杜昀峰，黃 斐

（1、中鐵工程設計咨詢集團有限公司 北京 100055；2、中鐵隧道勘察設計研究院有限公司 廣州 511458）

0 引言

明挖地鐵車站作為地鐵的重要組成部分，由于其箱型框架結構形式具有整體自重小、承受水浮力大的結構特點，根據建設場地抗浮水位的埋深，一般需進行抗浮設計。選擇合適的抗浮措施不僅能節(jié)省工程投資，還能提高地鐵運營的安全性。

國內地鐵車站常用的抗浮措施有［1］：①在底板設置泄水孔，通過卸載底板下水壓力的方式達到抗浮目的；②在側墻外側底部設置墻趾，借助上部土體自重進行抗浮；③在圍護樁（墻）頂設置壓頂梁，借助圍護樁（墻）的自重及側摩阻力進行抗??；④在結構底板下設置抗拔樁，借助抗拔樁的自重及側摩阻力進行抗浮。其中設置泄水孔的抗浮方式主要用于車站施工階段的抗浮，設置墻趾的抗浮方式主要適用于全放坡開挖車站。而對于采用圍護樁（墻）+內支撐支護形式的明挖車站，通常采用壓頂梁和抗拔樁的抗浮方式。

目前國內學者對地下結構抗浮措施已有相關研究。李蘭勇等人［2?3］研究了抗拔樁作為抗浮措施時的不同模擬方式，認為樁?土彈簧模擬方式較為合理。陳麗娜［4］采用桿單元模擬抗拔樁，在樁底施加固定約束，相較于傳統將抗拔樁作為底縱梁不動支座的方式，計算結果更符合實際工況。胡云華等人［5］認為抗拔樁受壓時，彈簧剛度與混凝土彈性模量相關，抗拔樁受拉時，彈簧剛度與鋼筋彈性模量相關，提出采用大剛度非線性等效拉壓彈簧模擬抗拔樁；陳祥達［6］針對抗拔樁在不同受力工況下剛度不同的特性，提出多段線?荷載位移彈簧模型，該彈簧模型相對于單一彈簧更符合實際情況。李廣濤［7］采用鉸支座模擬壓頂梁，采用豎向力模擬抗拔樁，對地鐵車站進行了整體分析。葉俊能等人［8?9］認為車站正常使用階段不可能發(fā)生較大的隆起，建模時通過約束壓頂梁作用節(jié)點豎向位移2 mm 的方式進行模擬，分析了壓頂梁對地鐵車站整體內力與變形的影響。郭正偉［10］在模擬分析時將圍護樁和壓頂梁的自重按面荷載施加到結構頂板壓頂梁作用范圍，分析了壓頂梁對地鐵車站主體結構整體影響。上述研究僅針對壓頂梁或抗拔樁單一作用時的抗浮狀態(tài)進行了研究，未考慮壓頂梁與抗拔樁共同作用時的結構受力情況，而實際工程實施中，壓頂梁與抗拔樁共同參與抗浮是較為常見的抗浮方式。為進一步研究壓頂梁和抗拔樁對車站結構受力及變形的影響規(guī)律，本文以成都某地鐵車站為研究背景，對采用壓頂梁和抗拔樁抗浮措施時的3 種工況車站結構進行數值計算，分析車站結構受力和變形特征，并對明挖車站結構抗浮措施的選擇提出建議，以期為今后類似工程提供設計思路與參考。

1 工程背景

成都某地鐵車站總長156.8 m，標準段外包寬度23.3 m，頂板覆土厚度3.5 m，底板埋深25.5 m，車站結構橫剖面如圖1 所示。除框架柱采用C50 混凝土外，其余結構構件均采用C35 混凝土，計算時取鋼筋混凝土重度25 kN/m3，泊松比為0.2。當采用抗浮措施時，壓頂梁、抗拔樁兩種抗浮措施的節(jié)點大樣如圖2所示。

圖1 車站結構橫剖面Fig.1 Cross-sectional of Station Structure （mm）

圖2 壓頂梁、抗拔樁節(jié)點大樣Fig.2 Details of Coping Beam and Uplift Pile （mm）

車站站址范圍地層自上至下依次為雜填土、黏土、全風化泥巖、強風化泥巖及中風化泥巖。場地地下水主要有兩種類型：①賦存于黏土層之上的上層滯水；②基巖裂隙水。綜合區(qū)域水文地質資料及本地相關工程經驗數據，抗浮水位取地面下2 m。土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數Tab.1 Physical Mechanics Parameters of Soil Layer

2 抗浮穩(wěn)定性計算

在位于抗浮水位條件時，抗浮穩(wěn)定性驗算作用效應按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合，其分項系數為1.0。抗浮穩(wěn)定性應符合《建筑工程抗浮技術 標 準：JG J476—2019》［11］的規(guī)定。

水浮力設計值：

Nw，k=1.0×23.5×1×10×23.3=5 476 kN/m

車站結構自重設計值：

G1=1.0×3 358=3 358 kN/m

覆土自重設計值：

G2=1.0×23.3×3.5×1×19=1 549 kN/m

圍護樁及壓頂梁自重設計值：

G3=1.0×384=384 kN/m

圍護樁參與抗浮時，由于基坑開挖及樁體變形對樁周土體產生擾動，影響圍護樁側摩阻力，出于安全考慮，基坑開挖深度范圍內圍護樁側摩阻力按0.5 折減系數進行折減。

圍護樁抗拔承載力特征值：

當采用抗拔樁參與抗浮時：

3 結構整體數值分析

由上述計算可知，單獨采用壓頂梁或抗拔樁進行抗浮均可滿足抗浮穩(wěn)定性驗算要求。但是在實際地鐵工程實施中，本著工程經濟性的原則，較少單獨采用抗拔樁抗浮。通常優(yōu)先采用壓頂梁進行抗浮，當采用壓頂梁無法滿足抗浮穩(wěn)定性計算要求時，則增設抗拔樁共同參與抗浮。本文旨在分析壓頂梁和抗拔樁對結構受力及變形的影響規(guī)律，未考慮其經濟性。為研究壓頂梁和抗拔樁對車站結構受力及變形的影響規(guī)律，建立如下3個工況計算模型：

⑴工況1：采用壓頂梁進行抗浮的車站結構模型。壓頂梁設置于兩側墻頂部。

⑵工況2：采用抗拔樁進行抗浮的車站結構模型?？拱螛对O置于兩中柱底部。

⑶工況3：同時設置壓頂梁和抗拔樁進行抗浮的車站結構模型。壓頂梁設置于兩側墻頂部，抗拔樁設置于兩中柱底部。

3.1 計算模型

計算軟件采用大型結構計算分析軟件Sap2000建立荷載?結構模型，沿車站縱向取單位長度按底板支承在有限彈性地基上的平面框架進行分析。水土壓力采用水土分算，豎向土壓力按全土柱重量施加，水平土壓力按靜止土壓力施加，水壓力按靜止水壓力施加。壓頂梁與抗拔樁采用多段線?荷載位移模型進行模擬［6］，并在Sap2000 軟件中利用Multilinear Elastic 2點連接單元實現。車站結構計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型Fig.3 Calculation Model

3.2 計算結果與分析

車站結構在正常使用極限狀態(tài)下變形如圖4 所示。可以看出：

圖4 正常使用極限狀態(tài)下的位移Fig.4 Displacement of Serviceability Limit State

⑴工況1，車站結構在壓頂梁的約束下，受水浮力作用，結構整體呈以兩端壓頂梁為支座的單跨撓曲變形特征，各層板在中間跨跨中位置均出現較大+z方向位移，兩端受壓頂梁約束，+z方向位移較小。z方向最大位移位于底板跨中，為+14.7 mm。x方向最大位移位于側墻?3層跨中，為向背土側位移1.6 mm。

⑵工況2，車站結構在抗拔樁的約束下，受水浮力作用，結構整體呈上浮狀態(tài)，抗拔樁對兩中柱起到約束作用，頂板及中一板、中二板位移較為均勻，呈波浪形分布。各層板的位移均小于工況1。z方向最大位移位于底板跨中，為+8.2 mm。x方向最大位移位于側墻?3層跨中，為向背土側位移2.4 mm。

⑶工況3，車站結構在壓頂梁和抗拔樁的共同約束作用下，受水浮力作用，結構整體上浮位移較小。由于壓頂梁剛度大于抗拔樁，各層板在側墻位置的位移明顯小于中柱位移。側墻在?3 層跨中彎矩大于其他工況。z方向最大位移位于底板跨中，為+7.3 mm。x方向最大位移位于側墻?3 層跨中，為向背土側位移3.6 mm。

對比工況1 與工況3，可以看出，在采用壓頂梁抗浮措施條件下，增加抗拔樁措施，對減少各層板的中柱位置位移效果明顯。對比工況2 與工況3，可以看出，在采用抗拔樁抗浮措施條件下，增加壓頂梁措施，對減少各層板的側墻位置位移效果明顯。

車站結構在承載能力極限狀態(tài)下彎矩如圖5 所示?？梢钥闯觯?/p>

圖5 承載能力極限狀態(tài)下的彎矩Fig.5 Bending Moment of Ultimate Limit State

⑴工況1，車站結構各層板內力呈以兩端壓頂梁為支座的單跨受力特征，底板的側墻支座彎矩和中間跨的跨中彎矩大于其他工況，且兩個中柱支座處彎矩為負彎矩。頂板及中一板、中二板邊跨的跨中彎矩和中柱支座彎矩大于其他工況，且中間跨跨中處彎矩為負彎矩，側墻支座彎矩小于其他工況。側墻的底板支座彎矩大于其他工況。

⑵工況2，底板的側墻支座彎矩小于工況1，中柱支座處受抗拔樁約束作用，呈正彎矩。頂板及中一板、中二板的彎矩分布較均勻，結構受力較為合理。側墻在?3層跨中彎矩大于其他工況。

⑶工況3，底板內力與工況2 較為相似。頂板及中一板、中二板的側墻支座彎矩小于工況2，中間支座的彎矩大于工況2。

對比工況1 與工況2，可以看出，在采用壓頂梁抗浮措施條件下，增加抗拔樁措施，可減小各層板中柱支座彎矩，增大側墻支座彎矩。對比工況2 與工況3，可以看出，在采用抗拔樁抗浮措施條件下，增加壓頂梁措施，可減少頂板、中一板、中二板的側墻支座彎矩，增大中柱支座彎矩。

4 結論

對上述3 種抗浮工況進行數值計算，分析其受力與變形特征，得出如下結論：

⑴從工程經濟性來看，壓頂梁作為地鐵最為常用抗浮措施，能借助圍護樁（墻）的自重與側摩阻力參與抗浮，經濟性優(yōu)于抗拔樁，但其對車站結構整體受力不利。采用壓頂梁抗浮方案時，結構整體呈以兩端壓頂梁為支座的單跨撓曲變形，且車站寬度越大，底板撓曲變形越明顯，對結構整體受力越不利。

⑵從車站結構整體受力來看，抗拔樁的設置位置具有改善車站結構受力和變形的作用，且其在與壓頂梁共同抗浮時的作用效果大于壓頂梁。當單獨采用壓頂梁無法滿足抗浮穩(wěn)定性計算，或車站底板變形過大、結構整體配筋率過大時，可增設抗拔樁抗浮并改善結構受力與變形。

⑶當采用壓頂梁作為抗浮措施時，結構底板與側墻節(jié)點內力較大，建議對該結構節(jié)點進行加強。

⑷實際工程中，應根據地下水位變化，當采用抗拔樁作為抗浮措施時，其存在承壓和抗拔兩種受力狀態(tài)，應考慮底板在抗拔樁設置位置兩個方向的抗沖切承載力。