地铁抗浮安全系数研究

韩磊

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

近年来，随着国内基础设施建设投入的增加，各个城市的地铁建设也在飞速发展，地铁建设的总里程不断被刷新，但也正因为地铁属于公共基础设施建设，且建设成本较高，导致在运营期间很难收回建设成本，往往票务收入仅够运营本身的成本，不足以弥补建设成本，地铁的建设费用只能通过地方财政进行补贴，给地方财政增加了极重的负担，所以降低地铁的建设成本成为地铁建设的关键性控制性因素，而地铁工程费用中的土建成本费用几乎又占了总投资的一半以上，所以在设计阶段便需要精细化设计，将成本控制贯穿于设计的全过程，本文所讨论的成都地铁19 号线工程抗浮计算原则的优化和应用正是以此为目标在保证安全的基础上尽量做到经济合理、优化结构减少工程造价。

1 工程概况

成都地铁19 号线工程是连接成都双流国际机场与成都天府国际机场的一条关键性线路，线路大致为西北至东南走向，设计最大时速为160km/h，全线主要以地下线路及地下车站为主。作为本文主要研究对象的温家山站是地铁19 号线的从龙桥路站开始的第4 座车站，车站底板埋深约为25.4m，顶板覆土厚度约为1.6～3.75m，车站整体采用四柱五跨地下三层箱型框架结构，纵向轴间距为9m，结构横向宽度（左右侧外墙外边缘间的距离）为37m，结构高度（顶板顶到底板底的距离）为23.8m，底板位于中风化泥岩层，由于周边地质条件良好，无重要建构筑物，故基坑的围护结构形式采用放坡+土钉墙进行支护，抗浮设计水位为规划地面以下1.5m，设置有抗浮挑板和抗拔桩用以抗浮（见图1）。

图1 车站横断面图

2 抗浮计算

由于车站围护结构主要是采用放坡+土钉墙支护，一般地下结构中常采用的围护桩+冠梁兼做抗浮压顶梁的做法在本站也无适用条件，所以，在抗浮设计初期优先考虑的抗浮措施是在车站两侧设置抗浮挑板，但由于车站埋深较深，且车站范围顶板覆土厚度仅有1.6m，在仅设置1.5m 宽的抗浮挑板后仍不能满足抗浮要求，计算如下：

纵向单延米的结构自重+顶板覆土+挑板上覆土浮重后其总重力G=6250kN，该部分荷载为恒载，不会随外界因素变化（后文会考虑到该因素）；

纵向单延米的水浮力为W=（25.4-1.5）×10×37×1=8843kN。

此 时 抗 浮 安 全 系 数K=G/W=0.7067＜1.05，显然不能满足《地铁设计规范》（GB 50157—2013）第11.6.1 条关于抗浮安全系数不应小于1.05 的要求。

于是，考虑在继续保留抗浮挑板的基础上设置抗拔桩参与抗浮，预估抗拔桩设置长度为L=15m，直径d=1.5m，并扩底C=0.5m 的机械钻孔扩底灌注桩（原设计采用人工挖桩，但由于施工工期的安全性等原因，后变更为机械钻孔形式），扩底段高度为1.5m。结合地勘资料，取抗拔系数ψ=0.8，全桩均嵌入了中风化泥岩层，中风化泥岩层侧摩擦阻力为f=200kN，扩底桩破坏面影响范围取h=6m(规范4～10d，软土取低值，卵石、砾石取高值，此处暂按4d 取值）。

考虑桩周摩擦阻力时，确定其单桩抗拔承载力特征值：

为增强结构体系的整体受力性能，考虑在每个轴对应的柱下均设置一根抗拔桩，轴线对应的横断面最多可设置4 根抗拔桩，按纵向轴跨9m 分摊至单延米的车站范围，4 根抗拔桩能提供的纵向单延米抗拔力为：

3 发现问题

3.1 抗浮安全系数取值问题

根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）第11.6.1条“当计算地层侧摩阻力时，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”。显然上文中设置抗拔桩后仍不满足规范要求，且一般情况下抗浮安全系数均取高值为1.15，于是按常规的做法是继续加长抗拔桩或者增加抗拔桩的设置数量。但是值得注意的是，规范仅要求考虑了摩擦力后抗浮安全系数为1.15，但并不是很明确计入摩阻力后整体的抗浮安全系数均提高为1.15 还是只是计入摩擦力的某些构件按1.15 控制，于是进一步分析，之所以需要提高安全系数是考虑到由摩擦提供的摩阻力具有一定的不可靠性，但是实际上车站主体结构的永久重力和抗拔桩的自重这些恒载并不会随外界因素变化，如果是提高整体抗浮安全系数则相当于忽略了自重等恒载的恒定性，于是以此为原则采取抗浮加强措施后则使得偏于保守了，对节约成本不利。下面试算了几组数据，可以更直观地看出忽略恒载恒定性的问题：

示例1：如果车站的结构尺寸等发生了变化，结构的自重整体增加了，取G、=9250kN，而水浮力不改变为W=8843kN，而此时抗浮安全系数K=1.046＜1.05，此时考虑在断面设置1 根抗拔桩，抗拔桩的参数不变（L=15m，计算同前文），则设置的1 根抗拔桩换算为单延米所能提供的抗拔力为F=1×F/9=1×7627/9=847kN，而其中纵向单延米单桩浮自重为G/9=468/9=52kN。此时当只考虑抗拔桩的结构浮自重而不考虑摩擦力时K、=（G、+G）/W=（9250+52）/8843=1.052＞1.05，显 然 能 满 足 规 范 要求，但此时若计及抗拔桩的摩擦力后，则整体抗浮安全 系 数 需 要 提 高 到1.15，则K=(G、+F)/W=(9250+847)/8843=1.14＜1.15，显然又不满足规范的要求。

示例2：接组1 的情况，改变抗拔桩的周边的地质条件，当抗拔桩位于密实砂土中时，按《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）中的规定，抗拔桩抗拔系数改变为ψ、=0.5，侧摩阻力取f、=100kN，考虑设置2 根L、=10m 的抗拔桩，则此时单根抗拔桩的抗拔力为：

由以上两组试算数据可以看出，随着摩擦力对抗拔桩的贡献值减小，摩擦抗拔桩（当采用围护桩抗浮时，同理）所能提供的抗拔力远比不上由抗浮安全系数改变导致的水浮力增量，在这种情况下可能存在只计入抗拔桩的自重便满足规范的要求，而考虑抗拔桩的摩擦力后却不能满足规范要求的歧化现象。

3.2 抗浮水位与安全系数对应关系

由于地下水问题和常规的荷载问题还是有些区别的，荷载往往随着使用时间的延长而存在较大的不确定性，故《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）中对荷载进行了永久荷载、可变荷载、偶然荷载的分类，针对不同的分类又有不同的组合值系数，由此可知荷载情况复杂不确定性较大。但是在《地铁设计规范》（GB 50157—2013）中水压力和浮力是作为永久荷载考虑的，其作用与结构自重一样是不随外界因素变化的，而一般情况下水浮力均是取地区稳定地下水位最高值作为抗浮水位，就算短时间地面可能存在积水，但是地下水位却不会立刻上涨，则一般也就不会存在抗浮水位高出地面很多的情况，此情况下地表水只能成为配重而不是浮力。本文讨论的温家山站位于规划地块范围内，地块规划标高还要高出周边市政道路标高约1～2m，而周边没有淹没记录，所以地下水肯定是不会高于周边的规划地面标高。在此情况下，当考虑1.05 的抗浮安全系数后，抗浮水位的实际计算水头（按底板埋深来算）为：（25.4-1.5）×1.05=25.09＜25.4，可见实际高程已基本接近地面标高了，且远高于周边的市政道路标高，此时道路已经被长时间被洪水淹没，而进一步当抗拔桩参与抗浮时抗浮水位的实际计算水头为：（25.4-1.5）×（1.1～1.15）=26.29～27.485＞25.4，此时计算水头比实际地面标高还高了0.89～2.085m，显然这不符合此区域的真实情况，当然也不是不存在这个可能，比如受洪水影响的地区确实存在水位远高于地面淹没城市的情况，但是地铁车站设计时其出入口的高度一般仅比地面标高0.45m，出地面的风亭等也仅高出地面1m（一般出入口及风亭的标高是以200 年一遇洪水位作为基准确定的，抗浮水位防洪不等于防涝水位），显然也不允许地铁周边出现远高于车站出入口的洪水位，否则就存在需要调整地勘报告中抗浮水位标高的可能，一般地铁车站在选址的时候也会尽量避开存在淹没风险的区域，如果真存在地铁淹没的情况时，则地下水会直接漫入车站内，此时涌入的洪水便作为了车站的配重，根据浮力的计算原理其作用将不再显著增加。也就是说，对于地铁车站的抗浮来说，最高水位值取到地面标高或最低出入口及风亭口标高就已经是极限了。甚至对于部分地势较高的车站，能达到设防的抗浮水位的次数都是极其有限，那此时采用1.15 的抗浮安全系数导致实际计算水头远高于地面标高其实本身就存在一定的疑问，当然这里讨论到的问题也主要是以本文涉及的车站进行阐述的，对这个问题不同的车站也可能有不同的情况，涉及防洪水位、内涝水位等一系列问题，最高实际计算水头不适合统一指定，当因时而异、因站而异。

4 结论

针对以上两个问题点，结合温家山站的实际情况，经过与相关专家研究和商讨后得出是否可以改变一下计算思路的想法。由于规范给出的抗浮安全系数也是个范围值，地下水问题本身也有不确定性，且实地调查后发现19 号线的车站站位普遍地势较高，不存在地下水位会高过地面的极端情况，于是拟采用以下原则分两步进行抗浮验算：

第一步，把水浮力分成两个部分分开讨论，一部分由结构的永久荷载抵抗，由于永久荷载可靠性较高且一般不随外界因素发生变化，所以抗浮安全系数建议仍取值1.05。

第二步，剩余的水浮力则由考虑了摩擦力的抗拔桩或围护桩承担，考虑到摩擦力的不确定性，所以该部分的抗浮安全系数取值为1.15。

对本站而言，结构自重、覆土荷载、挑板上的覆土配重及抗拔桩（或围护桩）的自重等永久荷载仍按1.05 的抗浮安全系数取值，而对抗拔桩或围护桩提供的摩擦力则按1.15 取值，由于本站抗拔桩设置较少且抗拔桩摩擦力很大，按纵向单延米分摊后抗拔桩的自重占比几乎可以忽略，故为了简化计算，抗拔桩自重部分抗浮安全系数也取为1.15 并作为安全富余量预留。由于采用了不同的抗浮安全系数进行抗力组合，则常规G/N≥K[《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）第3.0.3]的公式将不再适用，也不能直接采用单纯的综合抗浮安全系数值K与1.05 或1.15 进行比较来判定是否满足抗浮要求，于是此处引入了复合公式进行描述：

按此原则，第2 章节中进行计算后：

显然按此原则计算时抵抗力大于浮力，能达到抗浮安全的效果。

目前该站已经完成施工，从现场的监测数据看，抗浮稳定性能满足要求，所以以上公式计算抗浮应是可行的。