地鐵抗浮安全系數(shù)研究

韓磊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都611130)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的增加，各個城市的地鐵建設(shè)也在飛速發(fā)展，地鐵建設(shè)的總里程不斷被刷新，但也正因?yàn)榈罔F屬于公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，且建設(shè)成本較高，導(dǎo)致在運(yùn)營期間很難收回建設(shè)成本，往往票務(wù)收入僅夠運(yùn)營本身的成本，不足以彌補(bǔ)建設(shè)成本，地鐵的建設(shè)費(fèi)用只能通過地方財政進(jìn)行補(bǔ)貼，給地方財政增加了極重的負(fù)擔(dān)，所以降低地鐵的建設(shè)成本成為地鐵建設(shè)的關(guān)鍵性控制性因素，而地鐵工程費(fèi)用中的土建成本費(fèi)用幾乎又占了總投資的一半以上，所以在設(shè)計階段便需要精細(xì)化設(shè)計，將成本控制貫穿于設(shè)計的全過程，本文所討論的成都地鐵19號線工程抗浮計算原則的優(yōu)化和應(yīng)用正是以此為目標(biāo)在保證安全的基礎(chǔ)上盡量做到經(jīng)濟(jì)合理、優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少工程造價。

1 工程概況

成都地鐵19號線工程是連接成都雙流國際機(jī)場與成都天府國際機(jī)場的一條關(guān)鍵性線路，線路大致為西北至東南走向，設(shè)計最大時速為160km/h，全線主要以地下線路及地下車站為主。作為本文主要研究對象的溫家山站是地鐵19號線的從龍橋路站開始的第4座車站，車站底板埋深約為25.4m，頂板覆土厚度約為1.6～3.75m，車站整體采用四柱五跨地下三層箱型框架結(jié)構(gòu)，縱向軸間距為9m，結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾龋ㄗ笥覀?cè)外墻外邊緣間的距離）為37m，結(jié)構(gòu)高度（頂板頂?shù)降装宓椎木嚯x）為23.8m，底板位于中風(fēng)化泥巖層，由于周邊地質(zhì)條件良好，無重要建構(gòu)筑物，故基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用放坡+土釘墻進(jìn)行支護(hù)，抗浮設(shè)計水位為規(guī)劃地面以下1.5m，設(shè)置有抗浮挑板和抗拔樁用以抗?。ㄒ妶D1）。

圖1 車站橫斷面圖

2 抗浮計算

由于車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是采用放坡+土釘墻支護(hù)，一般地下結(jié)構(gòu)中常采用的圍護(hù)樁+冠梁兼做抗浮壓頂梁的做法在本站也無適用條件，所以，在抗浮設(shè)計初期優(yōu)先考慮的抗浮措施是在車站兩側(cè)設(shè)置抗浮挑板，但由于車站埋深較深，且車站范圍頂板覆土厚度僅有1.6m，在僅設(shè)置1.5m寬的抗浮挑板后仍不能滿足抗浮要求，計算如下：

縱向單延米的結(jié)構(gòu)自重+頂板覆土+挑板上覆土浮重后其總重力G恒=6250kN，該部分荷載為恒載，不會隨外界因素變化（后文會考慮到該因素）；

縱向單延米的水浮力為W浮=（25.4-1.5）×10×37×1=8843kN。

此時抗浮安全系數(shù)K=G恒/W浮=0.7067＜1.05，顯然不能滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157—2013）第11.6.1條關(guān)于抗浮安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05的要求[1]。

于是，考慮在繼續(xù)保留抗浮挑板的基礎(chǔ)上設(shè)置抗拔樁參與抗浮，預(yù)估抗拔樁設(shè)置長度為L=15m，直徑d=1.5m，并擴(kuò)底C=0.5m的機(jī)械鉆孔擴(kuò)底灌注樁（原設(shè)計采用人工挖樁，但由于施工工期的安全性等原因，后變更為機(jī)械鉆孔形式），擴(kuò)底段高度為1.5m。結(jié)合地勘資料，取抗拔系數(shù)ψ=0.8，全樁均嵌入了中風(fēng)化泥巖層，中風(fēng)化泥巖層側(cè)摩擦阻力為f阻=200kN，擴(kuò)底樁破壞面影響范圍取hd=6m(規(guī)范4～10d，軟土取低值，卵石、礫石取高值，此處暫按4d取值）。

考慮樁周摩擦阻力時，確定其單樁抗拔承載力特征值：

F單拔=π{(d+2C)hd+d(L-hd)}ψf阻/2+G樁

=3.14×{(1.5+2×0.5)×6+1.5×(15-6)}×0.8×200÷2+{3.14×([1.5+2×0.5)/2]2×1.5+3.14×0.752×(15-1.5)}×(25-10)=7159（摩擦阻力）+468（抗拔樁浮自重）=7627kN。

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的整體受力性能，考慮在每個軸對應(yīng)的柱下均設(shè)置一根抗拔樁，軸線對應(yīng)的橫斷面最多可設(shè)置4根抗拔樁，按縱向軸跨9m分?jǐn)傊羻窝用椎能囌痉秶?根抗拔樁能提供的縱向單延米抗拔力為：

F拔4=4×F單拔/9=4×7627/9=3389kN；此時抗浮安全系數(shù)K=（G+F拔4）/W浮=1.09＞1.05。

3 發(fā)現(xiàn)問題

3.1 抗浮安全系數(shù)取值問題

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157—2013）第11.6.1條“當(dāng)計算地層側(cè)摩阻力時，根據(jù)不同地區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系數(shù)”。顯然上文中設(shè)置抗拔樁后仍不滿足規(guī)范要求，且一般情況下抗浮安全系數(shù)均取高值為1.15，于是按常規(guī)的做法是繼續(xù)加長抗拔樁或者增加抗拔樁的設(shè)置數(shù)量。但是值得注意的是，規(guī)范僅要求考慮了摩擦力后抗浮安全系數(shù)為1.15，但并不是很明確計入摩阻力后整體的抗浮安全系數(shù)均提高為1.15還是只是計入摩擦力的某些構(gòu)件按1.15控制，于是進(jìn)一步分析，之所以需要提高安全系數(shù)是考慮到由摩擦提供的摩阻力具有一定的不可靠性，但是實(shí)際上車站主體結(jié)構(gòu)的永久重力和抗拔樁的自重這些恒載并不會隨外界因素變化，如果是提高整體抗浮安全系數(shù)則相當(dāng)于忽略了自重等恒載的恒定性，于是以此為原則采取抗浮加強(qiáng)措施后則使得偏于保守了，對節(jié)約成本不利。下面試算了幾組數(shù)據(jù)，可以更直觀地看出忽略恒載恒定性的問題：

示例1：如果車站的結(jié)構(gòu)尺寸等發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)的自重整體增加了，取G恒、=9250kN，而水浮力不改變?yōu)閃浮=8843kN，而此時抗浮安全系數(shù)K=1.046＜1.05，此時考慮在斷面設(shè)置1根抗拔樁，抗拔樁的參數(shù)不變（L=15m，計算同前文），則設(shè)置的1根抗拔樁換算為單延米所能提供的抗拔力為F拔1=1×F單拔/9=1×7627/9=847kN，而其中縱向單延米單樁浮自重為G樁/9=468/9=52kN。此時當(dāng)只考慮抗拔樁的結(jié)構(gòu)浮自重而不考慮摩擦力時K、=（G恒、+G樁）/W浮=（9250+52）/8843=1.052＞1.05，顯然能滿足規(guī)范要求，但此時若計及抗拔樁的摩擦力后，則整體抗浮安全系數(shù)需要提高到1.15，則K、、=(G恒、+F拔1)/W浮=(9250+847)/8843=1.14＜1.15，顯然又不滿足規(guī)范的要求。

示例2：接組1的情況，改變抗拔樁的周邊的地質(zhì)條件，當(dāng)抗拔樁位于密實(shí)砂土中時，按《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ476—2019）中的規(guī)定[2]，抗拔樁抗拔系數(shù)改變?yōu)棣住?0.5，側(cè)摩阻力取f阻、=100kN，考慮設(shè)置2根L、=10m的抗拔樁，則此時單根抗拔樁的抗拔力為：

F單拔、=π{(d+2C)hd+d(L、-hd)}ψ、f阻/2+G樁、

=3.14×{(1.5+2×0.5)×6+1.5×(10-6)}×0.5×100÷2+{3.14×([1.5+2×0.5)/2]2×1.5+3.14×0.752×(10-1.5)}×(25-10)=1648（摩擦阻力）+336（抗拔 樁浮自重）=1984kN。

此時抗拔樁換算為車站整體縱向單延米所能提供的抗拔力F拔2=2×F單拔、/9=2×1984/9=441kN，而樁浮自重2×G樁、/9=2×336/9=74kN。當(dāng)只考慮抗拔樁的結(jié)構(gòu)浮自重時抗浮安全系數(shù)K、=（G恒、+2×=（9250+74）/8843=1.054＞1.05，能滿足規(guī)范要求，考慮抗拔樁的摩擦力后K、、=(G恒、+F拔2)/W浮=(9250+441)/8843=1.09＜1.15，甚至都小于1.1的抗浮安全系數(shù)浮動最小值。

由以上兩組試算數(shù)據(jù)可以看出，隨著摩擦力對抗拔樁的貢獻(xiàn)值減小，摩擦抗拔樁（當(dāng)采用圍護(hù)樁抗浮時，同理）所能提供的抗拔力遠(yuǎn)比不上由抗浮安全系數(shù)改變導(dǎo)致的水浮力增量，在這種情況下可能存在只計入抗拔樁的自重便滿足規(guī)范的要求，而考慮抗拔樁的摩擦力后卻不能滿足規(guī)范要求的歧化現(xiàn)象。

3.2 抗浮水位與安全系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由于地下水問題和常規(guī)的荷載問題還是有些區(qū)別的，荷載往往隨著使用時間的延長而存在較大的不確定性，故《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2001）中對荷載進(jìn)行了永久荷載、可變荷載、偶然荷載的分類，針對不同的分類又有不同的組合值系數(shù)，由此可知荷載情況復(fù)雜不確定性較大[3]。但是在《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157—2013）中水壓力和浮力是作為永久荷載考慮的，其作用與結(jié)構(gòu)自重一樣是不隨外界因素變化的，而一般情況下水浮力均是取地區(qū)穩(wěn)定地下水位最高值作為抗浮水位，就算短時間地面可能存在積水，但是地下水位卻不會立刻上漲，則一般也就不會存在抗浮水位高出地面很多的情況，此情況下地表水只能成為配重而不是浮力。本文討論的溫家山站位于規(guī)劃地塊范圍內(nèi)，地塊規(guī)劃標(biāo)高還要高出周邊市政道路標(biāo)高約1～2m，而周邊沒有淹沒記錄，所以地下水肯定是不會高于周邊的規(guī)劃地面標(biāo)高。在此情況下，當(dāng)考慮1.05的抗浮安全系數(shù)后，抗浮水位的實(shí)際計算水頭（按底板埋深來算）為：（25.4-1.5）×1.05=25.09＜25.4，可見實(shí)際高程已基本接近地面標(biāo)高了，且遠(yuǎn)高于周邊的市政道路標(biāo)高，此時道路已經(jīng)被長時間被洪水淹沒，而進(jìn)一步當(dāng)抗拔樁參與抗浮時抗浮水位的實(shí)際計算水頭為：（25.4-1.5）×（1.1～1.15）=26.29～27.485＞25.4，此時計算水頭比實(shí)際地面標(biāo)高還高了0.89～2.085m，顯然這不符合此區(qū)域的真實(shí)情況，當(dāng)然也不是不存在這個可能，比如受洪水影響的地區(qū)確實(shí)存在水位遠(yuǎn)高于地面淹沒城市的情況，但是地鐵車站設(shè)計時其出入口的高度一般僅比地面標(biāo)高0.45m，出地面的風(fēng)亭等也僅高出地面1m（一般出入口及風(fēng)亭的標(biāo)高是以200年一遇洪水位作為基準(zhǔn)確定的，抗浮水位防洪不等于防澇水位），顯然也不允許地鐵周邊出現(xiàn)遠(yuǎn)高于車站出入口的洪水位，否則就存在需要調(diào)整地勘報告中抗浮水位標(biāo)高的可能，一般地鐵車站在選址的時候也會盡量避開存在淹沒風(fēng)險的區(qū)域，如果真存在地鐵淹沒的情況時，則地下水會直接漫入車站內(nèi)，此時涌入的洪水便作為了車站的配重，根據(jù)浮力的計算原理其作用將不再顯著增加。也就是說，對于地鐵車站的抗浮來說，最高水位值取到地面標(biāo)高或最低出入口及風(fēng)亭口標(biāo)高就已經(jīng)是極限了。甚至對于部分地勢較高的車站，能達(dá)到設(shè)防的抗浮水位的次數(shù)都是極其有限，那此時采用1.15的抗浮安全系數(shù)導(dǎo)致實(shí)際計算水頭遠(yuǎn)高于地面標(biāo)高其實(shí)本身就存在一定的疑問，當(dāng)然這里討論到的問題也主要是以本文涉及的車站進(jìn)行闡述的，對這個問題不同的車站也可能有不同的情況，涉及防洪水位、內(nèi)澇水位等一系列問題，最高實(shí)際計算水頭不適合統(tǒng)一指定，當(dāng)因時而異、因站而異[4]。

4 結(jié)論

針對以上兩個問題點(diǎn)，結(jié)合溫家山站的實(shí)際情況，經(jīng)過與相關(guān)專家研究和商討后得出是否可以改變一下計算思路的想法。由于規(guī)范給出的抗浮安全系數(shù)也是個范圍值，地下水問題本身也有不確定性，且實(shí)地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)19號線的車站站位普遍地勢較高，不存在地下水位會高過地面的極端情況，于是擬采用以下原則分兩步進(jìn)行抗浮驗(yàn)算：

第一步，把水浮力分成兩個部分分開討論，一部分由結(jié)構(gòu)的永久荷載抵抗，由于永久荷載可靠性較高且一般不隨外界因素發(fā)生變化，所以抗浮安全系數(shù)建議仍取值1.05。

第二步，剩余的水浮力則由考慮了摩擦力的抗拔樁或圍護(hù)樁承擔(dān)，考慮到摩擦力的不確定性，所以該部分的抗浮安全系數(shù)取值為1.15。

對本站而言，結(jié)構(gòu)自重、覆土荷載、挑板上的覆土配重及抗拔樁（或圍護(hù)樁）的自重等永久荷載仍按1.05的抗浮安全系數(shù)取值，而對抗拔樁或圍護(hù)樁提供的摩擦力則按1.15取值，由于本站抗拔樁設(shè)置較少且抗拔樁摩擦力很大，按縱向單延米分?jǐn)偤罂拱螛兜淖灾卣急葞缀蹩梢院雎?，故為了簡化計算，抗拔樁自重部分抗浮安全系?shù)也取為1.15并作為安全富余量預(yù)留。由于采用了不同的抗浮安全系數(shù)進(jìn)行抗力組合，則常規(guī)G/Nw.k≥Kw[《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476—2019）第3.0.3]的公式將不再適用，也不能直接采用單純的綜合抗浮安全系數(shù)值Kw與1.05或1.15進(jìn)行比較來判定是否滿足抗浮要求，于是此處引入了復(fù)合公式進(jìn)行描述：

按此原則，第2章節(jié)中進(jìn)行計算后：

S抗=G恒÷1.05+F拔4÷1.15=6250/1.05+3389/1.15=8900kN＞W(wǎng)浮=8843kN；

顯然按此原則計算時抵抗力大于浮力，能達(dá)到抗浮安全的效果。

目前該站已經(jīng)完成施工，從現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)看，抗浮穩(wěn)定性能滿足要求，所以以上公式計算抗浮應(yīng)是可行的。