随着城市化进程的稳步推进,城市空间的拓展从外延式的水平方向往内涵式的立体方向转变,地下工程凸显“超深、超大”的特点。对于长三角、珠三角等南方沿海地区的超深地下工程(埋深超过30m),场区内地下水位高,且时常遭受潮汐、暴雨袭击,超补偿式的开挖常使得底板需要承受较大浮托力。倘若工程设计、施工过程中,对地下结构抗浮不够重视,将会给建(构)筑物埋下安全隐患,过大水浮力可能会对结构造成不可逆的破坏。地下水浮力对结构的破坏包括局部破坏和整体破坏 ^[1],其中局部破坏指地下结构底板因受力不均导致局部出现拱起和开裂;整体破坏指结构出现整体上浮,伴随着底板破坏和梁柱节点位置开裂,如图1所示。

　　 如何合理解决超深地下结构的抗浮破坏问题是设计人员面临的严重挑战。本文基于对抗浮设计重难点的归纳总结,依托广州某超深地铁车站工程,开展地下结构抗浮设计的研究及方案比选分析,提出一种改进的组合抗浮法以实现超深地下工程安全可控和经济合理的平衡。

　　 超深地下结构抗浮设计涉及内容众多,主要包括:1)抗浮设防水位确定;2)抗浮稳定验算方法;3)结构水浮力计算;4)结构侧壁摩阻力的考虑;5)抗浮设计措施。

　　 抗浮设防水位的确定是地下结构抗浮设计的首要问题,然而准确确定抗浮水位并不容易,不同规范也存在差异:1)《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069—2002) ^[2]第4.3.3条第4款指出,浮托力标准值应按最高水位确定。2)《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31—2016) ^[3](简称广东省地基基础规范)第4.3.11条规定:抗浮设防水位宜取地下室自施工期间到全使用寿命期间可能遇到的最高水位;只考虑施工期间的抗浮设计时,抗浮设防水位可按勘察时实测的场地最高水位并考虑雨季地下水位变化后确定。

　　 李国胜 ^[4]指出设计中应根据当地的实际情况确定抗浮水位;郑伟国 ^[5]提出把地下室入口的地面标高作为极限水位对结构进行极限分析。

　　 综上可知,就目前研究来看,在缺乏相关资料的情况下,设计人员出于保守考虑,取设计使用年限内的最高水位作为抗浮设防水位是合理的。

　　 《建筑工程抗浮设计规程》(DBJ/T 15-125—2017) ^[6]第5.1.2条规定:结构的每一个抗浮单元按下式进行抗浮稳定性验算:

　　 $F{}_{W{}_{\text{k}}}\le \frac{W}{\gamma {}_0{\rm K}{}_{W{}_1}}(1)$

　　 式中:W为自重及上部荷载的总和;K_W1为抗浮安全系数;F_Wk为水浮力值;γ₀为结构重要系数,以自重抗浮的单独地下室宜按一级取值(一级取1.1;二级取1.0)。

　　 关于超深地下结构抗浮安全系数的取值,目前尚无统一规定,宜参照类似工程,根据各地的工程实践经验确定,表1给出了国内部分城市地铁设计采用的抗浮安全系数。

　　 (1)《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T72—2017) ^[7]第8.6.5条规定:地下室在稳定地下水位作用下所受的浮力应按静水压力计算。临时高水位作用下所受的浮力,在黏性土地基中可以根据当地经验适当折减。

　　 (2)广东省地基基础规范第5.1.4条规定:除有可靠的长期控制地下水的措施外,不应对地下水水头进行折减。

　　 (3)宋林辉等 ^[8]模拟了黏土层上的深基础,对比了实测水浮力与理论水浮力,得到了水压力折减系数为0.65左右;张第轩等 ^[9]指出砂土和黏土地基中水浮力均不可折减。

　　 由上述成果可知,不同地基环境中,结构所受水浮力作用是不一样的。

　　 目前关于是否考虑结构侧壁摩阻力作用的问题:《地铁设计规范》(GB 50157—2013) ^[10]中规定“抗浮力一般有隧道自重、隧道内部静荷载及隧道上部的有效静荷载,也可考虑侧壁与地层之间的摩擦力”;上海地铁抗浮设计时考虑了侧壁摩阻力的影响,但侧壁摩阻力取值很小;广东省地基基础规范规定“不宜考虑地下室侧壁及底板结构与岩土接触面的摩擦作用和黏滞作用”。

　　 尽管侧壁摩阻力考虑不足将使得结构抗浮设计偏于保守,但限于其取值建议不明确,目前工程设计中多选择忽略侧壁摩阻力。

　　 当前较常用的抗浮措施可分为如下2类:1)一类是以增加结构抗力为特点,即以“抗”为主的方法,如设置抗拔锚杆(桩)及压重抗浮等方法。此类方法应用广泛,较成熟,是当前主流方法,但其工程成本高,工期长,且地下结构的深度和广度愈大,缺陷越显著。2)另一类是以“泄排”为主的主动泄排水减压抗浮方法 ^[11,12]。该类方法的核心是通过泄排水降低水位,减小作用在结构底板上的水荷载。水位的降低可通过疏水层、排水盲沟、减压井、排水廊道等实现。需要指出的是,排水减压结构的可靠性、耐久性或可维修性仍有待提高,且后期维护成本也较高。

　　 通过对上述5个地下结构抗浮设计重难点的梳理,为确保超深地下工程施工安全,建议采用抗浮设计水位取最高水位、水浮力不折减、适当考虑侧壁摩阻力、抗浮安全系数取上限等保守设计。

　　 广州某地铁车站位于广州珠江和海珠涌交界口,沿滨江东路敷设,与规划某地铁线路换乘。西北侧紧邻海珠半岛住宅小区,东南侧为广州海上打捞局办公楼、宿舍及珠江泳场公交站场。地下车站总建筑面积25 423m²,采用明暗挖铺盖法施工,总长159m,宽23.3m,地下五层换乘位置处的深度达46.5m。

　　 根据钻孔揭露,场地范围内地表浅层主要为人工填土、淤泥质土、残积粉质黏土等,地表以下10.0m开始进入粉砂质泥岩,局部夹杂全强风化粉砂质泥岩,基底以下基本处于微风化粉砂质泥岩,如图2所示。

　　 地下结构应按最不利荷载情况进行抗浮稳定验算,包括局部抗浮和整体抗浮验算。当结构自身不满足抗浮要求时,应增加额外的结构抗浮措施并验算,需要说明的是,本文将压顶梁作为车站的常用抗浮构件,按式(2)开展抗浮稳定性验算:

　　 $W/F\ge {\rm K}\text{或}(W+R)/F\ge {\rm K}(2)$

　　 式中:W为结构自重;F为水浮力;R为抗浮措施提供的抗浮力;K为抗浮安全系数,不考虑侧壁摩阻力时,K取1.05,考虑侧壁摩阻力时,K取1.15。

　　 抗浮验算过程中,结构依靠自身重力或围护体系的侧壁摩阻力抵消部分水浮力来解决抗浮,但围护体系实际提供的抗力值取决于围护结构抗力和压顶梁抗剪力的较小值。考虑侧壁摩阻力的整体抗浮验算中,受力模式为:覆土重+结构自重+min(围护结构自重+侧壁摩阻力,压顶梁抗剪力)≥水浮力×抗浮安全系数,如图3所示。

　　 覆土自重314 093kN,各层板总自重526 195kN,各侧墙总自重362 183kN,各梁柱总自重78 950kN,各装修及构件总自重39 955kN,回填素混凝土自重34 450kN;以上共计1 355 826kN。

　　 根据防洪评估报告,取历史最高水位46.54m作为抗浮水位,水浮力为2 141 800kN。

　　 截面尺寸为1 000mm×1 500mm压顶梁可提供的抗剪力V=491 105kN。

　　 利用连续墙和抗拔桩的相似性,借鉴抗拔桩的抗拔力计算方式 ^[13],确定围护结构的侧壁摩阻力为1 577 370kN。

　　 表2给出了整体抗浮验算结果,可以看出,仅依靠结构自重时,车站结构的整体抗浮安全系数K为0.63,小于1.05;考虑围护结构的侧壁摩阻力,抗浮安全系数K也仅为0.86,即依靠结构自身和压顶梁不足以抵消地下水浮力,需增加额外的抗浮措施来提供616 140kN的抗浮力。

　　 针对局部整体抗浮稳定性验算,仅选取最深地下五层范围一延米地下结构开展分析。表3给出了验算结果,分析发现,仅依靠结构自身和压顶梁亦不满足局部整体抗浮稳定性验算要求。

　　 通过上述结构自身抗浮验算发现,对于超深地下车站,围护体系所能提供的抗浮力往往受限于压顶梁的抗剪能力,且当压顶梁处剪切力足够大时,围护体系上部受拉严重,配筋率大,裂缝难于控制,不利于耐久性设计。因此,对于超深地下工程,应增加有效措施以减弱常规设计中围护体系内的拉应力和结构所受水浮力,并充分利用围护结构自身提供的抗浮力。

　　 为解决该超深地铁车站的抗浮问题,采用7种抗浮方案进行比选,详见表4,其中方案一、二旨在发挥围护结构自身的结构能力。此外,结构自身局部整体抗浮稳定性验算比整体抗浮稳定性验算更不利,故后续均选取地下五层范围一延米结构开展抗浮设计比选。

　　 在压顶梁的基础上,增加尺寸为800mm×1 000mm抗浮齿槽 ^[14]以连接围护结构与主体结构,提高结构抗力。其受力模式为:覆土重+结构自重+min(围护结构自重+侧壁摩阻力,压顶梁抗剪力+抗浮齿槽抗剪力)≥水浮力×抗浮安全系数。

　　 由表5可知,为达到抗浮要求(即K≥1.15),额外增加的措施需要提供7 520kN的抗浮力,4排抗浮齿槽提供的抗浮力为8 800kN,即采用4排抗浮齿槽配合压顶梁可解决抗浮问题,同时也能减弱围护体系内的拉应力。但是,该方案存在预留钢筋接驳器难度大、渗漏水腐蚀钢筋而降低结构耐久性、防水性差等问题。

　　 采用叠合墙使围护结构作为主体结构的一部分,参与永久工作,提高围护结构侧壁摩阻力的利用率 ^[15]。需要注意的是该方案中不设置压顶梁,其受力模式为:覆土重+结构自重+min(围护结构自重+侧壁摩阻力,叠合墙抗剪力)≥水浮力×抗浮安全系数。同理,计算需额外提供的抗浮力为9 835kN,保证叠合墙间足够的抗剪能力,即可充分利用围护体系的侧壁摩阻力以解决抗浮问题,但该方案存在与抗浮齿槽同样的耐久性、防水性差等问题。

　　 在底板施作抗拔锚杆以增大抗浮能力,抗拔锚杆设计参数:直径d=21.6mm、长度l=20m的七股钢绞线,锚杆间距1.5m×1.5m,共1 140根。受力模式为:覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力+抗浮锚杆抗拔力≥水浮力×抗浮安全系数。需要注意的是,采用抗拔锚杆或抗拔桩作为额外措施时,应特别注意结构的局部稳定性,因为其常起控制作用。

　　 表6开展了底板1.5m×1.5m范围内的局部抗浮稳定性验算,可知,所给设计参数能满足局部抗浮稳定性要求。表7为结构的局部整体抗浮稳定性验算结果,可知,采用间距1.5m×1.5m的抗浮锚杆同样满足局部整体抗浮稳定性要求。

　　 抗拔锚杆施工简单、工艺成熟,但其不能较好地利用上部结构自重,同时对于设计使用年限为100年的地铁车站,锚杆的耐久性仍有待进一步研究。

　　 在墙柱下布置DN400微型劲性抗拔桩。受力模式为:覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力+微型劲性抗拔桩抗拔力≥水浮力×抗浮安全系数。分析发现,DN400微型劲性抗拔桩选取设计参数为桩长18m,间距1.2m×1.2m,共1 777根,单桩抗拔承载力750kN时,可确保结构满足局部和局部整体抗浮稳定要求。

　　 采用微型桩可减少底板厚度,但桩基较密,受力大,受群桩效应影响明显,桩长较长,不利于施工。

　　 在底板施作DN1200大直径抗拔桩,如图4所示。受力模式为:覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力+大直径抗拔桩抗拔力≥水浮力×抗浮安全系数。试算设计参数为:长度12m的DN1200大直径实桩144根,间距3.6m,单桩抗拔承载力为7 400kN。因采用抗拔锚杆或抗拔桩作为额外措施时,结构的局部稳定性常起控制作用,方案五和方案六仅提供局部抗浮稳定性验算结果。由表8可知,试算底板3.6m×4.0m范围内满足局部抗浮稳定性要求。

　　 在底板设置DN1200大直径抗拔桩,同时布置框架梁用于传递底板浮力,即底框梁+抗拔桩。受力模式为:覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力+抗拔桩抗拔力≥水浮力×抗浮安全系数。设计参数为:长度15m的DN1200实桩85根,间距7.2m,单桩抗拔承载力为9 800kN;两条底框梁尺寸为宽1.4m、高2m、长度分别为94.5m和108m。抗拔桩和框架梁布置如图5所示。

　　 由表9可知,试算底板3.6m×5.5m范围内满足局部抗浮稳定性要求。通过框架梁传递底板浮力,均匀分摊每延米的抗拔力,实现柱下与非柱下的力的传递,保证结构有较好的抗浮能力。

　　 方案一～方案六均采用以“抗”为主的传统思路开展试算设计,然而对于超深地下工程,其深度和广度均较大,成本较高。部分地下结构设计,通过疏水、泄水降低地下室抗浮水位,减少地下水对结构的影响,从而减少或取消抗拔锚杆、抗拔桩,减小桩基直径及桩配筋率或优化底板厚度和配筋,进而降低工程成本。因而,考虑将降(减)压的主动抗浮方法与以“抗”为主的被动措施结合,提出方案七:组合抗浮法(抗拔桩+降水泄压),以实现主、被动抗浮措施功能互补,降低成本的同时,确保工程安全和可靠度。

　　 《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定,考虑侧壁摩阻力时,抗浮安全系数应取1.15。基于确保工程安全的前提,考虑将“抗”的抗浮安全系数由1.15降至1.05,安全储备降低0.1;同时满足在“泄(减)压”降低设计水位后将整体抗浮安全系数提高至1.15。

　　 组合抗浮法受力模式分为两部分:1)覆土重+结构自重+压顶梁抗剪力+抗拔桩抗拔力≥水浮力×抗浮安全系数(大于1.00即可);2)泄排水作用下,抗浮设防水位降至目标控制水位。分析确定,被动措施的设计参数为:长度13m的DN1200实桩54根;两条底框梁尺寸为宽1.4m、高2m、长度分别为94.5m和108m。对比方案六,抗浮安全系数降低至1.05,抗拔桩数目可减少31根,且每根桩长可缩短2m。采用排水减压,目标控制水位为地表下15m处。

　　 泄排水设计思路:底板下铺设300mm厚的透水碎石疏水层,将底板下的渗水迅速导入排水廊道;碎石层与底板接触面间设置土工薄膜;在主体结构外侧与围护体系之间设置100mm厚的疏水板,并和排水廊道、碎石疏水层有效连通,设置排水盲沟和集水井,从而将水排出,如图6所示。底板下的微风化粉砂质泥岩透水性不强,且存在截水连续墙,日常泄排水量较小。

　　 需要特别说明的是,抗拔桩设计过程中,下列要素的选取均偏于保守:1)抗浮设防水位的选取;2)水浮力计算;3)侧壁摩阻力的选取;4)不计锚固岩体提供的抗拉力(图7)等。因此,综合来看,对于组合抗浮法,抗拔桩的抗浮安全系数降至1.05,也完全可以保证地下结构的抗浮稳定与安全。

　　 表10总结了7种抗浮设计方案的优缺点,并对其抗浮设计额外增加的工程成本进行了比较,可以看出,组合抗浮方案相比于抗拔锚杆方案,其安全性和耐久性更具优势;而对比抗拔桩方案,其额外成本可降低近550万,即组合抗浮设计法在保证工程安全的同时,还能较好地节约工程成本,实现主、被动抗浮措施的功能互补。

　　 (1)通过梳理地下结构抗浮设计的重难点,发现就目前的研究现状来看,开展抗浮设计措施的探索,其可操作性及效益是最显著的。其他关键设计点,可采用抗浮设计水位取实测最高水位、水浮力不折减、较少地考虑侧壁摩阻力、抗浮安全系数取上限等保守设计。

　　 (2)对于超深地下车站,围护体系所能提供的抗浮力往往受限于压顶梁的抗剪能力,且当压顶梁处抗剪力足够大时,围护体系上部受拉严重,配筋率大,裂缝难于控制,不利于耐久性设计。

　　 (3)结合主、被动抗浮措施的组合抗浮法,在保证工程安全的同时,还能控制成本,实现不同抗浮措施的功能互补,达到经济和安全的平衡,建议广泛推广。还可以考虑将更多抗浮措施配合使用。

　　 为更深层次地解决超深地下结构的抗浮难题,应完善现场地下水位的监测工作,开展孔隙水压的针对性监测,用于水浮力的折减;开展岩层的抗拉试验,为抗浮安全验算提供依据。结合现场监测数据,开展全方位的超深地下结构抗浮研究分析,为后续抗浮理论、抗浮设计等提供数据支撑。