周瑜
中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070
摘要：首先简要介绍地铁车站抗浮力产生原因，以及抗浮的重要性、必要性、然后解释地铁车站抗浮原理，再通过合理的设计，最后对车站采用正确的抗浮措施，达到车站抗浮目的，同时对各种措施进行简述，为地铁抗浮设计提供一些参考。
关键词：地铁车站，地下水，水浮力，抗浮措施
引言：
随着城市的发展，百年工程的地铁成为城市重要的交通工具之一，同时成为现代城市的一道风景，然而地铁的建设却受到地质水文的诸多不利影响，地下水对地铁车站产生的水浮力便是其中之一。
地铁车站上浮的原因是由于结构自重及上部覆土重量（抗浮力）小于水浮力所引起，一般在施工阶段，采用降水措施，使地下水水位保持坑底以下50mm左右，直至地铁结构施工完毕，顶板覆土完成后才停止降水。因此，施工阶段对结构无水浮力。
正常使用阶段，由于停止降水，地下水位恢复正常水位，在地下水位较高的地区，当车站结构自重（及上部覆土重量）平衡不了水浮力时，地下车站便产生上浮，导致结构变形破坏，与区间接口破坏，车站不能发挥正常功用，因此，水浮力已成为影响地铁建设严重问题。然而在实际工程中，在减弱地下水对结构产生浮力措施很少或代价太大，不宜采取。退而在增加抵抗水浮上实践出了许多措施和方法，以下简要介绍地铁抗浮设计及常用工程抗浮措施。
1.抗浮设计
由《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）5.4.3可得，对于简单的浮力作用情况，基础抗浮稳定性应符合下式要求：
Gk/Nw，k≥Kw
式中：Gk—建筑物自重及压重之和（kN）；
Nw，k—浮力作用值（kN）；
Kw—抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。
《地铁设计规范》（GB 50157-2013）11.6.1可得，地铁工程中，当考虑地层侧摩阻力时一般Kw取1.15。
1.1计算原则
水浮力计算是抗浮设计的基础，对地下工程而言，应合理确定地铁车站的设防水位。因此要求工程勘察单位提供用于计算地下水浮力的抗浮水位。它不是地铁车站所在位置的常年最高水位，也不是勘察期内的当前水位，而应综合分析历年水位地质资料，根据地铁车站重要性以及地铁车站建成后，地下水位变化的可能性而确定的抗浮设计的设防水位。
有关资料显示，地下水对结构的作用十分复杂，准确地确定地下水的水压力是非常困难的。而实际上在不同的地基环境中，地下水的水浮力是变化的。当地下地铁车站位于粉土、粘土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，地下水浮力计算可不折减，而位于节理裂隙不发育的岩石地基时，可对地下水水浮力予以折减，甚至在地铁车站底板与岩石地基紧密结合时，可不考虑浮力的作用。因此，在实际工程中，一般情况下，建议不考虑水浮力折减（作为工程抗浮的安全储备）。
1.2抗浮判定
在确定了地铁车站形式、尺寸、埋深等条件后，根据抗浮水位，分别计算工程抗浮力和水浮力，并判断是否需要采取抗浮措施，如需要采取抗浮措施，应结合地铁车站实际情况，采用适宜的抗浮措施。
2.措施简介
地铁车站常用抗浮措施有：配重、压顶梁、抗剪槎、压底梁、抗浮脚趾、抗拔桩等，具体特点可归纳为：
1)利用结构上部覆土增加抗浮力；
2)利用围护桩与周围土层的侧摩阻力，增加抗浮力；
3)利用上部覆土和侧摩阻力共同增加抗浮力；
2.1配重
一般采用增加车站结构顶板以上的覆土厚度的方法，来增加明挖车站结构的抗浮力，以达抗浮效果，常用形式有2种，形式一，降低车站结构顶板标高；形式二，增加车站顶板地面覆土。如图所示：
图2.1-1 配重
它是地铁抗浮常用，直接、有效的措施，抗浮效果好。
形式一，由于直接受工程造价等因素制约，结构埋深调整有限，适用性受限，经常结合其它方式使用。
形式二，主要用于地面为既有或规划的绿化区域，如市政公园，花台等场地，适用性受限，由于增加了覆土，对后期市政工程较为有利。
2.2压顶梁
采用钢筋混凝土或混凝土浇筑，增强车站结构整体抗浮而锚固于围护桩顶部的构件。常用有2种形式，形式一，在围护桩上植筋（或预埋钢筋），浇筑成钢筋混凝土梁，形成压顶结构；形式二，桩顶冠梁外扩，车站结构与冠梁间采用微膨胀混凝土填充，形成压顶结构。如图所示：
图2.2-1压顶梁
抗浮原理是利用围护桩自重及与周围土体产生的侧摩阻力，抵抗水对结构产生的浮力，从而达到车站结构抗浮作用。
其主要适用于桩基坑，抗浮效果较好，施工较为方便，节约工期，较经济实用；基坑开挖量、回填量较小、变形小、对周围既有建筑物较小；但围护桩成为永久结构，其桩材料要求较高。
形式一，由于压顶梁以上部分围护结构凿除，压顶结构较小，费用少，对后期市政工程管线路由影响较小，实际工程采用较多，适用较广。
形式二，由于压顶梁以上冠梁部分凿除，压顶梁离地面较近，对后期市政工程管线路由影响较大，所以实际工程较少采用。
2.3抗剪槎
增强车站结构整体抗浮而设置于主体结构上的外凸的钢筋混凝土构件。常用有2种形式，形式一，围护桩或冠梁结构预留凹槽，车站侧墙结构局部凸出；形式二，桩顶冠梁外扩，车站侧墙结构分段加厚。如图所示：
图2.3-1 抗剪槎
抗浮原理与压顶梁相同，均为利用桩的侧摩阻力和结构自重，抵抗水对结构产生的浮力。
其主要适用于半桩的桩基坑，抗浮效果较好，但围护桩成为永久结构，其桩材料要求较高；由于抗浮结构埋深大，对后期的市政管线影响小。
形式一，抗剪槎处，钢筋绑扎较困难，且混凝土浇筑质量难以保证，防水铺设困难，所以实际工程中采用很少。
形式二，由于侧墙加厚，导致工程钢筋混凝土量增加较多，工程费用增加较多，且突变处混凝土浇筑质量难以保证，防水铺设困难，因此工程中采用很少。
2.4压底梁
采用钢筋混凝土或混凝土浇筑，增强车明挖站结构整体抗浮而锚固于围护桩底部的构件。如图所示：
图2.4-1压底梁
抗浮原理与压顶梁相同。
其主要适用于桩基坑，抗浮效果较好，压底梁抗浮结构的基坑变形小，对周围既有建构筑物影响较小；压底梁离地面远，对后期市政工程管线路由影响较小。
形式一，但由于基底与围护桩之间空隙狭小，施工场地有限，压底梁植筋较为困难，压底梁质量难以保证，其次围护桩成为永久结构，其材料要求较高；
形式二，在围护桩底部开槽（或预留凹槽），削弱了围护结构的强度，对围护结构不利，压底梁质量均难以保证，所以实际工程很少采用。
2.5抗浮脚趾
常用做法为将底板结构外伸一部分（像脚趾）。
抗浮原理是利用底板结构外扩脚趾上部回填物的自重，抵抗水对结构产生的浮力，从而达到抗浮效果。如图所示：
图2.5-1抗浮脚趾
其主要适用于放坡基坑，施工较为简单、方便，抗浮效果一般；由于底板结构外扩，导致土方开挖量、回填量较大，对周围既有建筑物和管线产生较大影响。仅场地较适合空旷的站位；由于抗浮脚趾离地面远，不会影响后期市政工程管线路由，实际工程中采用较少。
2.6抗拔桩
采用钢筋混凝土浇筑，增强车站结构整体抗浮而锚固于车站结构底部的构件。桩常用有2种形式，形式一：采用人工挖孔桩，其端部扩大；形式二：采用机械钻孔桩，桩径一致。如图所示：
图2.6-1抗拔桩
抗浮原理是利用围护桩自重及桩与土层的侧摩阻力共同抵抗水对结构产生的浮力，一般地铁基坑皆适用，抗浮效果较好。
形式一，人工挖孔型桩，由于是从基坑底部开始施工，施工速度较慢，且人员安全难以保障等因素，逐渐被禁止。
形式二，钻孔型桩，通常为保证工期，一般情况从地面钻至设计标高，钻孔较深，由于桩与结构底板锚固处，结构防水施工困难，同时与主体结构为永久结构，其材料要求较高，节点处理较为复杂。由于埋深大，不会影响地面后期市政工程管线路由，实际工程中采用较多。
结论
地铁车站抗浮是一个综合性很强问题，涉及到的内容多而复杂，然而地铁结构由于地下工程庞大，使用年限长，同时也兼顾人防工程，导致车站重要性大，投资也很高，因此，无论是从技术还是从经济的角度上讲，都需要我们深入地研究结构、地下水与二者之间的相互作用机理，再结合地铁车站自身实际情况，因地制宜地采取合适而又经济可行的抗浮措施，保证地铁车站结构抗浮性能，以保障地铁车站长期安全运营，做到技术与经济同步、安全与适用协调。
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[4]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].
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[6]GB 50010-2010（2015版），混凝土结构设计规范[S]..
论文作者:周瑜
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第22期
论文发表时间:2018/2/26
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