浅析半盖挖顺作法地铁车站抗拔桩设计

摘要：地铁车站半盖挖顺作施工工法，部分立柱基础桩在半盖挖施工过程中，作为承压桩起作用；在基坑开挖回填完成，地下水位逐渐上升，其承担抵抗车站主体结构在水反力作用下上浮的抗浮桩角色。为确保地铁车站在施工和正常使用过程中满足承压和抗浮双重承载力要求，本文以某地铁车站为实例，对立柱基础桩（承压和抗拔）和附加抗拔桩的平面布置、桩长、配筋等进行计算和分析；提出关于抗拔桩的布置、计算方法等设计方面认识和看法，可供抗拔桩设计以参考。

关键词：半盖挖抗拔桩 抗浮

中图分类号：U231+.4 文献标识码：A 文章编号：

1.引言

随着我国城市化进程的不断加速，城市用地日趋紧张；基坑施工意味着要对地下空间进行开发。半盖挖法作为施工的一种主要工法，能有效减少对周边设施环境的影响，特别是城市繁华街区施工时，可尽快恢复原有的交通。地铁基坑的开挖破坏了原有水土压力的平衡，坑底的水由于失去了原有的上部土层对其牵制，会通过向上的浮力来向上抵抗基坑里要建设的主体结构；要达到一种新的平衡就需要考虑抗浮措施。目前结构的抗浮设计方法总体包括“抗”和“放”两种原则[1],据此可把抗浮设计分为两种类型：抵抗型，以增加结构自重和压重来抗浮,如采用抗拔桩;疏导消除型,通过疏排水措施,减小地下水浮力,确保地下水位保持在一定的标高之下。当前,工程建设中前一类抵抗型的措施运用得更为广泛,技术也相对更加成熟。对半盖挖施工地铁车站，盖挖部位立柱已有基础作承压之用，如从经济上考虑兼作抗浮之用，一方面需对立柱基础进行承压和抗拔两种工况的受力计算；另一方面需在立柱桩基础布置的基础上布置附加抗拔桩，两者综合统一进行考虑和计算。其计算和分析过程对期为设计和施工提供参考。

2.工程概况

南宁市某车站位于民族大道和枫林路的交叉路口西侧，线路沿民族大道地下敷设，车站呈东西向布置。民族大道为城市主要干道，规划道路宽60m，双向主车道为6车道，车站所处路段，路面高差较大，整个路面呈东低西高状，坡度2%，局部坡度大于2%。

车站主体围护结构基坑301.2米，标准段基坑宽45米。沿南宁市主干道民道大道东西向布置，东高西低，车站东西端基坑深度差约7.1米。基坑采用1000@1200砼支护桩+三道内支撑（基坑较深处采用四道）支护形式，第一道为截面800x900mm的砼支撑，第二、三（局部四）道为609，t=16mm钢管支撑；沿基坑纵向设有三排中立柱：两道1200mm砼立柱和一道型钢立柱；三道支撑。为了保证主干道的民族大道的通行，车站采用半盖挖工法。基坑南半部分设砼铺盖系统，宽度约20米，长度为基坑纵向长301.2米；铺盖系统为典型梁板柱受力体系：过往车辆通过300mm厚铺盖板将荷载传给间距4.5米，截面800x900mm的横梁（部分由第一道砼支撑兼做），然后传递给1000x1400mm的纵梁（包括边纵梁和中纵梁），纵梁传给砼立柱通过立柱桩将作用力最终传到基底。

图2.1 基坑支护平面示意图

3.计算过程及分析

3.1常规布置和计算

车站基坑设有三排立柱桩基础共115根，作铺盖承载和支撑减跨承载用。基坑底部土层为粉砂岩层，铺盖上部设计车辆荷载按城-A级车辆荷载进行考虑，计算该部分桩基的嵌固深度平均达13米（同时考虑侧摩阻和端摩阻），非铺盖处嵌固深约7米。基坑立柱布置见图3.2。原设计按通常的计算方法，没有考虑这三排立柱桩基础的抗浮作用；直接在梁柱下部加设单独抗拔桩，整体计算抗浮和局部验算抗浮。

1.整体抗浮验算

根据现行相关规范计算规定[2]，承受拔力的桩基，应按下列公式同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力:

（1）

（2）

式中: —按荷载效应标准组合计算的基桩拔力；—群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；

—群桩呈非整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值；—群桩基础所包围体积的桩土总自重除以总桩数，地下水位以下取浮重度；—基桩自重，地下水位以下取浮重度。

从上述公式可以看出现有规范的验算抗浮的抗浮系数为1.00；而目前大多数城市地铁设计技术要求对抗浮提出了更加严格的要求：在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。

2.局部抗浮验算

车站主体结构在满足整体抗浮验算要求的情况下，还需要考虑以下因素的影响：底板跨度过大，在水浮力作用下导致局部变形超限而引起结构开裂；基于此，局部抗浮验算是必须要考虑的。目前地铁车站通常的验算方法（也称单桩抗浮能力验算）如下式：

（3）

式中:—单位面积范围内主体结构和覆土等压重之和；—单桩理论分摊荷载面积；—单桩自重（重度取浮重度）；—单桩能承担抗拔力特征值。

按上述常规计算方法得出的新加抗拔桩布置图见图3.3，根据计算，新加抗拔桩共258根，平均嵌固深度约20米。

图3.1 基坑立柱桩平面布置图

图3.2基坑抗拔桩平面布置图（常规计算）—新加抗拔桩位

3.2深化布置和计算

深入分析，不难发现，对于上述验算分析：整体抗浮基本合理，然而局部抗浮是经不住仔细推敲的。两点分析判断：

一、局部抗浮验算偏于保守。一方面，验算基于单桩受荷范围内处板之间是完全断开而相互独立的，没有考虑水浮力作用下受荷范围内外板之间的协同作用；另一方面，验算基于底板没有变形，进而不允许抗拔桩有变形，而实际情况下利用侧摩阻力提供抗拔力的桩体，加上桩体和桩周土之间的城压缩模量差，桩受水反力作用时肯定会产生位移。

二、计算模式与抗拔桩受力模式存在较大偏差。抗拔桩实际上在和原立柱桩基础桩一同提供抗浮力，各桩的受力大小和方向与桩位与主体结构梁、板、柱的关系有着直接影响。常规计算方法没法考虑这些因素的影响。

基于上述判断，对抗拔桩的设置进行深化计算和优化设计，需从本质上考虑抗拔桩作用机理；现对该车站考虑原立柱桩基础的抗浮作用，对主体结构的抗拔桩的设置进行整体分析。

采用SAP2000.V14.1进行建模和计算，整体模型如图3.4。为了简化计算模型，只对底板、底层柱和侧墙进行建模，对侧墙施加竖直方向上的等效线约束模拟压顶梁对主体结构的作用；先对已有的立柱基础抗拔桩位施加竖向点约束模拟抗拔桩对底板的抗浮力。荷载施加方面，对底层柱施加主体结构中板和顶板层通过板、梁传递到柱的点荷载；对底板施加向上的面荷载，荷载大小为抗浮水位下底板底面的水压力值。

图3.4 车站抗拔桩受力整体模型

新加抗拔桩布置，根据计算结果进行确定，此过程中结合结构整体受力概念，对新设桩的桩位进行试布试算，逐步优化。最终布置模型如图3.5，对应平面布置图如3.6。

图3.5深化桩位布置模型图

图3.6 深化桩位平面布置图(深化计算) —新加抗拔桩位

优化计算分析结果，新增的抗拔桩的数量为80根，平均嵌入深度为20米。相对于常规计算中258根，大大减少。

4.结论与建议

通过对比计算和分析，深化计算分析得出的抗拔桩量相对于常规计算分析大大减少，且受力更加明确合理；但同时也需要注意以下问题：

（1）深化抗拔桩布法大部分桩设于底板底，对底板的受力不利。对此，一方面需要对底板的抗冲切进行验算；另一方面，底板的受力模式不可简化为平面框架，而是类似于无梁楼盖的板桩受力模式。

（2）深化计算中仍然有抗拔桩不产生位移的前提下进行（竖向设铰支），相对于实际情况是偏于保守的，怎样考虑抗拔桩受力和变形之间的联系，并反应到计算和设计运用中来，可使抗拔桩的设计更加合理和优化。

参考文献

[1]梁鲜.地下室车库底板抗浮不足分析和处理方法.[湖南大学工程硕士学位论文].长沙：湖南大学土木工程学院，2011，11

[2]中华人民共和国行业标准.建筑桩基技术规范(JGJ94 －2008)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.