關(guān)于地鐵車站的抗浮設(shè)計研究

摘要：隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，同時為了減輕地上交通運輸?shù)木薮髩毫Γ叵萝壍澜煌ǖ慕ㄔO(shè)發(fā)展日新月異。地鐵車站深埋在地下，城市地下水位往往較高，這勢必需要對地鐵車站進行抗浮設(shè)計研究。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；抗浮設(shè)計；計算

1.工程概況

某城規(guī)劃建設(shè)地下三層地鐵站，車站結(jié)構(gòu)高度22.36 m、寬度23.2m、覆土厚度約2.7 m，車站底板埋深約25.06m。車站采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)采用1.0m 地下連續(xù)墻，嵌固深度5.0m，采用明挖順作法施工。

根據(jù)車站地質(zhì)詳勘報告，車站埋深范圍內(nèi)主要分布有〈1〉雜填土、〈3-2〉中粗砂、〈4N－2〉淤泥質(zhì)土、〈5H－2〉花崗巖殘積土等土層，基底以下主要為〈6H〉全風(fēng)化、〈7H〉強風(fēng)化花崗巖。

2.抗浮計算

2.1 車站整體抗浮計算

抗浮計算選取延米車站標準斷面計算。由于本車站所處位置地勢較低，考慮地鐵設(shè)計的工程經(jīng)驗和地鐵百年工程的重要性，抗浮計算水位按最不利工況選取，水位取至地面。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007—2011）， ，式中： 為建筑物自重及壓重之和， 為浮力作用值， 為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，在不考慮側(cè)壁摩阻力時，取1.05；考慮側(cè)壁摩阻力時，取1.15。

2.1.1 不計側(cè)壁摩阻力時的抗浮計算

設(shè)置壓頂梁能夠利用圍護結(jié)構(gòu)自重和圍護結(jié)構(gòu)與巖土間側(cè)壁摩阻力來提供抗浮力，是地鐵抗浮設(shè)計中優(yōu)先考慮的抗浮措施。設(shè)置壓頂梁后，結(jié)構(gòu)抗浮力包括車站主體結(jié)構(gòu)重、圍護結(jié)構(gòu)重、壓頂梁重、頂板上覆土重及圍護結(jié)構(gòu)與巖土間摩阻力（現(xiàn)暫不考慮）。

經(jīng)計算，車站主體浮力為

車站主體自重及覆土自重

圍護結(jié)構(gòu)及壓頂梁自

根據(jù)前式得： lt;1.05。故設(shè)置壓頂梁后在不計圍護結(jié)構(gòu)與巖土間摩阻力時，無法滿足抗浮要求。

2.1.2 考慮側(cè)壁摩阻力時的抗浮計算

考慮圍護連續(xù)墻與巖土間摩阻力時，應(yīng)根據(jù)式（2）N_k≤T_uk/2+G_p和式（3）T_uk=Σλ_iq_siku_il_i計算，計算中q_sik應(yīng)取極限側(cè)摩阻力。

根據(jù)式（3）計算得：T_uk=2237.7 kN/m；

圍護結(jié)構(gòu)能夠提供的有效力為 = G₂ + T_uk =3126kN/m；

根據(jù)式（1）得： =（3318+3126）/5863=1.10＜1.15。

因此，在考慮側(cè)壁摩阻力時，車站抗浮仍無法滿足要求，需要設(shè)置抗拔樁。

通過計算可知，若要滿足抗浮安全系數(shù)Kw≥1.15，抗拔樁需要提供的有效抗浮力應(yīng)大于298 kN/m。

2.2 整體抗浮有限元計算分析

2.2.1計算模型及荷載

車站圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)共同參與受力，結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：

采用SAP2000建立結(jié)構(gòu)計算模型，各主要結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬。連續(xù)墻和主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻之間采用僅能受壓連桿模擬（連桿受拉時取消），連續(xù)墻嵌固段及主體結(jié)構(gòu)底板下均設(shè)置彈簧，模型不考慮圍護結(jié)構(gòu)側(cè)摩阻力作用，在壓頂梁位置用固定鉸支座來進行模擬。結(jié)合本工程梁柱布置情況，每個斷面按照設(shè)置兩根抗拔樁進行計算。

抗浮計算時采用正常使用工況進行計算。主體結(jié)構(gòu)材料梁板采用C35混凝土，柱采用C50混凝土，相關(guān)材料參數(shù)均依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 510010-2010）選取。側(cè)向土壓力施加在連續(xù)墻外側(cè)，由連續(xù)墻和主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻共同承擔(dān)；側(cè)向水壓力施加在主體側(cè)墻外側(cè)，由主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻承擔(dān)。

2.2.2 計算結(jié)果分析

計算中，為反映抗拔樁不同受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)底板位移及壓頂梁受力，將壓頂梁模擬為鉸支座，抗拔力模擬為豎向力，計算結(jié)果如圖2和圖3所示。

2.抗拔樁節(jié)點布置圖""""""""" 3.正常使用工況位移圖

試算不同抗拔力下的結(jié)構(gòu)底板、軌道最大位移及壓頂梁支座位置反力，試算結(jié)果見表2。試算中抗拔力首先取0，計算無抗拔樁時結(jié)構(gòu)底板位移；后在此基礎(chǔ)上抗拔力遞增，計算不同抗拔力下底板及軌道最大位移情況。

表2 節(jié)點受力及位移統(tǒng)計表

單根抗拔力

Fi/（kN/m）

底板位移

Hi/mm

軌道最大位移

hi/mm

單側(cè)支座反力

Ni/（kN/m）

0

34.4

12.4

1148.1

100

33.6

12.2

997.6

150

29.0

10.5

947.4

200

27.2

9.9

947.4

300

23.6

8.7

847.0

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中撓度控制要求，車站寬度為23.2 m，撓度限值應(yīng)為23200/400=58mm，不設(shè)置抗拔樁顯然也滿足規(guī)范要求；同時，需要控制軌道位置結(jié)構(gòu)變形，根據(jù)表2可知，在單根抗拔力為200kN/m 時，可滿足軌道位移控制要求。

驗算此時抗浮K_w=（3318+3126+400）/5863 =1.17＞1.15，滿足抗浮要求。

根據(jù)有限元計算，本斷面在滿足位移要求前提下的抗拔力為400kN/m，大于整體抗浮計算所需抗拔力即298kN/m。由此分析，采用整體抗浮計算雖能滿足抗浮要求，但無法保證結(jié)構(gòu)底板位移滿足規(guī)范要求，因此，整體有限元分析在抗浮計算中是十分必要的。

此時兩側(cè)支座反力N=862.8×2=1725.6kN/m，遠小于圍護結(jié)構(gòu)能夠提供的有效力Gw。分析這應(yīng)該與計算過程中側(cè)壁摩阻力無法模擬有關(guān)。采用整體有限元分析僅能分析結(jié)構(gòu)位移，而壓頂梁位置結(jié)構(gòu)設(shè)計時所取反力仍應(yīng)采用整體抗浮計算中能夠提供的最大有效應(yīng)力。

3.結(jié)論與建議

地鐵車站抗浮設(shè)計，通過選取相關(guān)參數(shù)及公式進行計算，并結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)軟件分析結(jié)構(gòu)底板位移，可合理確定結(jié)構(gòu)相關(guān)抗浮方案及設(shè)計。由于抗浮設(shè)計取最不利荷載工況，結(jié)合以往地鐵車站抗浮設(shè)計經(jīng)驗，整體有限元計算抗浮是安全可靠的。

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