王　平,杨其新,蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都　610031)



抗拔桩和压顶梁对明挖地铁车站内力影响分析

王平,杨其新,蒋雅君

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都610031)

摘要：在高地下水位地区修建地铁车站, 往往存在抗浮问题。抗浮问题处理得当与否直接关系着地铁车站正常使用期间的可靠度。而采用不同抗浮措施会对结构内力产生不同的影响,为研究这种影响并希望从结构受力角度对车站抗浮提出一定的建议,结合一个明挖地铁车站实例,针对目前最常见的2种抗浮措施——压顶梁和抗拔桩进行数值计算,发现抗拔桩具有改善结构受力的作用,在结构跨度较大时应采用抗拔桩或者抗拔桩与压顶梁联合抗浮的措施,在结构跨度较小时,可优先考虑压顶梁抗浮。

关键词：地铁车站；明挖；抗浮压顶梁；抗拔桩；有限元分析

1概述

随着各国经济建设的发展，城市化进程加快，为缓解城市建设中的各种问题，地下空间的开发逐渐得到重视，地下结构的建设也逐渐增多，如地铁、地下停车场、地下街、各种地下管线等[1]。地铁车站作为城市交通的重要组成部分，在城市交通中发挥着重要的作用。地铁车站深埋于地下，底板往往置于地下水位以下，因此在对地铁车站进行设计时，不仅要进行承载力设计，还要考虑抗浮验算。特别是对于地下水位较高的地区，抗浮问题处理得当与否直接关系着地铁车站正常使用期间的可靠度。

国内地铁车站主要的抗浮措施有增加配重、设置压顶梁、抗拔桩或抗拔锚杆4种。配重法即通过增加工程的自重来抵御水浮力的作用，压顶梁法利用围护结构的自重及其与土层侧摩阻力来达到抗浮目的，抗浮桩和抗浮锚杆则主要利用桩侧阻力和锚杆提供的拉力平衡浮力[2，3]。

目前，国内对于地下工程抗浮措施的选择比较混乱。针对这个问题，对一个采用抗拔桩和压顶梁的明挖地铁车站进行有限元分析，从结构受力角度对明挖地铁车站抗浮措施的选择提出建议。

2工程背景

深圳地铁7号线笋岗站是明挖地下三层侧式车站，采用复合墙。车站标准段宽度为15.9 m，高度21.34 m，纵向柱跨9 m，横向柱跨8 m，顶板、负二层楼板、侧墙厚800 mm，负一层楼板厚400 mm，底板厚1 100 mm，柱尺寸为800 mm×1 200 mm。车站覆土计算深度为3.9 m，地下连续墙长29.28 m。

本场地的地下水按赋存条件主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在表层人工填土层、冲洪积层和残积砂质黏性土层中，略具承压性，基岩裂隙水赋存于强风化及中等风化岩中，具承压性。本次勘察期间稳定地下水位埋深1.50～5.30 m，水位高程6.58～10.72 m。抗浮设计时，水浮力按全水头计算，地下水位按1 m计算。地层参数如表1所示。

表1　地层参数

3抗浮计算

目前，在主体结构与围护结构连为一体的地下结构抗浮设计中存在两种计算方法，即不考虑侧壁摩阻力的作用和考虑侧壁摩阻力的作用。地下工程简单的浮力作用情况的抗浮设计，采用安全系数法[4]。公式表示为

N+F≥KV

式中N——结构自重；

F——抗浮力；

V——静水浮力；

K——抗浮安全系数，根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)抗浮安全系数当不计地层侧摩阻力时不应小于1.05；当计及地层侧摩阻力时，根据不同地区的地质和水文地质条件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系数。

水浮力标准值：V=1.0×(21.34+3.9-1)×10×15.9=3 878 kN/m

结构自重标准值：N1=2 312 kN/m

覆土重标准值：F1=1.0×71.13×15.9=1 138 kN/m

连续墙自重：N2=820 kN/m

连续墙侧壁摩阻力计算：根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)条文说明，在软黏土地层中采用土锚或拉桩时，对桩土间的摩擦力的设计取值应作限制，不宜超过极限摩阻力的一半，本文中出于安全考虑统一取0.4。

连续墙侧壁摩阻力标准值[5]：

F2=1.0×0.4×(2.7×20+6.4×50+7.2×60+7.0×130+5.98×210)=1 190 kN/m

当不考虑围护墙自重和侧摩阻力时[5]：

K=(N1+F1)/V=(2 312+1 138)/3 878=0.89<1.05

这时，在不计围护结构侧摩阻力时，仅靠结构自重无法满足抗浮要求，需要设置抗拔桩等抗浮措施。

本工程抗浮设计采用扩底桩作为抗拔桩，桩径1.3 m，扩底直径2.0 m，桩长8 m，基本位于中风化混合岩中。抗拔桩设置在柱网下，每个柱跨布一根抗拔桩，并沿纵向1排布置。

抗拔桩抗拔力计算[6]：

F3=3.14×2×8×210×0.7/9=821 kN/m

这时：K=(N1+F1+F3)/V=(2 312+1 138+821)/3 878=1.10>1.05，满足结构抗浮要求。

当围护结构与主体结构通过压顶梁连接时，需要考虑围护墙自重和侧摩阻力：

K=(N1+N2+F1+F2)/V=(2 312+820+1 138+1 190)/3 878=1.41>1.15

这时，在计入围护结构侧摩阻力时，满足结构抗浮要求。

4两种抗浮措施的有限元计算分析

从抗浮计算可以看出，采用抗拔桩抗浮和采用压顶梁抗浮均能够满足结构抗浮的要求。但是，不同的措施会对结构内力产生不同的影响，采用Ansys有限元分析软件对结构进行内力分析，以期找出这两种抗浮方法对结构内力的影响。

4.1计算模型

车站结构的顶板、中板、底板、侧墙采用板壳单元进行模拟，车站中的梁、柱采用空间梁单元进行模拟[7，8]。不考虑地层与结构的共同作用，地层只作为荷载作用于结构。长期使用阶段，结构承受的土压力按静止土压力计算，水压力可按静水压力计算，采用水土分算[9]。

考虑到地下结构正常使用阶段不可能发生较大的隆起以及安全储备，在压顶梁抗浮计算模型中，侧墙顶部约束Y方向位移为2 mm；抗拔桩抗浮计算模型中，抗拔桩底部约束Y方向为2 mm；侧墙底约束Y方向位移为1 mm；由于连续墙对主体结构的约束作用，在2个模型中，侧墙顶和侧墙底均完全约束X方向位移[10]。计算模型如图1所示。

图1　计算模型

4.2计算结果与对比分析

对2种抗浮措施的计算结果进行比较，分别提取中间跨处顶板、底板跨中板带和柱上板带的竖向位移和内力进行对比分析[11]。板带划分示意如图2所示。

图2　板带划分示意

计算得到的位移如图3、图4所示。

图3　抗拔桩位移(max=6.941 mm)

图4　压顶梁位移(max=11.154 mm)

由于跨中板带变形和柱上板带顶板和底板变形趋势一样且跨中板带变形比柱上板带大，这里取跨中板带的竖向位移，如图5所示。

图5　跨中板带顶板和底板竖向位移

从图5可以看出，采用压顶梁抗浮时，最大位移出现在底板，结构出现以两侧围护墙为支点的整体向上挠曲变形，顶板变形较小；采用抗拔桩时，由于抗拔桩的约束，最大位移出现在顶板，底板变形较小。

底板弯矩云图如图6、图7所示。

图6　抗拔桩底板弯矩图(单位：N·m)

图7　压顶梁底板弯矩图(单位：N·m)

柱上板带顶板、底板弯矩如图8所示。

图8　柱上板带顶板和底板弯矩图

跨中板带顶板和底板弯矩如图9所示。

图9　跨中板带顶板和底板弯矩图

从图8、图9可以看出，压顶梁顶板弯矩(柱上板带和跨中板带)在柱端(图中横坐标为8的位置)要比抗拔桩顶板弯矩大，其他位置，均比采用抗拔桩抗浮计算得到的弯矩小。

从图8可以看出，柱上板带抗拔桩底板弯矩在柱端要比压顶梁底板弯矩大，其他位置，均比采用压顶梁抗浮计算得到的内力小。

从图9可以看出，跨中板带压顶梁底板弯矩都要比抗拔桩底板弯矩大，2种抗浮方法求得的底板柱端都是上部受拉，而柱上板带是下部受拉。

采用上述2种抗浮方法，无论跨中板带还是柱上板带柱端弯矩差异都比较大，应引起注意。

对2种抗浮措施计算得到的纵梁内力进行对比分析，如图10、图11所示。

图10　顶板纵梁和底板纵梁弯矩图

图11　中楼板纵梁和行车道板纵梁弯矩图

从图10、图11可以看出，2种抗浮措施计算得到纵梁弯矩相差不大。其中采用压顶梁计算得到的顶板纵梁、中板纵梁、行车道板纵梁要比抗拔桩大；而底板纵梁要小。

对2种抗浮措施计算得到的柱子轴力进行对比分析，如表2所示。

表2　2种抗浮措施计算得到的柱子轴力　kN

从表2可以看出，采用压顶梁抗浮计算得到的柱子轴力要比采用抗拔桩的大。

5结论

本文对采用抗浮压顶梁和抗拔桩的明挖地铁车站进行了数值计算，分析了它们对结构内力的影响，得出了如下结论。

(1)采用压顶梁抗浮时，在向上的水反力的作用下，地下结构将产生以两侧围护墙为支点的整体向上挠曲变形。且地下结构的宽度越大，整体上挠的倾向越明显，由此在地下结构顶底板中产生的附加弯曲应力也越大，结构受力不利。

(2)抗拔桩对车站主体结构底板和纵梁的约束作用，使结构内力重分布，受力要优于压顶梁。

(3)压顶梁抗浮是地铁车站抗浮设计中经济适用且最常用的方法。因此，当地下结构宽度不大且考虑侧壁摩阻力能够满足抗浮要求时，应尽量采用压顶梁进行抗浮。地下结构宽度较大时，采用压顶梁抗浮结构受力不利，因此，即使考虑围护结构侧摩阻力能够满足抗浮要求时，也应尽量设置一定数量的抗拔桩来改善结构受力。

在实际工程中，应根据地铁车站的结构形式、地质条件、浮力大小、施工条件和工期要求等因素确定采用何种抗浮措施，也可以根据工程特点，采取多种抗浮措施。本文只是从结构受力角度对明挖地铁车站的抗浮措施的选择提出了一点建议，以期能够对地铁车站抗浮设计起到一定的指导作用。

参考文献：

[1]张景花.地铁车站的抗浮设计[J].山西建筑，2010，36(8)：122-123.

[2]辛红芳.地铁车站工程抗浮措施的技术经济比较[J].都市快轨交通，2008，21(3)：67-69.

[3]袁正如.地下工程的抗浮设计[J].地下空间，2004，24(1)：41-43.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

[5]李广涛.广州地铁暹岗站的抗浮计算分析[J].隧道建设，2013(33)：937-941.

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[8]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京.人民交通出版社，2007.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京.中国建筑工业出版社，2014

[10]叶俊能，刘干斌.考虑围护摩阻力的地铁车站结构抗浮安全设计[J].岩土力学，2010(S)：279-283.

[11]贾蓬，刘维宁.地铁车站结构设计平面简化计算方法中存在问题的探讨[J].现代隧道技术，2004(S)：393-398.

Analysis of the Impact of Uplift Pile and Coping Beam on Internal Force of Metro Stations Constructed by Open-and-coverWang Ping, Yang Qi-xin, Jiang Ya-jun

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering Department of Education,

Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：There often exists anti-floating problem in the construction of the subway station in high water table areas. The handling of anti-floating is directly related to the reliability of subway station during normal operation of the subway station. Handling anti-floating with different measures may have different effects on the internal forces of the structure. To study the effects and seek some suggestions in the light of structural stresses, this paper, with reference to a metro station constructed with cut-and-cover method and on the basis of the two most common anti-floating measures — capping beam and uplift pile in the numerical calculation, concludes that the uplift pile can improve the effect of the structural stress, when the span of the structure is large, the uplift pile alone or the combination of uplift pile and capping beam shall be employed to fulfill anti-floating; if the span is small, capping beam shall be prioritized.

Key words：Metro station; Cut-and-cover; Anti-floating coping beam; Uplift Pile; Finite Element Analysis

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.022

文章编号：1004-2954(2015)02-0091-04

作者简介：王平(1990—)，男，硕士研究生，E-mail:lxwp5957@163.com。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)；教育部创新团队发展计划资助(IRT0955)

收稿日期：2014-05-21； 2014-06-04