地鐵車站的抗浮設(shè)計(jì)

張景花

近年來,隨著城市地下軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,大部分地鐵車站均以淺埋、明挖施工居多,而很多城市的地下水位又較高,水位也不是穩(wěn)定不變,且地鐵設(shè)計(jì)均是百年工程,這使得地鐵車站的抗浮設(shè)計(jì)在地鐵設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

1 抗浮設(shè)計(jì)的原因及處理方法

地鐵車站上浮的原因是結(jié)構(gòu)重量及車站側(cè)壁摩擦力之和小于水浮力所引起的。當(dāng)車站自身重量(包括頂板覆土重)不能抵抗地下水浮力時(shí),地下車站將產(chǎn)生上浮,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形破壞,使地下車站不能發(fā)揮正常功效,由此產(chǎn)生抗浮設(shè)計(jì)。

抗浮設(shè)計(jì)包括整體抗浮驗(yàn)算及局部抗浮驗(yàn)算,通過整體抗浮驗(yàn)算可保證地下車站不會(huì)整體上浮,但不能保證底板不開裂變形等現(xiàn)象。局部抗浮驗(yàn)算可保證底板局部不開裂變形等現(xiàn)象。

2 抗浮措施

2.1 施工階段抗浮措施

地下車站施工階段抗浮措施一般采用基坑外或基坑內(nèi)降水,使地下水位保持在開挖面下1 m,直至結(jié)構(gòu)施工完畢,頂板覆土完成后才停止降水。

2.2 使用階段抗浮措施

2.2.1 配重法

這是一種常規(guī)的抗浮措施,對(duì)于地下車站,配重法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)如下：1)可以在其頂板上加厚覆土;2)可將車站底板延伸,利用外伸的覆土增加壓重;3)增加底板厚度。地鐵車站中,由于大部分均設(shè)在道路下方,增加覆土厚度一般不可行,而將車站底板延伸會(huì)使車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)范圍變大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體之間要回填壓實(shí),由于地鐵車站基坑較深,施工較困難且填土一般達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,對(duì)車站主體不利,且延伸部分使水浮力的受力面積增大,相應(yīng)部分壓載的作用部分被抵消;底板加厚會(huì)使基坑埋深加大,水浮力相應(yīng)增加,這樣壓載的作用會(huì)部分被抵消。從經(jīng)濟(jì)角度來說后兩種方法也會(huì)使車站造價(jià)相應(yīng)提高。但對(duì)于地下與地上結(jié)合的地鐵車站,由于車站基坑較淺,可考慮此方法與其他方法結(jié)合達(dá)到抗浮的目的。

2.2.2 抗拔樁下拉法

這種方法是利用樁體自重與樁側(cè)摩阻力來提供抗拔力。它不同于一般的基礎(chǔ)樁,有其自身的獨(dú)特性能,樁體承受拉力,樁體受力大小隨地下水位變化而變化。由于基坑深度較深,在地鐵車站設(shè)計(jì)中多采用機(jī)械鉆孔灌注樁,抗拔樁一般根據(jù)浮力大小結(jié)合車站框架柱及底縱梁設(shè)計(jì)。但由于地下車站抗拔樁與底板相交處防水很難保證,本方法一般在抗浮梁無法施作且必須進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)采用。

2.2.3 抗浮梁壓頂法

此方法是地鐵車站設(shè)計(jì)中比較常用的方法,這種方法是利用地鐵車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)(鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻)在車站頂板上方沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置一圈壓頂梁,使車站在受水浮力上浮時(shí),壓頂梁對(duì)車站頂產(chǎn)生向下壓力,同時(shí)利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自重及側(cè)摩阻力共同達(dá)到抗浮目的。由于車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般是永久性支護(hù),利用這種方法抗浮就目前來說在地鐵抗浮設(shè)計(jì)中是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。一般車站抗浮優(yōu)先考慮此方法。

2.2.4 抗浮錨樁法

此方法是在民建中近年來大量應(yīng)用的抗浮技術(shù),一般采用高壓注漿工藝,使?jié){液滲透到巖土體的孔隙或裂隙中,錨桿側(cè)摩阻力比抗拔樁大,更有利于抗浮,且造價(jià)低,施工方便。但是普通錨桿受拉后桿體周圍的灌漿體開裂,使鋼筋或鋼絞線極易受到地下水的侵蝕,直接影響耐久性,抗浮錨桿與底板的結(jié)點(diǎn)是防水的薄弱環(huán)節(jié)。國內(nèi)對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)還不夠成熟,缺乏有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),尤其是錨桿的耐久性缺乏可靠的技術(shù)控制,又由于地鐵是百年工程,對(duì)耐久性及防水要求更為嚴(yán)格。目前在國內(nèi)地鐵車站的抗浮設(shè)計(jì)中缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

3 地鐵車站抗浮設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 配重法及抗拔樁的綜合應(yīng)用

3.1.1 工程概況

某工程位于天津市西外環(huán)線西側(cè),為地下1層站、地上1層的地上地下結(jié)合站,周邊基本為農(nóng)田,地下1層總長180.2 m,地上1層為 149.2 m,車站寬為22.8 m,地上室內(nèi)±0.00相當(dāng)于天津市1972年大沽高程系2002年高程3.252 m,室外地面標(biāo)高為-0.45 m?；硬捎梅牌麻_挖,深8.3 m。由于本工程是地上地下結(jié)合站,沒覆土重,且面積較大,沒有足夠的荷載重量,抗浮穩(wěn)定不滿足要求,需要設(shè)置抗拔樁,又考慮本站基坑較淺且為放坡開挖。經(jīng)過分析采用φ 800鉆孔灌注樁和結(jié)構(gòu)主體底板外挑1 m,共同解決車站抗浮問題。

地下抗浮設(shè)防水位為地面下0.5 m。

3.1.2 抗浮驗(yàn)算

水浮力：7.76×(182.2×24.8)×10=350 640 kN。

抗浮重量：

地下結(jié)構(gòu)重量：

覆土重：20×0.5×22.8×31.6=7 204.8 kN。

頂板自重：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。

側(cè)墻自重：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。

站臺(tái)板墻自重：(6.7+6.8)×180.2×0.2×25+123.4×4×0.2×1.31×25=15 396.6 kN。

縱梁自重：(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。

地上結(jié)構(gòu)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。

合計(jì)：241 333 kN＜350 640 kN,不滿足抗浮要求。

周邊懸挑1 m土：

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

底板梁下及側(cè)墻下共布置242根φ 800鉆孔灌注13 m長樁;

樁重：242×3.14×0.4×0.4×13×25=39 513 kN。

樁側(cè)阻力：

一根樁側(cè)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。

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

3.2 抗浮梁的應(yīng)用

3.2.1 工程概況

某工程位于哈爾濱市樺樹街中段路下,本工程為地下2層站,周邊建筑物較多,車站總長180.0 m,車站寬為19.2 m,地面高程相當(dāng)于哈爾濱大連高程119.280?；訃o(hù)采用φ 800鉆孔灌注樁間距1.0 m,基坑深15.3 m。由于本工程距離松花江較近,地下水比較豐富,水位較高,且面積較大,沒有足夠的荷載重量,抗浮穩(wěn)定不滿足要求,需要解決抗浮問題,又考慮本站基坑較深且圍護(hù)用鉆孔灌注樁。采用在頂板處φ 800鉆孔灌注樁上設(shè)置800 mm×800 mm的抗浮梁解決車站抗浮問題。

3.2.2 地質(zhì)概況和地下抗浮設(shè)防水位

場地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 場地地質(zhì)條件和計(jì)算參數(shù)

抗浮設(shè)防水位為大連高程系118.10 m。

3.2.3 抗浮驗(yàn)算

計(jì)算取1 m寬結(jié)構(gòu)單元,取最不利處覆土。

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;

頂中底板自重：(0.9+0.4+0.8)×25×17.8=934 kN;

側(cè)墻自重：(0.7+0.7)×25×12.53=438 kN;

站臺(tái)板自重：(0.2×25+0.1×20)×10.5=73 kN;

縱梁自重：(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;

合計(jì)：2 571 kN。

2 571×0.9=2 314 kN＜2 405 kN,不滿足抗浮要求。

抗浮梁自重：0.8×0.8×1×25=16 kN;

圍護(hù)樁重：0.502×21.88×25=274 kN;

樁側(cè)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;

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

滿足抗浮要求。

4 結(jié)語

1)地鐵車站的抗浮設(shè)計(jì)是普遍存在的問題,各地應(yīng)結(jié)合各項(xiàng)工程的實(shí)際情況選擇經(jīng)濟(jì)適用的抗浮措施。

2)局部抗浮驗(yàn)算應(yīng)與整體抗浮驗(yàn)算能更好地綜合應(yīng)用。

[1] 葉健寧.淺談地鐵深基坑施工中的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[J].山西建筑,2008,34(18)：300-301.