大型綜合地下交通樞紐結構抗浮設計

馬登堂

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102627）

0 前言

隨著我國高鐵建設的蓬勃發展，高鐵站前交通樞紐作為城市與高鐵換乘的紐帶，變得尤為重要。樞紐作為地下結構的一種，具有以下獨特之處：①體量更大，滿足高鐵人流及車流需求；②埋深更深，滿足高鐵、地鐵換乘功能；③為保證站前廣場的開闊性及景觀效果，地上無建筑物或僅為兩三層的服務用房；④作為換乘空間，周邊存在既有地鐵線路或常伴隨著地鐵建筑的同步建設。

鑒于此，此類工程設計的核心所在就是抗浮設計。本文結合武進綜合交通樞紐工程抗浮設計實踐，對此類地下建筑設計要點進行詳細闡述。

1 工程概況

本工程為武進站綜合交通樞紐工程，是以武進站為中心的綜合客運樞紐。地處常州市武進高新區北部，建筑總面積84945m2：其中地下建筑面積共計73385m2，包含北側的地下停車庫和南側的地鐵用房，地下停車庫范圍315m×130m，代表軸網8.4m×9.0m，兩層層高分別為4.8m、4.2m；地鐵用房，范圍243m×21.3m，三層層高分別為4.8m、9.3m、9.0m；地上建筑面積共計11560m2，功能為樞紐服務樓和綜合服務中心，分別為兩層和三層的框架結構。

2 抗浮水位

抗浮設計水位是指基礎深度內起主導作用的地下水層在建筑運營期的最高水位，其數值的確定，需綜合各方面因素綜合考慮，國內學者對此也做了大量研究，雖有區別，但總體原則為：以區域水文地質條件為基礎，結合當地地形地貌、地下水補給等因素綜合確定[1]。

本項目所處江蘇省常州市，地表水系極為發育，主要河流有長江、京杭大運河等，湖泊主要有太湖、滆湖。根據大運河常州站統計資料分析，本地區屬常州市城市防洪二類地區，抗洪水位為3.90m（黃海高程）。

本場地地下水按其埋藏條件主要為上層滯水和淺層承壓水。上層滯水分布于填土層中，水位為自然地面以下0.50～1.20m；承壓水有兩層，Ⅰ層承壓水為自然地面下，Ⅱ層承壓水為地面下2.10～2.90m、8.50～9.30m，主要補給源為滆湖水的側向補給和越流補給，水位年變化幅度范圍在1.0～1.50m之間。

根據江蘇省當地相關政策，抗浮水位宜取建成后的設計室外地坪下0.5m（無專門排水措施時）；根據規范相關條文，對地勢平坦、巖土透水性等級為弱透水及以上且疏排水不暢的場地，抗浮水位為設計室外地坪高程。綜合當地經驗并結合本工程特點，抗浮水位取二者不利值，即室外地坪高程。

3 抗浮措施

抗浮從原理上來說可從兩方面入手：①降低水壓力，即主動抗浮；②采取措施抵抗水壓力，即傳統的被動抗浮。

主動抗浮的原理是從控制基底土體水壓力入手，通過排水、隔水或泄水等方式降低基礎底板壓力，從而達到建筑自重本身即可抵抗住水浮力的目的，可以從源頭上上解決抗浮問題。但這種方法尚不成熟，工作機制、計算方法、適用條件等均有待深入研究[2]，工程實踐經驗較少，因此本工程扔采用被動抗浮設計。

被動抗浮又可細分為兩種：①增加建筑自重，即“壓住”水浮力；②采用抗拔錨桿、抗拔樁，即“拉住”建筑物。本工程抗浮水位較高，抵抗水浮力所需配重較大，為滿足配重回填，地下室埋深勢必會變得更深，進一步加大了水浮力的同時也增加了地下層高，經濟性較差。根據地質條件，綜合比較經濟性、施工周期等因素后，采用抗拔樁法作為抗浮措施。

樁型選擇上，可采用預應力管樁和鉆孔灌注樁。對本工程而言，預應力混凝土管樁質量較其他樁型更為可靠，且施工速度快，但施工時會產生強烈的擠土效應，會對本工程的深基坑支護結構產生不利影響，尤其本工程區域東側為正在運行的既有地鐵1號線，為降低施工帶來的影響，本工程抗拔樁樁型仍采用鉆孔灌注樁。

4 抗拔樁設計

4.1 地質概況

本場地土層分布較穩定，地層層序較完整，典型圖層剖面如圖1所示。

圖1 典型土層剖面

4.2 抗浮設計計算

根據《建筑工程抗浮技術標準（JGJ476—2019）》（以下簡稱《抗浮標準》），本工程抗浮工程等級為甲級[3]，施工期間、使用期間穩定安全系數KW分別為1.05、1.10。

根據整體計算結果，本工程浮力共計3594203.43kN，結構自重為994815.38kN（組合系數1.0），覆土取平均值2m，壓重為1145055.96kN（組合系數0.9）。因此需樁提供的抗拔力共計：

1.1 ×3594203.43-994815.38-0.9×1145055.96=1928258.03kN

根據地勘建議，采用直徑為800mm的鉆孔灌注樁，持力層為⑨2層，根據土層指標，鉆孔灌注樁抗拔承載力特征值計算后取為1200kN，計算所需抗拔樁共計1607根（樁身自重作為安全儲備），根據柱底荷載，區分樁底布樁，如圖2所示，最終布樁1648根，抗浮穩定安全系數計算值為1.14，滿足規范要求。

根據道路規劃，本工程汽車坡道需下穿北側龍躍路，長度約360m。汽車坡道與地下車庫設縫處理，因此汽車坡道抗浮單獨考慮。坡道與車庫近端為最大凈高處，約3.5m，上覆土高度2.2m；遠端為凈高最小處，約2.4m，上覆土高度為0，且出地面路段頂蓋敞空，上設置輕鋼玻璃雨棚。因汽車坡道僅一層，且上覆土厚度隨坡度變化，因此汽車坡道的抗浮驗算分區段進行：①坡道與車庫近端，建筑自重及覆土壓力即可滿足抗浮要求，無須布樁；②坡道與車庫遠端：雖無覆土自重，但埋深較淺，所需抗拔樁提供支撐較小，故根據浮力大小通過調整樁間距滿足抗拔要求；③坡道與車庫中部：為坡道下穿市政道路區段，僅靠自重及覆土無法滿足抗浮要求，間距12m布置抗拔樁。

圖2 柱下布樁

5 抗拔計算結果

根據抗浮標準，地下結構底板抗浮構件變形，應滿足：

式中：Sd-作用組合的變形設計值；C-設計對變形規定的限值。根據計算結果，本工程在浮力和恒載作用下最大位移為20.1mm，滿足規范200mm的限值要求。

6 結論

近年來因強降雨導致的地下室整體隆起、結構構件破損問題日益突出，綜合交通樞紐作為地下功能性建筑的一種，因其獨特的特點，導致抗浮是此類建筑設計時的重中之重，就本工程設計經驗，總結如下：

（1）科學確定抗浮設計水位是抗浮設計的前提，尤其當當地長期水文觀測資料匱乏時，需綜合考慮當地地質及地下滲流，進行專項論證確定。

（2）因地制宜的選取合適的抗浮措施：本工程結合當地施工經驗、綜合考慮經濟性指標，采用抗拔樁法，通過計算分析，是合理的。

（3）地下交通樞紐常伴隨著地鐵工程的同步建設或建設過程中存在既有地鐵線路的正常運行，選擇抗浮措施時應充分考慮周邊環境的影響。本工程選取鉆孔灌注樁而非預應力管樁，就是基于此考慮。