地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)抗剪能力在抗浮設(shè)計中的應(yīng)用

白玉冰，崔廣建，王子木，王　浩，郝　欣（.北京科技大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院，北京　00083；.鞍山鋼鐵集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山　400）

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地鐵基坑圍護結(jié)構(gòu)抗剪能力在抗浮設(shè)計中的應(yīng)用

白玉冰1，崔廣建2，王子木1，王浩1，郝欣1
（1.北京科技大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.鞍山鋼鐵集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山114001）

摘要地鐵工程施工一個關(guān)鍵的問題是地鐵基坑如何抗浮。本文在介紹常用基坑抗浮措施的同時，提出了在封底混凝土與圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻之間設(shè)置抗剪槽與抗浮樁相結(jié)合的抗浮方案。首先研究了抗浮樁的工作機理，然后對抗剪槽的設(shè)計進行重點分析，最后結(jié)合北京地鐵8號線永定門外站的工程實例，應(yīng)用MIDAS/GTS有限元軟件作模擬分析。分析結(jié)果表明，抗剪槽和抗浮樁共同抵抗地下水浮力，減少了抗浮樁的數(shù)量及長度，降低了施工難度，節(jié)約了工期，降低了工程成本。

關(guān)鍵詞抗浮設(shè)計；地下水；抗浮樁；抗剪槽

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵、地下停車場、地下商場等地下建筑越來越多，如何采取抗浮措施來克服地下水浮力的影響對整個工程安全極為重要。地下水浮力對于基坑破壞主要分為2類：①基坑底板隆起，導(dǎo)致底板破壞；②基坑整體浮起，導(dǎo)致梁柱結(jié)點處開裂，同時底板也破壞。當(dāng)前工程上常用到的抗浮措施：壓重法、抗浮錨桿或抗浮樁。壓重法指增加混凝土底板厚度或墻厚及結(jié)構(gòu)自重以平衡水的浮力，但會加大基礎(chǔ)埋深，增加基坑工程造價，經(jīng)濟上不合理。抗浮錨桿的間距小，地下室底板可做得較薄，錨桿的造價也較低，使整個抗浮結(jié)構(gòu)可大大地節(jié)省工程造價；但不能充分利用上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力來平衡一部分水浮力，且要求錨固于較硬巖體中，對基坑周邊地質(zhì)要求高。抗浮樁是一種主動抗浮設(shè)計，因穩(wěn)定性高、易施工、適用范圍廣而被廣泛采用。抗浮樁后期維護簡單，結(jié)構(gòu)受力合理，不影響建筑功能；但是抗浮樁的樁底常位于較深的土層，具有施工成孔難度較大，施工效率相對較底，造價相對較高的缺點。

關(guān)于地下水浮力危害性的研究開始于1928年在美國的圣弗蘭西斯的水壩塌潰事件。太沙基在1936年提出了土體的有效應(yīng)力原理，當(dāng)土體中的孔隙水壓力大于等于土體的總應(yīng)力時，也就是當(dāng)土體中的有效應(yīng)力為0時，土體中的孔隙水壓力開始表現(xiàn)出浮力的性質(zhì)。Hawkins對地下水水位的升降與土顆粒的強度之間的關(guān)系進行了研究。魯嘉［1］研究了城市地下水變異對于土體結(jié)構(gòu)強度的影響，得出隨著城市建設(shè)的發(fā)展，水土作用的模式和強度大幅度增加，土體失穩(wěn)并導(dǎo)致災(zāi)害的現(xiàn)象頻頻發(fā)生，由此需要在更深更廣的層面進行水土作用的研究。張同波等［2］闡述了巖體基坑中地下水的來源、匯水面積、匯水速度等影響抗浮承載力的主要因素和參數(shù)，分析了地下結(jié)構(gòu)局部抗浮和施工，使用過程中抗浮存在的問題，提出了影響抗浮承載力的參數(shù)取值、計算方法，以及保證施工和使用過程中抗浮承載力的技術(shù)措施。鄭偉龍［3］研究了不同土層及含水層組合條件下，不同地下水補給方式下，不同土質(zhì)類型中孔隙水壓力傳遞規(guī)律及模型底板上的浮力變化規(guī)律，分析不同含水層間的水力聯(lián)系規(guī)律，對浮力作用機理做了研究。曾國機等［4］對目前常用的抗浮技術(shù)措施如壓載抗浮、降排截水抗浮、抗浮樁及抗浮錨桿的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析，抗浮樁由于需要很厚的底板才能抵抗浮力產(chǎn)生的附加彎矩和剪力從而導(dǎo)致造價高，因此在工程實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選取多種措施聯(lián)合處理。

1　抗浮樁抗浮機理

抗浮樁的抗浮力來源于2個方面：側(cè)向摩阻力和樁底因樁體上移而產(chǎn)生的吸力，其中，樁底吸力相對于側(cè)向摩阻力較小且會隨樁底孔隙水壓力的消散而消失，其在抗浮力計算中一般忽略不計，而側(cè)向摩阻力則是抗浮設(shè)計中抗浮力的主要來源。目前，關(guān)于抗浮力機理一般有如下認(rèn)識：當(dāng)樁頂部受到向上的拉力時，樁頂部首先產(chǎn)生相對位移，樁體上部側(cè)向摩阻力逐漸增大并向樁底擴散；在樁底相對位移增大到極限時，樁底側(cè)向摩阻力最大，此時樁體若繼續(xù)上移，樁側(cè)土體發(fā)生剪切破壞，側(cè)向摩阻力迅速變小［5-9］。

2　抗剪槽抗浮機理

隨著地下連續(xù)墻在基坑工程中的應(yīng)用，在建筑物修筑過程中將主體結(jié)構(gòu)與圍護結(jié)構(gòu)連結(jié)起來也成為了一種新的抗浮方式。利用圍護結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)的一部分共同抗浮，即在封底混凝土與圍護墻之間設(shè)置抗剪槽以抵抗地下水浮力，達(dá)到滿足基坑抗浮的要求。為此，采取在地連墻內(nèi)側(cè)設(shè)置2道凹槽的特殊處理措施。

3　工程應(yīng)用實例

3. 1工程概況

永定門外站為北京地鐵8號線三期與14號線的換乘站，位于永定門外大街與京滬鐵路的立交路口南部，永定門外大街沙子口路口北部。車站為地下四層三跨框架結(jié)構(gòu)。車站總長139. 2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24. 7 m，軌面埋深約19. 7 m。車站沿永定門外大街南北向布置，位于永定門外大街西側(cè)輔道與人行道下方。

車站附屬結(jié)構(gòu)設(shè)置情況：車站北端設(shè)2個換乘通道與14號線相接；車站西側(cè)設(shè)置2個出入口（1個為預(yù)留，1個為無障礙出入口），外掛2組地下三層風(fēng)亭結(jié)構(gòu)；車站東側(cè)設(shè)置1個出入口，4個疏散通道以及1個活塞風(fēng)道。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，換乘通道與東側(cè)附屬結(jié)構(gòu)采用暗挖法施工，車站西側(cè)附屬結(jié)構(gòu)采用明挖法施工。

本車站地層巖性上部為人工堆積層，下部為第四紀(jì)沉積層，主要以黏性土、粉土、砂卵石為主。層間潛水主要賦存于含水層（卵石⑤層、卵石⑦層、粉細(xì)砂⑦層及卵石⑨層）中，水位標(biāo)高為16. 55～17. 64 m，水位埋深為23. 2～23. 7 m。卵石⑤層、卵石⑦層、粉細(xì)砂⑦層及卵石⑨層內(nèi)的地下水為同一層含水層。但在車站范圍內(nèi)埋深30 m左右的粉質(zhì)黏土⑥層普遍存在，其厚度約1. 6～3. 7 m，卵石⑨層內(nèi)的地下水帶有承壓性質(zhì)。具體土層參數(shù)見表1。

表1　土層參數(shù)

3. 2基坑抗浮驗算

進行抗浮安全驗算（封底混凝土厚度按4 m計算，坑外降水時水位計算標(biāo)高取19. 64 - 2. 50 = 17. 14 m），根據(jù)基坑的分倉大小，標(biāo)準(zhǔn)段分倉尺寸為24. 9 m×21. 0 m，其受力計算結(jié)果見表2。可知安全系數(shù)為0. 7，小于規(guī)范規(guī)定值（1. 05），不滿足要求，基坑需要采取抗浮措施來保證安全。

表2　標(biāo)準(zhǔn)段基坑受力計算結(jié)果

3. 3抗剪槽方案

本工程采用12 mm厚槽型鋼板在1 200 mm厚的地下連續(xù)墻的鋼筋籠中制作2條槽盒，當(dāng)水下開挖完成后，由潛水員用水下風(fēng)鎬、鋼刷、水槍等設(shè)備來清除凹槽中的殘留泥漿、土層及局部滲流的混凝土，然后通過φ42 mm厚3. 25 mm鋼花管注漿以確保水下封底混凝土與地下連續(xù)墻的有效承載搭接。

具體抗剪槽設(shè)計見圖1。

圖1　抗剪槽設(shè)計（單位：mm）

4　數(shù)值模擬分析

4. 1 MIDAS數(shù)值模型

本文通過MIDAS/GTS建立三維模型計算出抗剪槽所需承受的剪力以及抗浮樁所需的抗拔力，為基坑開挖后進行抗浮樁和抗剪槽的設(shè)計參數(shù)的反演、優(yōu)化及方案可行性分析提供依據(jù)。

分析可得，抗剪槽所需提供的最大剪力設(shè)計值為571. 9×1. 25 = 714. 875 kN/m，抗浮樁所需提供的最大抗拔力設(shè)計值為1 946. 8 kN，封底混凝土所需承受的最大彎矩設(shè)計值為2 518. 7×1. 25 =3 148. 375 kN·m。

4. 2可行性分析

參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）計算可知：圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻抗剪槽每延米抗剪承載力為1 039. 37 kN，封底混凝土每延米抗彎承載力3 876. 03 kN·m。抗浮樁樁徑1 m，樁長9 m，單樁抗拔承載力2 369. 39 kN。經(jīng)驗算，圍護結(jié)構(gòu)、抗浮樁、基坑底板滿足設(shè)計要求。

5　結(jié)論

本文以北京地鐵8號線永定門外站為例，針對所在區(qū)域內(nèi)的地層特點及地下水情況，對基坑抗浮措施進行了分析，對該區(qū)域內(nèi)基坑工程的抗浮各種方案進行了論證，選用設(shè)置抗剪槽與抗浮樁聯(lián)合抗浮的方式在工程實踐中得到成功驗證。

1）采用12 mm厚槽型鋼板在1 200 mm厚的地下連續(xù)墻的鋼筋籠中制成抗剪槽和抗浮樁共同抵抗地下水浮力的方案，充分發(fā)揮了圍護結(jié)構(gòu)的抗浮能力，為基坑抗浮提供了新的思路。

2）本文方案相對傳統(tǒng)只設(shè)計抗浮樁方案減少了3根樁徑為1 m樁長9 m的抗浮樁，降低了約25％的抗浮樁成本，具有很高的經(jīng)濟價值。

3）抗浮樁具有成樁困難、施工工期長的特點。選用設(shè)置抗剪槽與抗浮樁聯(lián)合抗浮的方式，在一定程度上降低了施工難度，節(jié)約了工期，提高了工程的經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

［1］魯嘉.城市地下水環(huán)境場變異與土結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析［D］.南寧：廣西大學(xué)，2006.

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（責(zé)任審編趙其文）

Applying Shear Capacity of Enclosure Structure for Metro Foundation Pit in Anti-Floating Design

BAI Yubing1，CUI Guangjian2，WANG Zimu1，WANG Hao1，HAO Xin1
（1. School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology，Beijing 100083，China；2. Ansteel Mining，Anshan Liaoning 114001，China）

AbstractAnti-floating design of foundation pit is a key issue in metro construction. T he common anti-floating measures for foundation pit were presented and the anti-floating scheme setting the combination of shear slot with anti-floating pile between subsealing concrete and underground continuous wall with enclosure structure was put forward in this paper. T he working mechanism of anti-floating pile was studied，the shear slot design was analyzed，and the simulation analysis was implemented with M IDAS/GT S finite element software by taking the Yongdingmen station in Beijing subway line No. 8 as an example. T he results show that shear slot and uplift piles resist the groundwater buoyancy，which could reduce the quantity and length of uplift piles，decrease the construction difficulty，save the construction time and the engineering cost.

Key wordsAnti-floating design；Groundwater；Anti-floating pile；Shear slot

中圖分類號U231. 4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 22

文章編號：1003-1995（2016）06-0080-03

收稿日期：2015-11-22；修回日期：2016-01-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51574014）；北京高等學(xué)校“青年英才計劃”（2015CB060200）

作者簡介：白玉冰（1991—），男，碩士研究生。