王　平,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 成都　610031)

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抗拔樁和壓頂梁對明挖地鐵車站內(nèi)力影響分析

王平,楊其新,蔣雅君

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 成都610031)

摘要：在高地下水位地區(qū)修建地鐵車站, 往往存在抗浮問題?？垢栴}處理得當與否直接關(guān)系著地鐵車站正常使用期間的可靠度。而采用不同抗浮措施會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不同的影響,為研究這種影響并希望從結(jié)構(gòu)受力角度對車站抗浮提出一定的建議,結(jié)合一個明挖地鐵車站實例,針對目前最常見的2種抗浮措施——壓頂梁和抗拔樁進行數(shù)值計算,發(fā)現(xiàn)抗拔樁具有改善結(jié)構(gòu)受力的作用,在結(jié)構(gòu)跨度較大時應(yīng)采用抗拔樁或者抗拔樁與壓頂梁聯(lián)合抗浮的措施,在結(jié)構(gòu)跨度較小時,可優(yōu)先考慮壓頂梁抗浮。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；明挖；抗浮壓頂梁；抗拔樁；有限元分析

1概述

隨著各國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，城市化進程加快，為緩解城市建設(shè)中的各種問題，地下空間的開發(fā)逐漸得到重視，地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)也逐漸增多，如地鐵、地下停車場、地下街、各種地下管線等[1]。地鐵車站作為城市交通的重要組成部分，在城市交通中發(fā)揮著重要的作用。地鐵車站深埋于地下，底板往往置于地下水位以下，因此在對地鐵車站進行設(shè)計時，不僅要進行承載力設(shè)計，還要考慮抗浮驗算。特別是對于地下水位較高的地區(qū)，抗浮問題處理得當與否直接關(guān)系著地鐵車站正常使用期間的可靠度。

國內(nèi)地鐵車站主要的抗浮措施有增加配重、設(shè)置壓頂梁、抗拔樁或抗拔錨桿4種。配重法即通過增加工程的自重來抵御水浮力的作用，壓頂梁法利用圍護結(jié)構(gòu)的自重及其與土層側(cè)摩阻力來達到抗浮目的，抗浮樁和抗浮錨桿則主要利用樁側(cè)阻力和錨桿提供的拉力平衡浮力[2，3]。

目前，國內(nèi)對于地下工程抗浮措施的選擇比較混亂。針對這個問題，對一個采用抗拔樁和壓頂梁的明挖地鐵車站進行有限元分析，從結(jié)構(gòu)受力角度對明挖地鐵車站抗浮措施的選擇提出建議。

2工程背景

深圳地鐵7號線筍崗站是明挖地下三層側(cè)式車站，采用復合墻。車站標準段寬度為15.9 m，高度21.34 m，縱向柱跨9 m，橫向柱跨8 m，頂板、負二層樓板、側(cè)墻厚800 mm，負一層樓板厚400 mm，底板厚1 100 mm，柱尺寸為800 mm×1 200 mm。車站覆土計算深度為3.9 m，地下連續(xù)墻長29.28 m。

本場地的地下水按賦存條件主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水?？紫端饕x存在表層人工填土層、沖洪積層和殘積砂質(zhì)黏性土層中，略具承壓性，基巖裂隙水賦存于強風化及中等風化巖中，具承壓性。本次勘察期間穩(wěn)定地下水位埋深1.50～5.30 m，水位高程6.58～10.72 m?？垢≡O(shè)計時，水浮力按全水頭計算，地下水位按1 m計算。地層參數(shù)如表1所示。

表1　地層參數(shù)

3抗浮計算

目前，在主體結(jié)構(gòu)與圍護結(jié)構(gòu)連為一體的地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中存在兩種計算方法，即不考慮側(cè)壁摩阻力的作用和考慮側(cè)壁摩阻力的作用。地下工程簡單的浮力作用情況的抗浮設(shè)計，采用安全系數(shù)法[4]。公式表示為

N+F≥KV

式中N——結(jié)構(gòu)自重；

F——抗浮力；

V——靜水浮力；

K——抗浮安全系數(shù)，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)抗浮安全系數(shù)當不計地層側(cè)摩阻力時不應(yīng)小于1.05；當計及地層側(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)。

水浮力標準值：V=1.0×(21.34+3.9-1)×10×15.9=3 878 kN/m

結(jié)構(gòu)自重標準值：N1=2 312 kN/m

覆土重標準值：F1=1.0×71.13×15.9=1 138 kN/m

連續(xù)墻自重：N2=820 kN/m

連續(xù)墻側(cè)壁摩阻力計算：根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2013)條文說明，在軟黏土地層中采用土錨或拉樁時，對樁土間的摩擦力的設(shè)計取值應(yīng)作限制，不宜超過極限摩阻力的一半，本文中出于安全考慮統(tǒng)一取0.4。

連續(xù)墻側(cè)壁摩阻力標準值[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

當不考慮圍護墻自重和側(cè)摩阻力時[5]：

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

這時，在不計圍護結(jié)構(gòu)側(cè)摩阻力時，僅靠結(jié)構(gòu)自重無法滿足抗浮要求，需要設(shè)置抗拔樁等抗浮措施。

本工程抗浮設(shè)計采用擴底樁作為抗拔樁，樁徑1.3 m，擴底直徑2.0 m，樁長8 m，基本位于中風化混合巖中。抗拔樁設(shè)置在柱網(wǎng)下，每個柱跨布一根抗拔樁，并沿縱向1排布置。

抗拔樁抗拔力計算[6]：

F3=3.14×2×8×210×0.7/9=821 kN/m

這時：K=(N1+F1+F3)/V=(2 312+1 138+821)/3 878=1.10>1.05，滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求。

當圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)通過壓頂梁連接時，需要考慮圍護墻自重和側(cè)摩阻力：

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

這時，在計入圍護結(jié)構(gòu)側(cè)摩阻力時，滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求。

4兩種抗浮措施的有限元計算分析

從抗浮計算可以看出，采用抗拔樁抗浮和采用壓頂梁抗浮均能夠滿足結(jié)構(gòu)抗浮的要求。但是，不同的措施會對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不同的影響，采用Ansys有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析，以期找出這兩種抗浮方法對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

4.1計算模型

車站結(jié)構(gòu)的頂板、中板、底板、側(cè)墻采用板殼單元進行模擬，車站中的梁、柱采用空間梁單元進行模擬[7，8]。不考慮地層與結(jié)構(gòu)的共同作用，地層只作為荷載作用于結(jié)構(gòu)。長期使用階段，結(jié)構(gòu)承受的土壓力按靜止土壓力計算，水壓力可按靜水壓力計算，采用水土分算[9]。

考慮到地下結(jié)構(gòu)正常使用階段不可能發(fā)生較大的隆起以及安全儲備，在壓頂梁抗浮計算模型中，側(cè)墻頂部約束Y方向位移為2 mm；抗拔樁抗浮計算模型中，抗拔樁底部約束Y方向為2 mm；側(cè)墻底約束Y方向位移為1 mm；由于連續(xù)墻對主體結(jié)構(gòu)的約束作用，在2個模型中，側(cè)墻頂和側(cè)墻底均完全約束X方向位移[10]。計算模型如圖1所示。

圖1　計算模型

4.2計算結(jié)果與對比分析

對2種抗浮措施的計算結(jié)果進行比較，分別提取中間跨處頂板、底板跨中板帶和柱上板帶的豎向位移和內(nèi)力進行對比分析[11]。板帶劃分示意如圖2所示。

圖2　板帶劃分示意

計算得到的位移如圖3、圖4所示。

圖3　抗拔樁位移(max=6.941 mm)

圖4　壓頂梁位移(max=11.154 mm)

由于跨中板帶變形和柱上板帶頂板和底板變形趨勢一樣且跨中板帶變形比柱上板帶大，這里取跨中板帶的豎向位移，如圖5所示。

圖5　跨中板帶頂板和底板豎向位移

從圖5可以看出，采用壓頂梁抗浮時，最大位移出現(xiàn)在底板，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以兩側(cè)圍護墻為支點的整體向上撓曲變形，頂板變形較?。徊捎每拱螛稌r，由于抗拔樁的約束，最大位移出現(xiàn)在頂板，底板變形較小。

底板彎矩云圖如圖6、圖7所示。

圖6　抗拔樁底板彎矩圖(單位：N·m)

圖7　壓頂梁底板彎矩圖(單位：N·m)

柱上板帶頂板、底板彎矩如圖8所示。

圖8　柱上板帶頂板和底板彎矩圖

跨中板帶頂板和底板彎矩如圖9所示。

圖9　跨中板帶頂板和底板彎矩圖

從圖8、圖9可以看出，壓頂梁頂板彎矩(柱上板帶和跨中板帶)在柱端(圖中橫坐標為8的位置)要比抗拔樁頂板彎矩大，其他位置，均比采用抗拔樁抗浮計算得到的彎矩小。

從圖8可以看出，柱上板帶抗拔樁底板彎矩在柱端要比壓頂梁底板彎矩大，其他位置，均比采用壓頂梁抗浮計算得到的內(nèi)力小。

從圖9可以看出，跨中板帶壓頂梁底板彎矩都要比抗拔樁底板彎矩大，2種抗浮方法求得的底板柱端都是上部受拉，而柱上板帶是下部受拉。

采用上述2種抗浮方法，無論跨中板帶還是柱上板帶柱端彎矩差異都比較大，應(yīng)引起注意。

對2種抗浮措施計算得到的縱梁內(nèi)力進行對比分析，如圖10、圖11所示。

圖10　頂板縱梁和底板縱梁彎矩圖

圖11　中樓板縱梁和行車道板縱梁彎矩圖

從圖10、圖11可以看出，2種抗浮措施計算得到縱梁彎矩相差不大。其中采用壓頂梁計算得到的頂板縱梁、中板縱梁、行車道板縱梁要比抗拔樁大；而底板縱梁要小。

對2種抗浮措施計算得到的柱子軸力進行對比分析，如表2所示。

表2　2種抗浮措施計算得到的柱子軸力　kN

從表2可以看出，采用壓頂梁抗浮計算得到的柱子軸力要比采用抗拔樁的大。

5結(jié)論

本文對采用抗浮壓頂梁和抗拔樁的明挖地鐵車站進行了數(shù)值計算，分析了它們對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，得出了如下結(jié)論。

(1)采用壓頂梁抗浮時，在向上的水反力的作用下，地下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生以兩側(cè)圍護墻為支點的整體向上撓曲變形。且地下結(jié)構(gòu)的寬度越大，整體上撓的傾向越明顯，由此在地下結(jié)構(gòu)頂?shù)装逯挟a(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力也越大，結(jié)構(gòu)受力不利。

(2)抗拔樁對車站主體結(jié)構(gòu)底板和縱梁的約束作用，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，受力要優(yōu)于壓頂梁。

(3)壓頂梁抗浮是地鐵車站抗浮設(shè)計中經(jīng)濟適用且最常用的方法。因此，當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)寬度不大且考慮側(cè)壁摩阻力能夠滿足抗浮要求時，應(yīng)盡量采用壓頂梁進行抗浮。地下結(jié)構(gòu)寬度較大時，采用壓頂梁抗浮結(jié)構(gòu)受力不利，因此，即使考慮圍護結(jié)構(gòu)側(cè)摩阻力能夠滿足抗浮要求時，也應(yīng)盡量設(shè)置一定數(shù)量的抗拔樁來改善結(jié)構(gòu)受力。

在實際工程中，應(yīng)根據(jù)地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、浮力大小、施工條件和工期要求等因素確定采用何種抗浮措施，也可以根據(jù)工程特點，采取多種抗浮措施。本文只是從結(jié)構(gòu)受力角度對明挖地鐵車站的抗浮措施的選擇提出了一點建議，以期能夠?qū)Φ罔F車站抗浮設(shè)計起到一定的指導作用。

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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

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.022

文章編號：1004-2954(2015)02-0091-04

作者簡介：王平(1990—)，男，碩士研究生，E-mail:lxwp5957@163.com。

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT0955)

收稿日期：2014-05-21； 2014-06-04