大型地铁车站结构齿槽抗浮技术

郭建强

(中铁十三局集团有限公司第五工程公司，四川成都 610041)

随着经济的快速发展，我国城市现代化进程大大加快。各大城市为了满足日益增长的都市交通需要，引导城市合理布局和有序开发，充分利用地下资源为城市发展提供了延伸空间，诸如地铁等轨道交通的快速建设。然而，大多数地铁车站建于地下，地下结构因地下水浮力极易发生结构破坏和各种工程事故，严重影响地铁在运营阶段的行车安全。因此，地铁车站结构抗浮面临严峻挑战，其设计及施工等涉及的一系列抗浮问题必须引起密切关注。

1 大型车站结构抗浮面临的问题

为了控制工程整体投资，同时满足地铁各项功能，实现公众便捷乘车，地铁车站多为地下多层结构，顶板上覆土均较薄，不似区间隧道埋深较深［1-2］。同时，为了创造干燥的机电工作环境、舒适的乘车环境以及良好的观感效果，明挖地下车站要求主体结构、出入口通道及机电设备集中部位防水等级为一级，结构不允许渗水，结构表面无湿渍。在地下水位较高的地区，车站结构类似于一个密闭的箱体置于地下水池中，当结构自重及顶板覆土重无法抵消地下水浮力时，必须采取必要的抗浮措施来解决浮力影响，以保证车站结构及行车安全。

2 传统抗浮技术及不足

按目前现有理论和技术［3］，车站结构抗浮设计中多采用抗拔桩、抗拔锚杆、趾板反压、压顶梁以及配重法等传统的抗浮措施。然而，尽管在设计中为获取最佳的抗浮效果考虑较为周全，但上述抗浮技术仍有较大的不足。

2.1 抗拔桩

底板下设置抗拔桩，通过桩体或扩底桩与底板下土体摩阻力抵消部分水浮力来解决抗浮。受力模式为:覆土重+结构自重+抗拔桩摩阻力≥浮力×抗浮安全系数，其受力体系如图1(a)。

当采用抗拔桩时，容易产生底板漏水、堵漏难度大，底板暴露时间长，地面施作费用高，底板连接节点防水难度大。另外，抗拔试验占用时间长，如出现底板渗漏水会对道床产生浮力影响，造成轨面不平顺而影响行车舒适，甚至发生事故。

2.2 抗拔锚杆

底板下设置抗拔锚杆，通过锚杆锚固体与底板下土体摩阻力抵消部分水浮力来解决抗浮。受力模式为:覆土重+结构自重+抗拔锚杆锚固力≥浮力×抗浮安全系数，其受力体系与抗拔桩类似。

当采用抗拔锚杆时，现场操作难度较大，锚固体产生作用需等待龄期，抗拔试验占用时间长，底板暴露时间长，底板连接节点防水难度大易产生渗漏水。

2.3 墙外趾板反压

结构外墙增加混凝土外挑结构，增加墙外覆土压力抵抗水浮力。受力模式为:顶板覆土重+结构自重+墙外覆土重≥浮力×抗浮安全系数，该抗浮措施受力体系如图1(b)。

当采用趾板反压时，需增加开挖回填数量，周边可利用空间必须足够大，放坡开挖基坑较适用，对覆土填实要求高。

图1 地铁车站结构抗浮体系

2.4 抗浮压顶梁

在主体结构顶板上与围护结构连接设置压顶梁结构，解决抗浮。

受力模式为:①顶板覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力≥浮力×抗浮安全系数;②顶板覆土重+结构自重+围护结构自重≥浮力×抗浮安全系数;③顶板覆土重+结构自重+围护结构自重+围护结构与土体摩擦力≥浮力×抗浮安全系数，该抗浮措施受力体系类似于图1(c)。

如果采用抗浮压顶梁，则需要顶板施工后对桩身进行处理，凿桩植筋施工压顶梁，施工费用较高，植筋连接与结构的寿命相比往往较短，且质量不可靠。当采用抗浮压顶梁时，将围护桩冠梁降低，冠梁加大有利于后期与结构顶板间压顶梁相扣，但因冠梁低于原地面，上部边坡防护不当易产生较大变形，同时压顶梁在顶板与冠梁之间浇注时操作空间小，上部容易浇注不密实，对以后的抗浮控制变形很不利。

2.5 摩擦抗浮

充分利用车站主体结构与围护结构的摩擦力，以抵抗地下水产生的浮力。受力模式为:覆土重+结构自重+结构与围护间摩擦力≥浮力×抗浮安全系数，该抗浮措施受力体系如图1(c)。

因车站工程实体范围大，采用配重法如加配重混凝土(如钢渣混凝土)成本高，同时恐后期受杂散电流腐蚀耐久性差，且需占用大量有效空间。同时配重操作难度大，多以顶板增加景观假山实现，但是受周边环境影响限制因素大，适用性不强。

其余如坑外降水措施仅可作为一种补救措施，长期使用耗费较高，不宜采用。

3 齿槽加强抗浮技术

3.1 工程简况及要达到的目标

成都将军衙门地铁车站是一座高10 m二层岛式站台车站。地下一层为站厅层，地下二层为站台层，位于小南街与少城路交叉路口以东，人民公园内。车站基坑地处川西平原岷江水系Ⅰ级阶地，为侵蚀～堆积地貌，站区地形有起伏，地面高程501.86～504.65 m，基坑工程地处砂卵石地层。车站总长138 m，基坑最大开挖深度19.2 m。

根据钻孔揭露，第四系孔隙水主要赋存于全新统(Q4)、上更新统(Q3)的砂、卵石土中，砂卵石层含水丰富，含水层总厚度约17.7 m，为孔隙潜水。根据勘察单位的“成都市地铁天府广场综合改造工程岩土工程勘察”，在卵石层中所做的抽水试验，得到最大降深8.08 m，最小降深2.80 m。由所测数据采用单孔稳定流计算出该场地渗透系数最大 12.0 m/d，最小7.2 m/d，平均值9.3 m/d。结合成都地区的降水经验，初步建议本区段卵石土综合含水层渗透系数K取18 m/d，为强透水层。

为使结构与围护桩整体受力效果良好，操作简便，且防水整体性不受破坏，同时不增加投资，工期不受影响，成都地铁2号线一期工程将军衙门站采用了结构抗浮齿槽新技术。齿槽技术仅需要在结构板外增加局部外挑，利用护壁或一定厚度的主筋保护层即能满足围护桩受力要求。

3.2 抗浮设计施工中问题分析

地铁车站在设计时一般都要对主体结构进行整体抗浮以及局部抗浮验算，使抗浮安全系数满足规范允许值，我国几个大城市地铁采用的抗浮安全系数见表1。

由表1可看出，各地区抗浮安全系数取值因地而异，受地层因素影响大。

目前抗浮安全系数的取值均为经验取值，取值越大，安全性越高，抗浮措施投入越大，越不经济;取值越小，安全性偏低，投入降低，风险加大。

实际设计中，勘察人员往往将地铁使用期历史最高水位取为抗浮水位，设计计算均按此水位结合车站埋深计算相应的水浮力。故而在采取抗浮措施时往往会反压偏大，车站出现的不是上浮而是微量沉降，工程造价也明显偏高。

表1 各城市地铁采用的抗浮安全系数

综上所述，对地铁车站抗浮难题分析如下:①抗浮设计计算可总结分析已有类似工程的变形沉降规律，并可进一步加强该类项目的变形研究，根据实际选取较为经济合理的抗浮安全系数。经研究比较，选择较为通用1.05(不计侧壁摩阻力)及1.15(计侧壁摩阻力)较为合理。②在抗浮设计施工中，利用围护结构冠梁兼做压顶梁具有一定的先进性，其受力分析和设计计算简单。而压顶梁在顶板与冠梁之间浇注，操作空间小，易出现上部浇注不密实等不足。③针对上述抗浮问题，设计思路最好改变原有的“抵抗”浮力为“消解”浮力，在墙柱中甚至底板上设置浮力泄压管路，使结构受力自我平衡。

3.3 抗浮设计方案与参数

基于上述分析，参考基坑理论与技术［4-5］，成都将军衙门地铁车站建设过程中在结构外增加齿槽结构，通过齿槽与围护结构的嵌固作用使围护结构与主体结构共同作用解决抗浮。

受力模式为:①顶板覆土重+结构自重+齿槽嵌固力≥浮力×抗浮安全系数;②顶板覆土重+结构自重+围护结构自重≥浮力×抗浮安全系数;③顶板覆土重+结构自重+围护结构自重+围护结构与土体摩擦力≥浮力×抗浮安全系数。该抗浮措施受力体系如图2。

3.4 施工工艺及流程

结合工程实际情况，围护桩施工时在结构板部位根据设计要求主筋弯折，准确定位并保证位置偏差满足要求，以利后期齿槽嵌固。开挖基坑后及时凿出齿槽部位桩体凹槽，并采用砂浆抹补。结构板施工时板体主筋外伸按设计齿槽宽度下料，齿槽与结构整体浇注，以实现桩与主体结构共同受力。围护桩主筋在结构板部位局部弯折，结构板外挑与桩体嵌固，利用齿槽抗剪实现结构抗浮要求。

图2 齿槽抗浮受力体系

3.5 效果分析

目前车站已建设完成并投入运营，通过竣工检测数据及近两年运营结果显示，车站各部位均未出现不利影响，尤其经受住了2013年成都夏季特大暴雨的考验。

尽管采用齿槽抗浮新技术可以达到较好的效果，但今后在以下几方面还需进一步改进:首先，齿槽节点受力集中，易出现剪切破坏，设计中应着重考虑;其次，围护结构齿槽嵌固条件较难满足，必须精心施工;最后，施工工艺水平要求较高。

4 结论

1)地下结构常因地下水浮力发生结构破坏和各种工程事故，严重影响地铁在运营阶段的行车安全，必须引起密切关注。但目前抗浮技术仍有较大的不足，需要做出相应的完善和进一步研究。

2)提出的大型地铁车站结构齿槽加强抗浮技术，受力分析和设计计算简单、简洁易作、施工成本低廉、工艺简便且质量易于控制，可克服抗拔桩或抗拔锚杆的防水渗漏难度大以及试验周期长、底板封闭晚的难题，避免后期施作压顶梁的不利影响，可广泛推广。

3)鉴于齿槽抗浮技术中的齿槽节点受力集中，易出现剪切破坏，围护结构齿槽嵌固条件较难满足以及施工工艺水平要求较高，今后还需做更深入的研究。

［1］赖兴庭，朱泰儒.地下建筑物抗浮锚杆设计的几个问题［J］.福建建设科技，2006(3):32-33.

［2］周顺华.城市轨道交通结构设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］周顺华.城市轨道交通结构工程［M］.上海:同济大学出版社，2004.

［4］中华人民共和国国家标准.GB 50157—2003 地铁设计规范［M］.北京:中国计划出版社，2003.

［5］胡章喜，谢承栋，冯云.地下三层侧式站台车站抗浮方案选择［J］.地下工程与隧道，2010(1):6-11.