郭建強(qiáng)

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司第五工程公司，四川成都 610041)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程大大加快。各大城市為了滿足日益增長(zhǎng)的都市交通需要，引導(dǎo)城市合理布局和有序開發(fā)，充分利用地下資源為城市發(fā)展提供了延伸空間，諸如地鐵等軌道交通的快速建設(shè)。然而，大多數(shù)地鐵車站建于地下，地下結(jié)構(gòu)因地下水浮力極易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和各種工程事故，嚴(yán)重影響地鐵在運(yùn)營(yíng)階段的行車安全。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)抗浮面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其設(shè)計(jì)及施工等涉及的一系列抗浮問(wèn)題必須引起密切關(guān)注。

1 大型車站結(jié)構(gòu)抗浮面臨的問(wèn)題

為了控制工程整體投資，同時(shí)滿足地鐵各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)公眾便捷乘車，地鐵車站多為地下多層結(jié)構(gòu)，頂板上覆土均較薄，不似區(qū)間隧道埋深較深［1-2］。同時(shí)，為了創(chuàng)造干燥的機(jī)電工作環(huán)境、舒適的乘車環(huán)境以及良好的觀感效果，明挖地下車站要求主體結(jié)構(gòu)、出入口通道及機(jī)電設(shè)備集中部位防水等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬。在地下水位較高的地區(qū)，車站結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)密閉的箱體置于地下水池中，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重及頂板覆土重?zé)o法抵消地下水浮力時(shí)，必須采取必要的抗浮措施來(lái)解決浮力影響，以保證車站結(jié)構(gòu)及行車安全。

2 傳統(tǒng)抗浮技術(shù)及不足

按目前現(xiàn)有理論和技術(shù)［3］，車站結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)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(tǒng)的抗浮措施。然而，盡管在設(shè)計(jì)中為獲取最佳的抗浮效果考慮較為周全，但上述抗浮技術(shù)仍有較大的不足。

2.1 抗拔樁

底板下設(shè)置抗拔樁，通過(guò)樁體或擴(kuò)底樁與底板下土體摩阻力抵消部分水浮力來(lái)解決抗浮。受力模式為:覆土重+結(jié)構(gòu)自重+抗拔樁摩阻力≥浮力×抗浮安全系數(shù)，其受力體系如圖1(a)。

當(dāng)采用抗拔樁時(shí)，容易產(chǎn)生底板漏水、堵漏難度大，底板暴露時(shí)間長(zhǎng)，地面施作費(fèi)用高，底板連接節(jié)點(diǎn)防水難度大。另外，抗拔試驗(yàn)占用時(shí)間長(zhǎng)，如出現(xiàn)底板滲漏水會(huì)對(duì)道床產(chǎn)生浮力影響，造成軌面不平順而影響行車舒適，甚至發(fā)生事故。

2.2 抗拔錨桿

底板下設(shè)置抗拔錨桿，通過(guò)錨桿錨固體與底板下土體摩阻力抵消部分水浮力來(lái)解決抗浮。受力模式為:覆土重+結(jié)構(gòu)自重+抗拔錨桿錨固力≥浮力×抗浮安全系數(shù)，其受力體系與抗拔樁類似。

當(dāng)采用抗拔錨桿時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作難度較大，錨固體產(chǎn)生作用需等待齡期，抗拔試驗(yàn)占用時(shí)間長(zhǎng)，底板暴露時(shí)間長(zhǎng)，底板連接節(jié)點(diǎn)防水難度大易產(chǎn)生滲漏水。

2.3 墻外趾板反壓

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

當(dāng)采用趾板反壓時(shí)，需增加開挖回填數(shù)量，周邊可利用空間必須足夠大，放坡開挖基坑較適用，對(duì)覆土填實(shí)要求高。

圖1 地鐵車站結(jié)構(gòu)抗浮體系

2.4 抗浮壓頂梁

在主體結(jié)構(gòu)頂板上與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接設(shè)置壓頂梁結(jié)構(gòu)，解決抗浮。

受力模式為:①頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+壓頂梁抗剪力≥浮力×抗浮安全系數(shù);②頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重≥浮力×抗浮安全系數(shù);③頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體摩擦力≥浮力×抗浮安全系數(shù)，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(duì)樁身進(jìn)行處理，鑿樁植筋施工壓頂梁，施工費(fèi)用較高，植筋連接與結(jié)構(gòu)的壽命相比往往較短，且質(zhì)量不可靠。當(dāng)采用抗浮壓頂梁時(shí)，將圍護(hù)樁冠梁降低，冠梁加大有利于后期與結(jié)構(gòu)頂板間壓頂梁相扣，但因冠梁低于原地面，上部邊坡防護(hù)不當(dāng)易產(chǎn)生較大變形，同時(shí)壓頂梁在頂板與冠梁之間澆注時(shí)操作空間小，上部容易澆注不密實(shí)，對(duì)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(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的摩擦力，以抵抗地下水產(chǎn)生的浮力。受力模式為:覆土重+結(jié)構(gòu)自重+結(jié)構(gòu)與圍護(hù)間摩擦力≥浮力×抗浮安全系數(shù)，該抗浮措施受力體系如圖1(c)。

因車站工程實(shí)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(shí)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(shí)配重操作難度大，多以頂板增加景觀假山實(shí)現(xiàn)，但是受周邊環(huán)境影響限制因素大，適用性不強(qiáng)。

其余如坑外降水措施僅可作為一種補(bǔ)救措施，長(zhǎng)期使用耗費(fèi)較高，不宜采用。

3 齒槽加強(qiáng)抗浮技術(shù)

3.1 工程簡(jiǎn)況及要達(dá)到的目標(biāo)

成都將軍衙門地鐵車站是一座高10 m二層島式站臺(tái)車站。地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，位于小南街與少城路交叉路口以東，人民公園內(nèi)。車站基坑地處川西平原岷江水系Ⅰ級(jí)階地，為侵蝕～堆積地貌，站區(qū)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(zhǎng)138 m，基坑最大開挖深度19.2 m。

根據(jù)鉆孔揭露，第四系孔隙水主要賦存于全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(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(jù)勘察單位的“成都市地鐵天府廣場(chǎng)綜合改造工程巖土工程勘察”，在卵石層中所做的抽水試驗(yàn)，得到最大降深8.08 m，最小降深2.80 m。由所測(cè)數(shù)據(jù)采用單孔穩(wěn)定流計(jì)算出該場(chǎng)地滲透系數(shù)最大 12.0 m/d，最小7.2 m/d，平均值9.3 m/d。結(jié)合成都地區(qū)的降水經(jīng)驗(yàn)，初步建議本區(qū)段卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K取18 m/d，為強(qiáng)透水層。

為使結(jié)構(gòu)與圍護(hù)樁整體受力效果良好，操作簡(jiǎn)便，且防水整體性不受破壞，同時(shí)不增加投資，工期不受影響，成都地鐵2號(hào)線一期工程將軍衙門站采用了結(jié)構(gòu)抗浮齒槽新技術(shù)。齒槽技術(shù)僅需要在結(jié)構(gòu)板外增加局部外挑，利用護(hù)壁或一定厚度的主筋保護(hù)層即能滿足圍護(hù)樁受力要求。

3.2 抗浮設(shè)計(jì)施工中問(wèn)題分析

地鐵車站在設(shè)計(jì)時(shí)一般都要對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗浮以及局部抗浮驗(yàn)算，使抗浮安全系數(shù)滿足規(guī)范允許值，我國(guó)幾個(gè)大城市地鐵采用的抗浮安全系數(shù)見表1。

由表1可看出，各地區(qū)抗浮安全系數(shù)取值因地而異，受地層因素影響大。

目前抗浮安全系數(shù)的取值均為經(jīng)驗(yàn)取值，取值越大，安全性越高，抗浮措施投入越大，越不經(jīng)濟(jì);取值越小，安全性偏低，投入降低，風(fēng)險(xiǎn)加大。

實(shí)際設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算均按此水位結(jié)合車站埋深計(jì)算相應(yīng)的水浮力。故而在采取抗浮措施時(shí)往往會(huì)反壓偏大，車站出現(xiàn)的不是上浮而是微量沉降，工程造價(jià)也明顯偏高。

表1 各城市地鐵采用的抗浮安全系數(shù)

綜上所述，對(duì)地鐵車站抗浮難題分析如下:①抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算可總結(jié)分析已有類似工程的變形沉降規(guī)律，并可進(jìn)一步加強(qiáng)該類項(xiàng)目的變形研究，根據(jù)實(shí)際選取較為經(jīng)濟(jì)合理的抗浮安全系數(shù)。經(jīng)研究比較，選擇較為通用1.05(不計(jì)側(cè)壁摩阻力)及1.15(計(jì)側(cè)壁摩阻力)較為合理。②在抗浮設(shè)計(jì)施工中，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁兼做壓頂梁具有一定的先進(jìn)性，其受力分析和設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單。而壓頂梁在頂板與冠梁之間澆注，操作空間小，易出現(xiàn)上部澆注不密實(shí)等不足。③針對(duì)上述抗浮問(wèn)題，設(shè)計(jì)思路最好改變?cè)械摹暗挚埂备×椤跋狻备×Γ趬χ猩踔恋装迳显O(shè)置浮力泄壓管路，使結(jié)構(gòu)受力自我平衡。

3.3 抗浮設(shè)計(jì)方案與參數(shù)

基于上述分析，參考基坑理論與技術(shù)［4-5］，成都將軍衙門地鐵車站建設(shè)過(guò)程中在結(jié)構(gòu)外增加齒槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)齒槽與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固作用使圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)共同作用解決抗浮。

受力模式為:①頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+齒槽嵌固力≥浮力×抗浮安全系數(shù);②頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重≥浮力×抗浮安全系數(shù);③頂板覆土重+結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重+圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體摩擦力≥浮力×抗浮安全系數(shù)。該抗浮措施受力體系如圖2。

3.4 施工工藝及流程

結(jié)合工程實(shí)際情況，圍護(hù)樁施工時(shí)在結(jié)構(gòu)板部位根據(jù)設(shè)計(jì)要求主筋彎折，準(zhǔn)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(shí)鑿出齒槽部位樁體凹槽，并采用砂漿抹補(bǔ)。結(jié)構(gòu)板施工時(shí)板體主筋外伸按設(shè)計(jì)齒槽寬度下料，齒槽與結(jié)構(gòu)整體澆注，以實(shí)現(xiàn)樁與主體結(jié)構(gòu)共同受力。圍護(hù)樁主筋在結(jié)構(gòu)板部位局部彎折，結(jié)構(gòu)板外挑與樁體嵌固，利用齒槽抗剪實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shè)完成并投入運(yùn)營(yíng)，通過(guò)竣工檢測(cè)數(shù)據(jù)及近兩年運(yùn)營(yíng)結(jié)果顯示，車站各部位均未出現(xiàn)不利影響，尤其經(jīng)受住了2013年成都夏季特大暴雨的考驗(yàn)。

盡管采用齒槽抗浮新技術(shù)可以達(dá)到較好的效果，但今后在以下幾方面還需進(jìn)一步改進(jìn):首先，齒槽節(jié)點(diǎn)受力集中，易出現(xiàn)剪切破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮;其次，圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)論

1)地下結(jié)構(gòu)常因地下水浮力發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和各種工程事故，嚴(yán)重影響地鐵在運(yùn)營(yíng)階段的行車安全，必須引起密切關(guān)注。但目前抗浮技術(shù)仍有較大的不足，需要做出相應(yīng)的完善和進(jìn)一步研究。

2)提出的大型地鐵車站結(jié)構(gòu)齒槽加強(qiáng)抗浮技術(shù)，受力分析和設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)潔易作、施工成本低廉、工藝簡(jiǎn)便且質(zhì)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(yàn)周期長(zhǎng)、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(shù)中的齒槽節(jié)點(diǎn)受力集中，易出現(xiàn)剪切破壞，圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題［J］.福建建設(shè)科技，2006(3):32-33.

［2］周順華.城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)工程［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

［4］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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