深更广的层面进行水土作用的研究。张同波等［2］阐述了岩体基坑中地下水的来源、汇水面积、汇水速度等影响抗浮承载力的主要因素和参数，分析了地下结构局部抗浮和施工，使用过程中抗浮存在的问题，提出了影响抗浮承载力的参数取值、计算方法，以及保证施工和使用过程中抗浮承载力的技术措施。郑伟龙［3］研究了不同土层及含水层组合条件下，不同地下水补给方式下，不同土质类型中孔隙水压力传递规律及模型底板上的浮力变化规律，分析不同含水层间的水力联系规律，对浮力作用机理做了研究。曾国机等［4］对目前常用的抗浮技术措施如压载抗浮、降排截水抗浮、抗浮桩及抗浮锚杆的应用现状进行了分析，抗浮桩由于需要很厚的底板才能抵抗浮力产生的附加弯矩和剪力从而导致造价高，因此在工程实际应用中应根据实际情况选取多种措施联合处理。

1　抗浮桩抗浮机理

抗浮桩的抗浮力来源于2个方面：侧向摩阻力和桩底因桩体上移而产生的吸力，其中，桩底吸力相对于侧向摩阻力较小且会随桩底孔隙水压力的消散而消失，其在抗浮力计算中一般忽略不计，而侧向摩阻力则是抗浮设计中抗浮力的主要来源。目前，关于抗浮力机理一般有如下认识：当桩顶部受到向上的拉力时，桩顶部首先产生相对位移，桩体上部侧向摩阻力逐渐增大并向桩底扩散；在桩底相对位移增大到极限时，桩底侧向摩阻力最大，此时桩体若继续上移，桩侧土体发生剪切破坏，侧向摩阻力迅速变小［5-9］。

2　抗剪槽抗浮机理

随着地下连续墙在基坑工程中的应用，在建筑物修筑过程中将主体结构与围护结构连结起来也成为了一种新的抗浮方式。利用围护结构作为主体结构的一部分共同抗浮，即在封底混凝土与围护墙之间设置抗剪槽以抵抗地下水浮力，达到满足基坑抗浮的要求。为此，采取在地连墙内侧设置2道凹槽的特殊处理措施。

3　工程应用实例

3. 1工程概况

永定门外站为北京地铁8号线三期与14号线的换乘站，位于永定门外大街与京沪铁路的立交路口南部，永定门外大街沙子口路口北部。车站为地下四层三跨框架结构。车站总长139. 2 m，标准段宽度为24. 7 m，轨面埋深约19. 7 m。车站沿永定门外大街南北向布置，位于永定门外大街西侧辅道与人行道下方。

车站附属结构设置情况：车站北端设2个换乘通道与14号线相接；车站西侧设置2个出入口（1个为预留，1个为无障碍出入口），外挂2组地下三层风亭结构；车站东侧设置1个出入口，4个疏散通道以及1个活塞风道。车站主体结构采用明挖法施工，换乘通道与东侧附属结构采用暗挖法施工，车站西侧附属结构采用明挖法施工。

本车站地层岩性上部为人工堆积层，下部为第四纪沉积层，主要以黏性土、粉土、砂卵石为主。层间潜水主要赋存于含水层（卵石⑤层、卵石⑦层、粉细砂⑦层及卵石⑨层）中，水位标高为16. 55～17. 64 m，水位埋深为23. 2～23. 7 m。卵石⑤层、卵石⑦层、粉细砂⑦层及卵石⑨层内的地下水为同一层含水层。但在车站范围内埋深30 m左右的粉质黏土⑥层普遍存在，其厚度约1. 6～3. 7 m，卵石⑨层内的地下水带有承压性质。具体土层参数见表1。

表1　土层参数

3. 2基坑抗浮验算

进行抗浮安全验算（封底混凝土厚度按4 m计算，坑外降水时水位计算标高取19. 64 - 2. 50 = 17. 14 m），根据基坑的分仓大小，标准段分仓尺寸为24. 9 m×21. 0 m，其受力计算结果见表2。可知安全系数为0. 7，小于规范规定值（1. 05），不满足要求，基坑需要采取抗浮措施来保证安全。

表2　标准段基坑受力计算结果

3. 3抗剪槽方案

本工程采用12 mm厚槽型钢板在1 200 mm厚的地下连续墙的钢筋笼中制作2条槽盒，当水下开挖完成后，由潜水员用水下风镐、钢刷、水枪等设备来清除凹槽中的残留泥浆、土层及局部渗流的混凝土，然后通过φ42 mm厚3. 25 mm钢花管注浆以确保水下封底混凝土与地下连续墙的有效承载搭接。

具体抗剪槽设计见图1。

图1　抗剪槽设计（单位：mm）

4　数值模拟分析

4. 1 MIDAS数值模型

本文通过MIDAS/GTS建立三维模型计算出抗剪槽所需承受的剪力以及抗浮桩所需的抗拔力，为基坑开挖后进行抗浮桩和抗剪槽的设计参数的反演、优化及方案可行性分析提供依据。

分析可得，抗剪槽所需提供的最大剪力设计值为571. 9×1. 25 = 714. 875 kN/m，抗浮桩所需提供的最大抗拔力设计值为1 946. 8 kN，封底混凝土所需承受的最大弯矩设计值为2 518. 7×1. 25 =3 148. 375 kN·m。

4. 2可行性分析

参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）计算可知：围护结构地下连续墙抗剪槽每延米抗剪承载力为1 039. 37 kN，封底混凝土每延米抗弯承载力3 876. 03 kN·m。抗浮桩桩径1 m，桩长9 m，单桩抗拔承载力2 369. 39 kN。经验算，围护结构、抗浮桩、基坑底板满足设计要求。

5　结论

本文以北京地铁8号线永定门外站为例，针对所在区域内的地层特点及地下水情况，对基坑抗浮措施进行了分析，对该区域内基坑工程的抗浮各种方案进行了论证，选用设置抗剪槽与抗浮桩联合抗浮的方式在工程实践中得到成功验证。

1）采用12 mm厚槽型钢板在1 200 mm厚的地下连续墙的钢筋笼中制成抗剪槽和抗浮桩共同抵抗地下水浮力的方案，充分发挥了围护结构的抗浮能力，为基坑抗浮提供了新的思路。

2）本文方案相对传统只设计抗浮桩方案减少了3根桩径为1 m桩长9 m的抗浮桩，降低了约25％的抗浮桩成本，具有很高的经济价值。

3）抗浮桩具有成桩困难、施工工期长的特点。选用设置抗剪槽与抗浮桩联合抗浮的方式，在一定程度上降低了施工难度，节约了工期，提高了工程的经济效益。

参考文献

［1］鲁嘉.城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析［D］.南宁：广西大学，2006.

［2］张同波，于德湖，王胜，等.岩体基坑地下室抗浮问题的分析［J］.施工技术，2008，37（9）：19-22.

［3］郑伟龙.北京地区地下结构上的浮力作用机理试验研究［D］.北京：中国地质大学，2005.

［4］曾国机，王贤能，胡岱文.抗浮技术措施应用现状分析［J］.地下空间，2004（24）：107-108.

［5］彭华，孙立军.抗浮桩技术现状及应用研究［J］.上海公路，2010（1）：9-13.

［6］BOWLES J E. Foundation Analysis and Design［M］. 3th McGraw-Hill Book Company，1982.

［7］宋璟毅.大埋深建筑物底板抗剪能力在抗浮桩设计中的应用［J］.铁道建筑，2007（2）：73-74.

［8］周济民，李名淦.北京地区地铁车站深基坑地下水控制技术研究［J］.地下空间与工程学报，2014（2）：15-21.

［9］FINNO R J，LAWENCE S A，ALLAWH N F，et al. Analysis of Performance of Pile Groups Adjacent to Deep Excavation［J］. Journal of Geotechnical Engineering，1991，117（6）：934-955.

（责任审编赵其文）

Applying Shear Capacity of Enclosure Structure for Metro Foundation Pit in Anti-Floating Design

BAI Yubing1，CUI Guangjian2，WANG Zimu1，WANG Hao1，HAO Xin1
（1. School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology，Beijing 100083，China；2. Ansteel Mining，Anshan Liaoning 114001，China）

AbstractAnti-floating design of foundation pit is a key issue in metro construction. T he common anti-floating measures for foundation pit were presented and the anti-floating scheme setting the combination of shear slot with anti-floating pile between subsealing concrete and underground continuous wall with enclosure structure was put forward in this paper. T he working mechanism of anti-floating pile was studied，the shear slot design was analyzed，and the simulation analysis was implemented with M IDAS/GT S finite element software by taking the Yongdingmen station in Beijing subway line No. 8 as an example. T he results show that shear slot and uplift piles resist the groundwater buoyancy，which could reduce the quantity and length of uplift piles，decrease the construction difficulty，save the construction time and the engineering cost.

Key wordsAnti-floating design；Groundwater；Anti-floating pile；Shear slot

中图分类号U231. 4

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 22

文章编号：1003-1995（2016）06-0080-03

收稿日期：2015-11-22；修回日期：2016-01-25

基金项目：国家自然科学基金（51574014）；北京高等学校“青年英才计划”（2015CB060200）

作者简介：白玉冰（1991—），男，硕士研究生。