大型地鐵車站結構齒槽抗浮技術

郭建強

(中鐵十三局集團有限公司第五工程公司，四川成都 610041)

隨著經濟的快速發展，我國城市現代化進程大大加快。各大城市為了滿足日益增長的都市交通需要，引導城市合理布局和有序開發，充分利用地下資源為城市發展提供了延伸空間，諸如地鐵等軌道交通的快速建設。然而，大多數地鐵車站建于地下，地下結構因地下水浮力極易發生結構破壞和各種工程事故，嚴重影響地鐵在運營階段的行車安全。因此，地鐵車站結構抗浮面臨嚴峻挑戰，其設計及施工等涉及的一系列抗浮問題必須引起密切關注。

1 大型車站結構抗浮面臨的問題

為了控制工程整體投資，同時滿足地鐵各項功能，實現公眾便捷乘車，地鐵車站多為地下多層結構，頂板上覆土均較薄，不似區間隧道埋深較深［1-2］。同時，為了創造干燥的機電工作環境、舒適的乘車環境以及良好的觀感效果，明挖地下車站要求主體結構、出入口通道及機電設備集中部位防水等級為一級，結構不允許滲水，結構表面無濕漬。在地下水位較高的地區，車站結構類似于一個密閉的箱體置于地下水池中，當結構自重及頂板覆土重無法抵消地下水浮力時，必須采取必要的抗浮措施來解決浮力影響，以保證車站結構及行車安全。

2 傳統抗浮技術及不足

按目前現有理論和技術［3］，車站結構抗浮設計中多采用抗拔樁、抗拔錨桿、趾板反壓、壓頂梁以及配重法等傳統的抗浮措施。然而，盡管在設計中為獲取最佳的抗浮效果考慮較為周全，但上述抗浮技術仍有較大的不足。

2.1 抗拔樁

底板下設置抗拔樁，通過樁體或擴底樁與底板下土體摩阻力抵消部分水浮力來解決抗浮。受力模式為:覆土重+結構自重+抗拔樁摩阻力≥浮力×抗浮安全系數，其受力體系如圖1(a)。

當采用抗拔樁時，容易產生底板漏水、堵漏難度大，底板暴露時間長，地面施作費用高，底板連接節點防水難度大。另外，抗拔試驗占用時間長，如出現底板滲漏水會對道床產生浮力影響，造成軌面不平順而影響行車舒適，甚至發生事故。

2.2 抗拔錨桿

底板下設置抗拔錨桿，通過錨桿錨固體與底板下土體摩阻力抵消部分水浮力來解決抗浮。受力模式為:覆土重+結構自重+抗拔錨桿錨固力≥浮力×抗浮安全系數，其受力體系與抗拔樁類似。

當采用抗拔錨桿時，現場操作難度較大，錨固體產生作用需等待齡期，抗拔試驗占用時間長，底板暴露時間長，底板連接節點防水難度大易產生滲漏水。

2.3 墻外趾板反壓

結構外墻增加混凝土外挑結構，增加墻外覆土壓力抵抗水浮力。受力模式為:頂板覆土重+結構自重+墻外覆土重≥浮力×抗浮安全系數，該抗浮措施受力體系如圖1(b)。

當采用趾板反壓時，需增加開挖回填數量，周邊可利用空間必須足夠大，放坡開挖基坑較適用，對覆土填實要求高。

圖1 地鐵車站結構抗浮體系

2.4 抗浮壓頂梁

在主體結構頂板上與圍護結構連接設置壓頂梁結構，解決抗浮。

受力模式為:①頂板覆土重+結構自重+壓頂梁抗剪力≥浮力×抗浮安全系數;②頂板覆土重+結構自重+圍護結構自重≥浮力×抗浮安全系數;③頂板覆土重+結構自重+圍護結構自重+圍護結構與土體摩擦力≥浮力×抗浮安全系數，該抗浮措施受力體系類似于圖1(c)。

如果采用抗浮壓頂梁，則需要頂板施工后對樁身進行處理，鑿樁植筋施工壓頂梁，施工費用較高，植筋連接與結構的壽命相比往往較短，且質量不可靠。當采用抗浮壓頂梁時，將圍護樁冠梁降低，冠梁加大有利于后期與結構頂板間壓頂梁相扣，但因冠梁低于原地面，上部邊坡防護不當易產生較大變形，同時壓頂梁在頂板與冠梁之間澆注時操作空間小，上部容易澆注不密實，對以后的抗浮控制變形很不利。

2.5 摩擦抗浮

充分利用車站主體結構與圍護結構的摩擦力，以抵抗地下水產生的浮力。受力模式為:覆土重+結構自重+結構與圍護間摩擦力≥浮力×抗浮安全系數，該抗浮措施受力體系如圖1(c)。

因車站工程實體范圍大，采用配重法如加配重混凝土(如鋼渣混凝土)成本高，同時恐后期受雜散電流腐蝕耐久性差，且需占用大量有效空間。同時配重操作難度大，多以頂板增加景觀假山實現，但是受周邊環境影響限制因素大，適用性不強。

其余如坑外降水措施僅可作為一種補救措施，長期使用耗費較高，不宜采用。

3 齒槽加強抗浮技術

3.1 工程簡況及要達到的目標

成都將軍衙門地鐵車站是一座高10 m二層島式站臺車站。地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，位于小南街與少城路交叉路口以東，人民公園內。車站基坑地處川西平原岷江水系Ⅰ級階地，為侵蝕～堆積地貌，站區地形有起伏，地面高程501.86～504.65 m，基坑工程地處砂卵石地層。車站總長138 m，基坑最大開挖深度19.2 m。

根據鉆孔揭露，第四系孔隙水主要賦存于全新統(Q4)、上更新統(Q3)的砂、卵石土中，砂卵石層含水豐富，含水層總厚度約17.7 m，為孔隙潛水。根據勘察單位的“成都市地鐵天府廣場綜合改造工程巖土工程勘察”，在卵石層中所做的抽水試驗，得到最大降深8.08 m，最小降深2.80 m。由所測數據采用單孔穩定流計算出該場地滲透系數最大 12.0 m/d，最小7.2 m/d，平均值9.3 m/d。結合成都地區的降水經驗，初步建議本區段卵石土綜合含水層滲透系數K取18 m/d，為強透水層。

為使結構與圍護樁整體受力效果良好，操作簡便，且防水整體性不受破壞，同時不增加投資，工期不受影響，成都地鐵2號線一期工程將軍衙門站采用了結構抗浮齒槽新技術。齒槽技術僅需要在結構板外增加局部外挑，利用護壁或一定厚度的主筋保護層即能滿足圍護樁受力要求。

3.2 抗浮設計施工中問題分析

地鐵車站在設計時一般都要對主體結構進行整體抗浮以及局部抗浮驗算，使抗浮安全系數滿足規范允許值，我國幾個大城市地鐵采用的抗浮安全系數見表1。

由表1可看出，各地區抗浮安全系數取值因地而異，受地層因素影響大。

目前抗浮安全系數的取值均為經驗取值，取值越大，安全性越高，抗浮措施投入越大，越不經濟;取值越小，安全性偏低，投入降低，風險加大。

實際設計中，勘察人員往往將地鐵使用期歷史最高水位取為抗浮水位，設計計算均按此水位結合車站埋深計算相應的水浮力。故而在采取抗浮措施時往往會反壓偏大，車站出現的不是上浮而是微量沉降，工程造價也明顯偏高。

表1 各城市地鐵采用的抗浮安全系數

綜上所述，對地鐵車站抗浮難題分析如下:①抗浮設計計算可總結分析已有類似工程的變形沉降規律，并可進一步加強該類項目的變形研究，根據實際選取較為經濟合理的抗浮安全系數。經研究比較，選擇較為通用1.05(不計側壁摩阻力)及1.15(計側壁摩阻力)較為合理。②在抗浮設計施工中，利用圍護結構冠梁兼做壓頂梁具有一定的先進性，其受力分析和設計計算簡單。而壓頂梁在頂板與冠梁之間澆注，操作空間小，易出現上部澆注不密實等不足。③針對上述抗浮問題，設計思路最好改變原有的“抵抗”浮力為“消解”浮力，在墻柱中甚至底板上設置浮力泄壓管路，使結構受力自我平衡。

3.3 抗浮設計方案與參數

基于上述分析，參考基坑理論與技術［4-5］，成都將軍衙門地鐵車站建設過程中在結構外增加齒槽結構，通過齒槽與圍護結構的嵌固作用使圍護結構與主體結構共同作用解決抗浮。

受力模式為:①頂板覆土重+結構自重+齒槽嵌固力≥浮力×抗浮安全系數;②頂板覆土重+結構自重+圍護結構自重≥浮力×抗浮安全系數;③頂板覆土重+結構自重+圍護結構自重+圍護結構與土體摩擦力≥浮力×抗浮安全系數。該抗浮措施受力體系如圖2。

3.4 施工工藝及流程

結合工程實際情況，圍護樁施工時在結構板部位根據設計要求主筋彎折，準確定位并保證位置偏差滿足要求，以利后期齒槽嵌固。開挖基坑后及時鑿出齒槽部位樁體凹槽，并采用砂漿抹補。結構板施工時板體主筋外伸按設計齒槽寬度下料，齒槽與結構整體澆注，以實現樁與主體結構共同受力。圍護樁主筋在結構板部位局部彎折，結構板外挑與樁體嵌固，利用齒槽抗剪實現結構抗浮要求。

圖2 齒槽抗浮受力體系

3.5 效果分析

目前車站已建設完成并投入運營，通過竣工檢測數據及近兩年運營結果顯示，車站各部位均未出現不利影響，尤其經受住了2013年成都夏季特大暴雨的考驗。

盡管采用齒槽抗浮新技術可以達到較好的效果，但今后在以下幾方面還需進一步改進:首先，齒槽節點受力集中，易出現剪切破壞，設計中應著重考慮;其次，圍護結構齒槽嵌固條件較難滿足，必須精心施工;最后，施工工藝水平要求較高。

4 結論

1)地下結構常因地下水浮力發生結構破壞和各種工程事故，嚴重影響地鐵在運營階段的行車安全，必須引起密切關注。但目前抗浮技術仍有較大的不足，需要做出相應的完善和進一步研究。

2)提出的大型地鐵車站結構齒槽加強抗浮技術，受力分析和設計計算簡單、簡潔易作、施工成本低廉、工藝簡便且質量易于控制，可克服抗拔樁或抗拔錨桿的防水滲漏難度大以及試驗周期長、底板封閉晚的難題，避免后期施作壓頂梁的不利影響，可廣泛推廣。

3)鑒于齒槽抗浮技術中的齒槽節點受力集中，易出現剪切破壞，圍護結構齒槽嵌固條件較難滿足以及施工工藝水平要求較高，今后還需做更深入的研究。

［1］賴興庭，朱泰儒.地下建筑物抗浮錨桿設計的幾個問題［J］.福建建設科技，2006(3):32-33.

［2］周順華.城市軌道交通結構設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］周順華.城市軌道交通結構工程［M］.上海:同濟大學出版社，2004.

［4］中華人民共和國國家標準.GB 50157—2003 地鐵設計規范［M］.北京:中國計劃出版社，2003.

［5］胡章喜，謝承棟，馮云.地下三層側式站臺車站抗浮方案選擇［J］.地下工程與隧道，2010(1):6-11.