地下一层车站抗拔桩优化设计及分析

张加春 谢军

摘 要：地铁线路起点或者终点一般为地下一层车站，因其覆土少，通常需要设置大量抗拔桩以满足车站抗浮要求。本文结合苏州某地下一层车站实际设计案例，通过不同的桩径、桩长对比分析其抗拔指标，以此确定最合理的抗拔桩桩径与桩长，同时，提出采用桩侧后注浆技术，提高抗拔桩的单桩承载力，进一步降低抗拔桩造价，为后续地铁项目抗拔桩的设计提供参考。

关键词：抗拔桩;单桩承载力;后注浆;抗拔指标

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0078-04

Abstract： The starting point or the end point of a subway line is generally an underground station. Because of its less soil cover， a lot of uplift piles are usually required to meet the anti-floating requirements of the station. This paper combined the actual design case of an underground station in Suzhou and passes through different piles diameter and pile length were compared to analyze the uplift index to determine the most reasonable uplift pile diameter and pile length. At the same time， it was proposed to adopt post-pile grouting technology to increase the single pile bearing capacity of the uplift pile and further reduce the cost of uplift piles and provides a reference for the design of uplift piles in subsequent subway projects.

Keywords： uplift pile;single pile bearing capacity;post-grouting;uplift index

地铁车站按照线路布线情况，可分为高架站、地下一层站、地下两层站、地下三层站等。其中，地下一层车站站台层位于地下一层，站厅层位于地面一层，往往设置于线路起点或终点处。

因地下一层车站线路埋深浅，车站顶板覆土较少，甚至无覆土，为了满足车站整体抗浮要求，往往需要设置大量抗拔桩。抗拔桩的设置无疑会增大车站投资，而且考虑到桩机的施工空间要求，桩机只能在地面施工，造成大量空桩的浪费。有研究表明[1]，车站土建工程投资占整个地铁项目的投资比重最高，约20%。而车站土建投资中，抗拔桩的施工成本占比较大，所以，合理选取抗拔桩的桩径、桩长等设计参数尤为重要。本文以苏州某地下一层车站为例，从经济性等角度对车站抗拔桩方案进行研究分析。

1 车站设计概况

该站为苏州某地铁线路起点站，站台层位于地下一层，站厅层位于地面一层，出入口与地面厅合设。车站标准段埋深约10.45 m，宽度为19.9 m，标准段横断面见图1。车站基坑采用SMW工法（Soil Mixing Wall，新型水泥土搅拌桩墙）桩围护体系，明挖法施工。土层自上至下分别为：①-2杂填土层、①-3素填土层、③-1黏土层、③-2粉质黏土层、③-3粉土层、④-2砂质粉土夹粉砂层、⑤-1粉质黏土层、⑥-1黏土层、⑥-2粉质黏土层、⑦-2砂质粉土层、⑦-3粉质黏土层，地质参数见表1。根据区域资料，苏州历史最高潜水位为2.63 m（1985国家高程基准），最低潜水位为-0.21 m（1985国家高程基准），年变化幅度一般为1～2 m。本站抗浮设防水位可取设计室外地坪标高（或自然地面标高）下0.50 m或苏州历史最高潜水位2.63 m之间的高值。

2 抗拔桩设计优化思路

2.1 抗拔桩桩径、桩长选型

根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）[2]11.6.1中第6条，结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算。抗浮安全系数不计入地层侧摩阻力时不应小于1.05。在考虑结构自重的情况下，以车站纵向每米进行抗浮计算，本工程结构自重为1 327 kN/m，水浮力为2 159 kN/m。抗浮安全系数为1 327/2 159=0.61<1.05，需要设置抗拔桩。

以桩径700 mm、桩长30 m为例，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）[3]5.4.5条公式计算单桩抗拔承载力标准值[NK]。

式中：[NK]为单桩抗拔承载力标准值;[Tuk]为基桩抗拔极限承载力标准值;[ui]为桩身周长;[qsik]为桩侧表面第[i]层土的抗压极限侧阻力标准值;[λi]为抗拔系数;[li]为桩周第[i]层土的厚度;[Gp]为基桩自重，地下水位以下取浮重度。

计算得到单桩抗拔承载力标准值为1 448 kN，需要配钢筋21E25，按照概算單价计算得出单桩造价约6.39万元，引入“抗拔指标”概念，即每万元所能提供的单桩抗拔承载力标准值，可得桩径700 mm、桩长30 m的抗拔指标为227 kN/万元，其他不同桩径、不同桩长下抗拔指标见表2。

相同桩径、不同桩长的抗拔指标趋势见图2，相同桩长、不同桩径的抗拔指标趋势见图3。

从图2可知，当桩径相同时，桩长增加，单桩抗拔承载力虽有所提高，但配筋也进一步加大，导致抗拔指标降低，造价提高。从图3可知，当桩长相同时，桩径为800 mm的桩[，]其抗拔指标最高，因此，一般地铁工程中常选用桩径为800 mm的抗拔桩。在本项目中，若采用桩径为800 mm、桩长为30 m的抗拔桩，共需要抗拔桩88根，抗拔桩投资达623万元，费用占比较大，故进一步研究优化抗拔桩布置方案十分必要。

2.2 桩侧后注浆技术

钻孔灌注桩后注浆技术是在桩身强度达到一定要求后，通过桩身内部预埋的注浆管道向桩体内灌注水泥浆液，以提高基桩的桩端或桩侧摩阻力[4]。该技术首次应用于1958年设计的委内瑞拉马拉开波湖大桥桩基础[5]，随后陆续在国内外桩基工程中应用。

桩侧后注浆常用的注浆方式为环向点式注浆，即将注浆器沿桩周环向布置，通过不同深度多个环形注浆断面实现整个桩身注浆。桩侧后注浆装置由纵向注浆导管、环形管及注浆器组成，注浆器通过环形管连接并沿环向对称布置。纵向注浆导管是连接地面注浆系统与环形管的过渡管材，与钢筋笼主筋绑扎固定并一起下放至孔内，见图4。环形管同时与纵向注浆导管连通，每个环形管沿周对称设置4个注浆器，注浆器为单向阀式构造。注浆时，浆液由纵向注浆导管经环形管通过注浆器的单向阀直接注入土层。

2.3 抗拔桩优化设计

后注浆灌注桩的单桩抗拔极限承载力标准值[Quk]可按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中5.3.10的公式计算：

式中：[u]为桩身周长;[lj]为后注浆非竖向增强段第[j]层土厚度;[lgi]为后注浆竖向增强段第[i]层土厚度;[qsik]和[qsjk]分别为后注浆竖向增强段第[i]层土初始极限侧阻力标准值、非竖向增强段第[j]层土初始极限侧阻力标准值;[βsi]为后注浆侧阻力增强系数。

《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）中明确提出，当[βsi][无]当地经验时，可按表5.3.10取值。表中黏性土、粉土[βsi]的取值范围为1.4～1.8，本工程取值1.6;粉砂、细砂[βsi]的取值范围为1.6～2.0，本工程取值1.8。对桩径分别为700 mm、800 mm、900 mm，桩长分别为30 m、35 m、40 m的抗拔桩计算抗拔指标，结果见表3。虑桩侧后注浆的抗拔指标趋势见图5。

由图5可知，考虑桩侧后注浆的抗拔指标变化趋势与不注浆的抗拔桩一致，也是桩径为800 mm、桩长为30 m的抗拔桩经济性最高。

结合表2、表3可知，采用桩侧后注浆，抗拔桩单桩承载力标准值可提高约60%，抗拔指标提高约30%。本工程中，采用桩侧后注浆技术，桩径为800 mm、桩长为30 m的抗拔桩仅需设置54根，可减少34根，总造价约478万元，较623万元优化约23%，具有一定的经济性。

2.4 试桩结果

为了验证各土层的极限侧摩阻力和后注浆侧摩阻力增强系数选取的合理性，本工程共对3组试桩进行了静荷试验，试桩结果见表4。试验结果表明，考虑桩侧后注浆的抗拔桩承载力，在5 500 kN试验荷载下未达到极限，桩顶变形与回弹率表明其仍有承载潜能，说明设计选用的参数是合理的，抗拔桩的承载能力是有保证的。

3 结论

本工程引入抗拔指标的概念，即每万元所能提供的单桩抗拔承载力标准值，通过对不同桩径、不同桩长下抗拔指标进行对比分析得出，相同桩径下，桩长越长，抗拔指标越低;相同桩长下，桩径为800 mm的抗拔桩的抗拔指标最高。

采用桩侧后注浆技术，抗拔桩的抗拔承载力标准值能显著提高，提高约60%，抗拔指标增加约30%。结合试桩结果，对于本工程中桩侧注浆侧摩阻力增强系数，黏性土、粉土取值1.6，粉砂、细砂取值1.8是合理的。

综上所述，桩侧后注浆技术在地铁工程项目中是可以推广应用的，并且具有良好的经济效益，为后续地铁工程抗拔桩设计提供参考。

参考文献：

[1]马靖华，程亚平.地铁车站不同施工工法对工程造价的影响研究[J].建筑经济，2019（5）：64-68.

[2]中华人民共和国建设部.地铁设计规范：GB 50157—2003[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]阮文禄.后注浆钻孔灌注桩的承载力研究[D/OL].长春：吉林大学，2014[2014-05-01]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2018&filename=HBJC201806132&v=o4Y%25mmd2FB5ksINmihUzFmlKEUM2F5il%25mmd2BdkMIU19DRraHpzTZrmnGwQdZDNC8C%25mmd2FW825yE.

[5]武學文，王玉梅，郭晓品.灌注桩后注浆技术应用及经济性分析[J].玻璃，2021（6）：43-46.