城市地下隧道抗浮设计与分析

DOI:10.16799/j.cnki.csdqyfh.2019.05.081

城市道桥与防洪

2019年5月第5期

城市地下隧道抗浮设计与分析

周倩茹

广东深圳518003）（深圳市综合交通设计研究院，

摘

然后从理论依据中总结抗浮验算的步骤，最后要：首先从抗浮计算理论的角度分析了地下隧道抗浮验算的理论依据，

为相关城市地下隧道抗浮稳定性验算结合深圳市南山区桂庙路隧道抗浮验算的实例，得到实际工程中常用的计算方法，提供相应的参考。

抗浮；抗浮桩关键词：地下隧道；地下载荷；中图分类号：U452

文献标志码：B

文章编号：1009-7716（2019）05-0298-03

0引言

城市上部近年来，随着城市建设的快速发展，

空间已经被过度利用，工程建设逐步转向地下空间结构的开发，很多专家技术人员开始将目光转向城市地下通道的建设。通过建设城市地下通道，可有效缓解或者从根本上解决人口增长对城市环

修建各种城市隧道和地下境的压力和威胁。因此，

构筑物在世界各国呈现急剧增长的趋势。随着项目规模的增加，地下隧道结构高度及开挖深度也在逐步增加，对隧道抗浮稳定性要求增加的同时，抗浮措施的安全性面临着巨大的考验。本文结合

研究抗浮验算方法，为具体的工程抗浮计算实例，

城市地下隧道抗浮稳定性验算提供相应的参考。

1理论依据

关于地下隧道结构的抗浮计算，从理论上需要分析结构所受到的荷载及抗力。文献[1]中将地下结构荷载分类如下：地下建筑结构荷载分为静

其中静荷载主要指结构荷载、活荷载和特定荷载，

的自重土压力和地下水压力；活荷载包含施工活荷载和使用期间的人群、车辆设备等荷载；特定荷载包括外界作用在顶板、底板及侧墙的荷载等。

计算抗浮稳定性时，考虑底板所受到的水浮力作为不利因素，即为结构受到的外荷载；自重、

收稿日期：2018-12-29

（1989—）从事桥隧作者简介：周倩茹，女，硕士，工程师，

设计工作。

上覆土重量等作为结构受力的有利因素，即为抗力。此外，结构受到的水浮力应等于隧道结构在计

为防止结构在地算水位以下排开水的重量。因此，

下水位较高时浮起，在设计完成后需要分工况按照下式进行抗浮验算。

渊1冤K=Qg≥1.10

Qf式中：K为抗浮安全系数；Qg为结构自重、设备及上部覆土重量之和，但对箱体施工完毕后工况仅考虑结构自重，kN；Qf为结构受到的水浮力，kN。

计算地下结构上部覆土压力时，需将结构范围内顶板以上各层土体重量相加除以顶板面积。需要注意的是，位于地下水位以下的土体重度需要采用浮重度。

规范中关于抗浮计算的内容也有提及，依据《道路隧道设计规范》（DG/TJ08-2033—2008）第8.5.2条规定，隧道结构施工期间与使用阶段的抗浮条件验算应符合下式规定：

Ff≤Ws+Wa酌s酌fFf≤酌窑窑V渊2冤b酌w式中：Ff为浮力设计值，kN；酌b为浮力作用分项系

取1.0；数，酌w为水的重度，kN/m3,可按10kN/m3采用；V为结构排开水的体积，m3；Ws为结构自重标准值，kN；酌s为自重抗浮分项系数，施工阶段取1.1，使用阶段取1.2；Wa为隧道上覆土层的有效压重标准值，kN；酌f为有效压重抗浮分项系数，施工阶段取1.1，使用阶段取1.2。

2019年5月第5期

城市道桥与防洪

相关专业299综合《道路隧道设计规范》（DG/TJ08-2033—2008）第8.5.2条式（8.5.2-1）、式（8.5.2-2），《公路

水下隧道设计规范》（报批稿）第6.4.11条、

第6.4.12条及《公路隧道设计手册》[2]中587页“隧道抗浮计算”内容，抗浮验算应满足下列公式的要求。

酌sG自+酌aG覆≥酌fF浮，FG浮=酌水V，

自=酌混凝土×V混凝土G覆=（酌土-酌水）×（[H+R）×D-π×R22]（3）

式中：F浮为浮力标准值，

kN/m；G自为隧道结构自重标准值，kN/m；G覆为隧道上覆土层的有效压重标准值，kN/m；酌自重分项系数，f为浮力分项系数；酌取1.0；酌s为隧道结构；V为计算a为隧道上覆土层重量分项系数，取1.0水位以下隧道结构封闭外轮廓，即隧道排水体积，m3/m；酌水为水的重度，kN/m3，取值10.0；酌混凝土为管片衬砌及内部结构重度，kN/m3，取值25.0；酌土为上覆土体重度，kN/m3，取值19.0；H为管片衬砌顶覆土厚度，m。

为满足隧道抗浮安全要求，施工阶段抗浮安

全系数酌f≥1.1，

使用阶段抗浮安全系数酌结构满足上述验算公式时，使用阶段覆土f≥1.2。当厚度可满足抗浮要求。

综上所述，理论上关于抗浮计算的规定基本是相通的，实际计算中要根据具体项目采用较为简便的方法来验算。本文将以实际工程中抗浮计算为例，阐述如何进行地下结构的抗浮验算。

2工程概况

深圳市南山区桂庙路快速化改造工程全长

5.44km，主路采用隧道下穿前海规划振海路后爬

起，与月亮湾大道近期平交（远期为互通式立交），

再采用隧道连续下穿前海路、

南新路、南山大道、南海大道，西行隧道进口设在南海大道处，东行隧道出口设在后海滨路处。

主线地下结构单洞闭合框架总长度6057m，U型槽1067m。基坑明挖支护段总长度4570m，其中位于城市中心区长度3660m。桂庙路部分路段需与地铁11号线共建，共建总长度达到了2023m。

3抗浮分析

在本工程的抗浮验算中，U型槽敞开段抗浮验

算亦是重点。主线U型槽依靠本身结构自重无法满足抗浮要求时，主要通过设置抗浮桩使得验算

通过。本工程抗浮安全系数参考上述理论依据取

1.1，下文以U型槽使用阶段抗浮验算为例，具体阐述主线U型槽抗浮计算过程。主线U型槽标准断面图见图1。

图1主线U型槽标准断面图（单位:cm）

出于安全考虑，将隧道的抗浮计算水位定为

地表，根据总体设计图纸及U型槽外形各参数，

各U型槽分段抗浮计算结果见表1。

表1主线左行（短隧）K4+190～K4+350抗浮计算结果汇总表

U型槽分段

编号

参数

B1

B2B3B41分段长度L/m404040402宽度D/m19.719.719.519.53平均侧墙高

（h=H+1.3）/m8.39556.79605.10403.52504

侧墙b×重25（）2/kN×h×461.752373.780255.200176.2505底板重（底宽×厚×25）/kN492.5492.5487.5487.56

加腋处重（面积×25×2）/kN

150

1501501507覆土重（总重）/kN15314.015314.015116.415116.48此段总重

（4+5+6+7）/kN59484.155965.250824.447666.49水浮力（乘以1.1）/kN84080.2

70215.7

55012.4

41464.610

差值（8-9）/kN

-24596.1-14250.5-4188.0

6201.8

表1中：（1）覆土总重=（底板宽度-2×侧墙宽度b-两侧检修道宽度2）×U型槽内覆土计算厚度1.3×U型槽分段宽度D×土重度19.0；（2）水浮力=（底板宽度×（侧墙平均高+底板厚度1）+加腋面积）×U型槽分段长度×水重度10.0×安全系数1.1；（3）差值=结构总重+覆土总重-浮力总重；负值需要设置抗浮桩。

从表1可知，U型槽段B1～B3差值均为负

300相关专业

城市道桥与防洪

2019年5月第5期

值，需要设置抗浮桩。而B4段差值为正值，

不需要设置抗浮桩。

目前隧道敞开段抗浮结合结构方案主要有两

种做法，一是采用钢筋混凝土U型槽结构，

设置抗浮桩，或者采用翼缘板自重抗浮等；

二是采用悬臂式挡墙或自重式挡墙，在路面层下方设置反滤层、盲沟等措施排水。由于抗浮桩加U型槽这种结构

形式具有防水性能好、耐久性好、

养护工作量小等优点，所以一般均作为高等级道路的推荐方案形式。

4抗浮桩设计及优化

抗浮桩的抗浮力，主要从两方面来考虑，

一是根据地勘结果得出的抗浮桩周身土对抗浮桩的相互作用所产生的轴向拉力，二是抗浮桩本身的自重，二者结合共同提供抗浮力。

首先，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63—2007）第5.3.8条，桩基轴向受拉承载力Rt容许值可按下式计算(不考虑桩端承力）：

n

[Rt]=0.3u移i=1

ailiqik（4）式中：qik为桩侧土摩阻力标准值,kPa；u为桩身周长,m；li为各分土层厚度,m；ai为桩体对各土层桩

侧摩阻力影响系数，

且钻孔桩为1。《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）

第5.4.6条第二款中也有关于基桩抗浮极限承载力标准值的公式：

Tuk=∑姿iqsikUili（5）式中：姿i根据土体的分类取值为0.5～0.8。

根据上述规范，考虑到实际项目中地勘资料也存在一定的误差，在实际工程中偏保守考虑将抗浮系数取为0.3。此外，计算抗浮桩自重提供的抗力时，偏安全考虑应取桩基自重的一半。因此本工程最终每根桩基提供的抗浮力即为桩基轴向抗拉承载力容许值与桩基自身自重的一半之和。实际工程中抗浮桩按照横向7.95m间距、纵向8m梅花形布置设D100cm抗浮桩。

U型槽抗浮设计计算结果汇总表见表2。

由表2可知，采用常规抗浮桩设置方式，

能满足最不利状态下的抗浮需要，

安全可靠。要增加结构的抗浮承载力可考虑底板与侧墙相交处设置墙趾，但城市隧道工程往往会碰到不宜增大开挖面的情况，所以需要考虑其他方法。

在施工隧道时一般需要采用混凝土支护桩进行支护，所以，考虑结合支护桩进行抗浮设计,对支

表2U型槽抗浮设计计算结果汇总表计算项目U型槽分段

B1B2B3浮力/kN

-24596.1

-14250.5

-4188.0本段设置抗浮桩根数272715每根桩承受抗浮力/kN911.0527.8279.2桩长L（D=1.0）/m151010单桩抗浮力Rt/kN918.5612.3612.3考虑半根桩重/kN147.398.298.2每根桩实际抗浮力/kN1065.8710.5710.5差值（抗浮力-承受力）/kN

154.8

182.7

431.3

护桩总数量进行优化。

主线U型槽B1区抗浮与支护桩结合断面图见图2。由图2可见，利用支护桩冠梁与侧墙相结合，此时支护桩的一半自重及桩基侧摩阻力作为抗浮力考虑，这种方式可以减少抗浮桩的设置，达到经济的效果。

图2主线U型槽B1区抗浮与支护桩结合断面（单位：cm）

假定B1区支护桩桩长为15m，则通过地勘资料计算得到的单桩抗浮力考虑折减后约为160kN，支护桩纵向间距为2m，再考虑一半桩基重量

212.1kN。整个U型槽区间共40根支护桩，

提供的合计抗浮力约为14884kN，因此B1段可减少约

16根抗浮桩，经济性非常可观。值得注意的是，

若采用与支护桩冠梁结合来满足抗浮的方法，冠梁及支护桩的耐久性设计应与隧道主体结构一致。这种方法还具有不占用地范围，不需要增加开挖

面及支护面的优势，在实际项目中，

可以考虑用该方法与设置墙趾的方案进行比选，综合各方面因素因地制宜选取最优方案。

5结语

（1）在城市地下隧道敞口段一般设置U型槽结构，在依靠自身自重及隧道内填土重量无法满足抗浮设计要求时建议采用在底板设置抗浮桩进

2019年5月第5期

DOI:10.16799/j.cnki.csdqyfh.2019.05.082

城市道桥与防洪

相关专业301地下结构汽车荷载作用的取值分析研究

刘明涛许建宝，

天津市300074）（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，

摘

通过分要：通过分析不同覆土条件下汽车荷载产生的竖向作用力，明确了地下结构汽车荷载的等效作用力计算方法；对作用于地下挡土结构的汽车荷载取值进行了探讨。析汽车荷载对地下挡土结构产生水平向作用力的机理，水平向作用力关键词：地下结构；汽车荷载；竖向作用力；中图分类号：U461.5+1

文献标志码：B

文章编号：1009-7716（2019）05-0301-04

0引言

随着我国经济的蓬勃发展，城市化和工业化

必须完成从重量到重质的转变。对于结构工程中

与发的荷载取值，我国由于受限于经济发展水平，

达国家还有一定的差距，这在地下结构工程中表现得更加明显。汽车荷载作为作用于地下结构的

其取值重要荷载之一，由于没有明确的规范规定，

这的精确性在结构工程设计中往往容易被忽视，

对于地下结构工程是非常不利的。

地下结构的种类很多，在民用建筑和商业建筑中多作为地下室或地下车库出现，在工业建筑

还有一部中多表现为地下管涵、水池等封闭结构，

分地下结构则是地下挡土结构，多为挡土墙或临时性的支护结构。梁西建等[1]通过对比车辆荷载不

提出采用现行《城市桥梁同的等效荷载计算方法，[2]（CJJ11—2011）进行荷载简化计算的设计规范》

收稿日期：2019-01-06

作者简介：许建宝（1990—），男，硕士，助理工程师，从事结构及岩土工程的设计研究工作。

方法较为安全；陈连海[3]依据汽车荷载的扩散原理，分析了汽车荷载在不同覆土条件下不同车道

唐丽云等[4]对车辆荷载对基坑数的最大等效荷载；

支护结构的影响进行了分析，提出了考虑破裂棱体破裂角变化的等效代换土层厚度法；刘素锦等[5]采用等效均厚土层和集中荷载两种方法，衡量了基坑周围车辆荷载对基坑稳定的影响。大量研究

覆土厚成果表明[6-8]：汽车荷载的等效计算方法、

度、结构尺寸等因素对汽车荷载作用具有显著影

在汽车荷载取值时响。正是由于这些因素的影响，

应根据具体过程进行具体分析。本文通过分析不同覆土条件下汽车荷载产生的竖向作用力，明确

并了地下结构汽车荷载的等效作用力计算方法，

分析了汽车荷载对地下挡土结构产生水平向作用力的机理，同时对作用于地下挡土结构的汽车荷载取值进行了探讨。

1汽车荷载产生的竖向作用力

1.1两种汽车荷载介绍

目前地下结构汽车荷载的取值多参考《公路位。

（4）在支护条件允许的情况下考虑经济性因

将支护桩、冠梁及素，可对抗浮桩数量进行优化，

侧墙三者结合起来进行抗浮设计。

参考文献：

[1]刘增荣.地下结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2011.郭晓红.公路隧道设计手册[M].北京:人民交通出版社，[2]廖朝华，

2012.

行抗浮设计。

（2）偏安全考虑，抗浮设计水位一般取至地表。

选择合理（3）在设计过程中应结合实际条件，

的计算参数，比如在本工程中，抗浮桩抗浮系数取0.3，抗浮桩的自重作为抗力时取一半来考虑。实际工程中如有可靠的实测数据或地勘资料可适当修改抗浮系数，提高抗浮桩设置的经济性。设计院在设计中应明确单桩抗浮承载力并提交给施工单

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Keywords:pipe-jackingworkingshaft,buttresscolumn,constructionsupportingbeam,underpinning,finiteelementanalysis

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