城市下穿隧道抗浮桩标准化设计研究

尤 潇，王君鹭，刘 罡，苟 超

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

近年来，城市机动车保有量增长迅猛，城市道路交通关键节点的拥堵问题日益突出，许多城市在主干道交叉点修建下穿隧道，打造地下空间，以立体交叉的手段解决城市道路交通关键节点拥堵问题。而城市下穿隧道在施工及运营期间存在抗浮稳定的问题，抗浮稳定性不满足要求时需要进行抗浮设计。在常用的抗浮措施中，尤以抗浮桩应用最为广泛[1-3]。目前，围绕抗浮桩设计计算的相关研究虽然不少，但其中关于如何合理确定抗浮设防水位[4-5]、抗拔桩单桩承载力[6-7]、抗浮荷载[8-15]等关键问题，不同设计人员的计算方法各异。抗浮桩设计涉及岩土工程、结构工程等专业范畴，相关专业规范中的规定也不完全统一；抗浮设计缺乏系统的理论依据和标准化的流程，本文就城市下穿隧道抗浮桩设计标准化中存在的一些问题进行探讨，为城市下穿隧道抗浮桩标准化设计提供参考。

1 抗浮设防水位

抗浮水位的合理确定在抗浮设计计算中尤为重要，抗浮水位选取偏安全，对结构承受的地下水的浮力估计不足，在施工、运营阶段会引起结构上浮、底板开裂等破坏，严重影响行车安全，甚至引发事故。反之，抗浮水位选取偏保守，会增加抗浮工程量，增加工程造价，造成不必要的浪费。多本规范都有关于抗浮水位的相关规定，《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2018)规定：当水文地质条件对基础抗浮有重大影响时，宜进行专门的水文地质勘察，提供用于计算地下水浮力的设计水位。广东省标准《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31—2016)规定：地下水的设防水位应取建筑物设计年限内(包括施工期)可能产生的最高水位。且在条文说明中表述，如果岩土工程勘察报告中没有提供地下水的最高水位时，地下水设防水位可取建筑物的室外地坪标高。文献[4]指出地下水位的变化受大气降雨、地下水的补给、水的径流排泄等自然因素等的影响，同时也受到人为因素的干扰，因此地下水位变幅较大，需要对工程沿线的含水层分布及层间水力联系进行详细勘察，综合确定更合理的抗浮设防水位。勘察报告即使给出勘察期间的水位，与近年水位和历史最高水位也存在很大误差。综上，地下工程的抗浮设防水位既不是勘察期间内的水位、也不是工程所在地区的常年最高水位。文献[5]认为抗浮设防水位应为工程使用期间的最高洪水位，若此水位高出地表，则抗浮设防水位即为工程地表位置。抗浮水位确定为地表的方法在工程设计中被普遍接受，在多数情况下计算结果偏安全，且简单易行。

2 抗浮验算

隧道施工阶段和使用阶段的荷载不同，根据《道路隧道设计规范》(DG/TJ08-2033—2008)规定，隧道结构在施工和使用阶段应分别进行抗浮验算。并给出了施工阶段和使用阶段隧道结构自重及上覆土层有效压重的荷载分项系数。验算公式如下

(1)

式中：Gk、Nw,k、k分别为隧道结构自重及压重之和、浮力作用值、抗浮稳定系数。根据规范明挖现浇段，使用阶段不考虑侧墙土体摩阻力时k=1.05。

关于隧道结构自重及压重的荷载分项系数取值，不同设计人员取值不完全一致。文献[5]与文献[8]取值0.9，文献[9]指出在抗浮稳定性计算中，荷载作用效应应该承载能力极限状态下的基本组合考虑，分项系数为1.0。

3 抗浮桩设计

3.1 抗浮桩桩长与根数的确定

当前抗浮设计中的常用方法是对下穿隧道分段进行抗浮设计，综合考虑桩间距、结构尺寸等，确定抗浮桩根数n，计算荷载效应基本组合计算单根抗浮桩的基桩拔力Nk。

(2)

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2018)规定，群桩呈非整体破坏时抗拔承载力按下式验算。

式中：Tuk为基桩的抗拔极限承载力标准值；Gp为基桩自重，地下水位以下取浮重度；λi为抗拔系数；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；ui为桩身周长；li为各土层厚度。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)规定，摩擦桩单桩轴向受拉承载力容许值[Rt]按下列公式计算。

(5)

式中：qik为桩侧第i层土的侧阻力标准值；u为桩身周长；ai为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力的影响系数。

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2018)中基桩抗拔承载力特征值[R]取基桩的抗拔极限承载力标准值的一半，即

[R]=0.5∑λiqsikuili

(6)

对比公式(5)、(6)，基桩抗拔承载力容许值的求解思路一致，系数取值不同。参考两规范后，抗浮桩承载力特征值或容许值[R]计算公式为：

(7)

在此基础上结合抗拔承载力验算公式

Nk≤[R]+Gp

(8)

通过试算求解抗浮桩根数与桩长。

3.2 抗浮桩配筋及裂缝验算

《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2018)中5.8.7和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010(2015版))中6.2.22对钢筋钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定

N≤fyAs+fpyAp

(9)

式中：N为荷载效应基本组合下桩顶轴向拉力设计值，即N=1.2Nk；fy、fpy分别为普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；Ap分别为普通钢筋、预应力钢筋的截面面积。据此进行抗浮桩的配筋设计。

于此同时，还需依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010(2015版))中3.4.5的结构构件裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值与7.1.2对抗浮桩进行最大裂缝宽度的验算。7.1.2规定：按荷载效应的标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度可按下列公式计算。

式中：ωmax为最大裂缝宽度；αcr为构件受力特征系数；ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σs为按荷载标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力；Es为钢筋的弹性模量；Cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。对于抗浮工程桩裂缝验算，Nk值取抗浮桩承载力特征值[R]。

对抗浮桩设计流程进行梳理，给出标准化设计流程图。

图1 抗浮设计流程

4 结 语

(1)抗浮设防水位的确定在城市下穿隧道抗浮桩设计中至关重要，应根据详细水文地质勘察结果确定，若勘察报告未给出抗浮设防水位参考值，偏于安全考虑，抗浮水位可取为地表。抗浮桩抗拔承载力特征值可按《建筑桩基技术规范》和《公路桥涵地基与基础设计规范》分别计算，选择较为保守的承载力计算结果，且抗浮桩提供的抗拔力应包含基桩自重。隧道结构的抗浮验算应分施工阶段和使用阶段分别进行验算，采用不同的抗浮安全系数。

(2)抗浮桩标准化设计流程中有1组关键变量即抗浮桩的根数与桩长，结合计算公式(2)、(7)、(8)可知对于改组变量存在多解，增加桩数可减小桩长，反之亦然。因此，如何确定最优化的桩数与桩长组合，对提高抗浮桩设计的合理性和经济性有重要的意义。设计人员在实际工程中，可在施工图设计阶段对此问题作进一步的探讨，寻求即可保证工程安全可靠施工运营又经济合理的抗浮设计，对初步设计进行深度优化。

(3)配筋与裂缝控制同样是抗浮桩设计的核心问题，根据计算公式(2)、(8)、(9)确定抗浮桩的配筋的同时，尚需满足裂缝验算，需要认真对待，确保抗浮桩设计计算的安全准确。