２００９年１０月第１０期（总１３３）
铁道工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＩＬＷＡＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＯＣＩＩｊＩＹ
Ｏｃｔ２００９
ＮＯ．１０（Ｓｅｔ．１３３）
文章编号：１００６—２１０６（２００９）１０一００６４—０５
狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计・
阳
芳¨
武汉４３００６３）
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，
摘要：研究目的：广深港客运专线狮子洋隧道是我国第一条水下铁路隧道，也是世界上行车速度目标值最高的水下隧道。本文结合广深港客运专线狮子洋隧道，阐述明挖隧道结构抗浮设计中存在的一些问题，通过分析与计算，提出明挖隧道结构设计中可采取的抗浮水位、浮力、抗浮力建议值和抗拔桩的配筋量，可为类似工程抗拔桩设计提供借鉴。
研究结论：目前由于抗浮水位的选取没有统一标准，既有浮力计算理论不考虑结构所处地层的渗透特性，导致抗浮设计结果与实际情况有一定偏差。通过分析与计算提出：当抗拔桩桩长大于１０ｍ时，采用分段方式配筋，以节约成本；在抗拔桩设计时应同时考虑其作为承压桩的可能性，并验算抗拔桩的设置对隧道结构内力的影响。
关键词：水底隧道；敞开段；抗浮；抗拔桩中图分类号：Ｕ４５２．２＋５
文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＯｐｅｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｈｉｚｉｙａｎｇＴｕｎｎｅｌｆｏｒＦｌｏａｔ－—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＹＡＮＧＦａｎｇ
（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｕｒｐｏｓｅｓ：ＴｈｅＳｈｉｚｉｙａｎｇＴｕｎｎｅｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕ—－Ｓｈｅｎｚｈｅｎ——ＨｏｎｇｋｏｎｇＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄＬｉｎｅｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｉｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ—ｓｐｅｅｄ
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ｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｉｎｔｈｉｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｕｎｎｅｌ；ｏｐｅｎｓｅｃｔｉｏｎ；ｆｌｏａｔ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ；ｕｐｌｉｆｔｐｉｌｅ
随着水底隧道设计与施工技术的成熟，水底隧道作为继桥梁之后一种新的高效的越江交通方式越来越
受到人们的欢迎。目前国内已竣工和正在建设的下穿长江的有武汉、南京、上海水底交通隧道；下穿钱塘江
・收稿日期：２００９—０５—１９
・・作者简介：阳芳，１９７９年出生，女，工程师。
第１０期阳芳：狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计
６５
的庆春路、钱江隧道；下穿珠江的狮子洋隧道；下穿浏阳河的公路和铁路隧道；下穿黄浦江的隧道多达十几条。水底隧道丰富了过江交通方式，开创了江上架桥、江面行船、江底通隧的交通新格局。
水底隧道与两岸地面一般采用一定坡度的暗埋段和敞开段进行连接。明挖结构距江河较近，丰水期地下水位较高，甚至可能发生内涝，故水底隧道的抗浮设计十分关键。敞开段和覆土较浅的暗埋段结构抗浮不满足要求时，根据具体工程需采取临时或永久性的抗浮措施。本文结合广深港客运专线狮子洋隧道，就明挖隧道结构抗浮设计中存在的一些问题进行探讨。
运营期隧道抗浮设计原则是抗浮稳定安全系数，不
考虑摩阻力时不小于１．１，考虑摩阻力时不小于１．２。
２敞开段抗浮设计
敞开段结构不存在覆土，因而抗浮问题尤为突出。本文以隧道出口第１５节为例探讨敞开段的抗浮设计。该节里程ＤＩＫ４３＋６５０一＋６８０，长３０ｍ。结构横断面如图１所示。地层情况经地质钻探自上而下揭示为表１所示。结构底板位于淤泥层，基底承载力不满足要求，基坑施工前采用４，８００旋喷桩加固淤泥层。
内涝水位３．０ｍ
２．璺！塑望
，，。广一、
１工程概况
狮子洋隧道位于珠江三角洲平原地区，穿越珠江人海口的狮子洋，水面宽６盾构段长９
３４０
１００
地面标高１．２
ｒ－＼
睦
ｌ裹
ｍ，全长ｌＯ．８ｋｍ，其中
测轨顶面
、稚｛≥
ｊ
ｉ内轨硎面
！、±Ｏ．００
ｍ。该隧道是我国第一条水下铁路隧
Ｉ
ｌ±０．ｏｏ，！矗
道，设计车速为３５０ｋｍ／ｈ，是世界上行车速度目标值最高的水下隧道，也是广深港客运专线控制性工程。
隧道引道敞开段围护结构采用钢板桩，在底板结
图１结构横断面图（单位：ｌｂ．．Ｉｎ）
表１地层参数表（钻孔编号：Ｊｚ一１１１０５一隧莞岸７７）
岩土分层
（１）
构下设置４，８００抗拔桩进行抗浮。
岩土名称人工填土淤泥粉质粘土粉细砂层全风化岩石强风化岩石弱风化岩石
时代成因状态松散
流塑
天然重度ｙ
／（ｋＮ・ｍ。３）
１８．０１５．６１９．４１９．０２０．３２２．０２６．Ｏ
层厚／ｈ
Ｏ．７５．７５．４０．９２．１１０．８５．８
桩极限侧摩阻力桩极限端阻力渗透系数标准值ｑ．ｋ／ｋＰａ标准值ｑｐｋ／ｋＰａ／（ｍ・ｄ。１）
Ｑ掣
Ｑ？。
（２）２（３）１（３）３
（５）１
１０４０２０８０１００５００
１２００ｌ６００４０００
０．０００ｌＯ．００３２
５ｌ１．２
Ｑ；Ｑ；
Ｋｌｂ
硬塑松散坚硬土状碎块状柱状、块状
（５）２
（５）３
２．１抗浮水位选取
地下结构抗浮水位没有统一的规定，其选取存在较大的随意性，故导致计算结果存在一定的差异。该问题已引起有关学者的重视，在文献［１］、［２］、［３］、［１０］中均对地下结构抗浮设计水位进行了合理的阐述，但实际操作仍十分困难。合理的抗浮水位需要对长期水位观测数据进行系统分析，在主体结构设计使用年限内，选择一个合理的可靠度指标，使结构上浮概率满足设计要求，在此基础上确定抗浮水位。
高出该水位０．５ｍ设计。２．２浮力计算
ＤＩＫ４３＋６５０处底板底标高一４．４０８，ＤＩＫ４３＋６８０处底板底标高一３．８０８，结构底板宽度１６．７４ｍ，根据阿基米德定律，浮力等于它所排开水的体积之重量，则其浮力Ｆ为：
Ｆ＝ｐｇｖ＝ｙ。移＝［２．４１一（一４．４０８）＋２．４１一（一３．８０８）］÷２×１０×１６．７４×３０＝３２
７３３．４ｋＮ
公式表明浮力大小与结构所处土层没有联系。由于地下结构与地基土直接接触，地层介质的渗透性将直接影响到其所受浮力的大小。假设地层渗透系数无限大，即结构泡在水中，可按阿基米德理论公式计算浮力；假设地层渗透系数为０，即地层完全不透水且与结构底板光滑接触，则结构浮力也为０。实际地层渗透
目前，设计抗浮水位一般依据勘察报告并结合各
地区工程经验确定。根据本工程岩土工程勘察报告，隧道出Ｅｌ段勘察期间地下水位标高一０．５９～０．８５
ｍ，
内涝水位标高２．４１ｍ。结合周边工程经验，经过比较选取内涝水位作为抗浮设计水位，敞开段结构侧墙按
铁道工程学报
２００９年１０月
性介于两者之间，可以认为地下水对地下结构的浮力比理论值小，但实际大小需进一步研究确定。当基底所处（２）２淤泥层作为隔水层，其上为潜水层，如图２所示。
线
ｙ．ｈ
图２浮力计算模型
根据文献［２］提供的浮力计算方法，其浮力Ｆ为：Ｆ＝１６．７４×３０（ｈｌ—ｈｉｄ／ｔ）ｙ。＝（２．８８—２．８８×
３．６４／５．７）×１０×１６．７４×３０＝５２２７．１ｋＮ
计算结果表明两者相差很大。２．３抗浮力计算
如果不采取抗浮措施，结构抗浮力主要由结构自重、覆土重、结构侧壁摩阻力组成。结构侧壁摩阻力一般作为安全储备。本工程结构为敞开段，不存在覆土，抗浮力由结构自重和轨下垫层组成。
结构自重Ｇ，为：
Ｇ１＝｛ｌ（０．４＋０．８）×（６．６０８＋６．００８）／２／２×
２］＋１６．７４ｘ０．８｝×３０×２５＝１５
７２１．２ｋＮ
轨下结构重Ｇ：为：Ｇ２＝（１０．０１２
８＋１０．３５７
９）／２
ｘ３０ｘ２３＝７０２７．９ｋＮ
抗浮力Ｇ为：
Ｇ＝ＧＩ＋Ｇ２＝２２７４９一ｋＮ‘
２．４抗拔桩计算
桩的抗拔侧阻力与抗压侧阻力是有区别的，随着上拔量的增加，桩的侧阻力会因土层松动及侧面积减少等原因而低于抗压侧阻力，文献［４］认为引起这一差异的主要原因在于桩周边土的剪胀性及主应力方向的旋转。文献［５］引入抗拔系数Ａ与勘察报告中提供的抗压侧阻力相乘得到抗拔侧阻力。抗拔侧阻力取决于桩周土层的力学性质，根据试验＂１抗拔系数灌注桩高于预制桩，长桩高于短桩，粘性土高于砂土。根据实际工程经验，砂性土抗拔系数Ａ＝０．５０—０．７０；粘性土抗拔系数Ａ＝０．７—０．８。
抗拔桩的破坏模式因桩距大小不同而呈现基桩分离的非整体拔出破坏和桩土呈整体拔出破坏，故规范∞ｏ规定了群桩效应系数。适当扩大抗拔桩的间距可使各抗拔桩的抗拔力得到充分发挥，抗拔桩宜选择
长型灌注桩，桩中心距宜大于６倍桩径。第１５节４，８００抗拔桩纵向间距５ｍ，横向均匀布置４根，横向间
距５．０７３－５．１５５ｍ，共布置抗拔桩２４根，如图３所示。
内
涝水位２．４１Ⅱ
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（３）
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＿２５１７ｎｌ
图３地质情况及抗拔桩布置图（单位：ｍｍ）
单根抗拔桩需提供的抗拔力Ⅳ。为：Ｎｋ＝（１．１×Ｆ－０．９×Ｇ）／２４＝６４７．２
ｋＮ
单桩竖向抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。如未进行上述实验，可根据岩土工程勘察报告按式（１）Ｍ１计算：
Ⅳｋ≤瓦ｋ／２＋Ｇ。
（１）其中：瓦ｋ＝∑Ａｉｑ；脯／Ｚｉｔ（２）
式中
九——基桩抗拔极限承载力标准值；Ｇ。——基桩自重，地下水位以下取浮容重；Ａｉ——桩侧第ｉ层土的抗拔系数；
９础——桩侧第ｉ层土的抗压极限侧摩阻力标
准值；
瓦——桩侧第ｉ层土的土层厚度。
试算取桩长１４ｍ，则气＝ｌ
０９４．２８ｋＮ；
Ｔｕｋ／２＋Ｇｐ＝６５２．６ｋＮ
Ｎｋ＜Ｌｋ／２＋Ｇ。，满足抗浮要求。
综上所述，第１５节采用２４根４，８００抗拔桩，桩长１４
ｍ，单桩抗拔承载力为６４７．２
ｋＮ。
２．５抗拔桩配筋
在抗拔桩设计中，配筋计算除了满足桩身抗拔承载力要求外，作为主体结构的一部分，为避免钢筋锈蚀影响抗拔桩的耐久性，还需验算正常使用极限状态下的裂缝宽度。
根据岩土工程勘察报告，地下水对混凝土结构有盐类结晶的弱侵蚀性。由工程所处环境类别和水土介
第１０期
阳芳：狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计
６７
质腐蚀性等级，按文献［５］确定桩身最大裂缝宽度为
０．２
ｍｍ，单桩抗拔承载力为６４７．２ｋＮ，主筋净保护层
厚度为５０ｍｍ。按轴心受拉构件裂缝开展宽度计算公式为：
一
』
∞一＝ｏｔｃ，ｌ少≯（１．９ｃ＋ｏ．０８》）（３）
“ｅ
Ｐ，ｅ
纵向受拉钢筋截面积取Ａ。＝３
９８０
ｍｍ２时，∞一＝０．１６５
ｍｍ，选配７ｑｂ２０＋７ｑｂｌ８，沿桩周均匀布置。
关于抗拔桩的配筋方式新旧规范表述有所不同，文
献［６］中表述为“专用抗拔桩应通长配筋”，而文献［５］
中表述为“抗拔桩应等截面或变截面通长配筋”。实际上，抗拨桩的桩顶荷载由桩侧摩阻力承担，其桩身轴力分布与桩周地质条件密切相关，桩侧摩阻力以剪力形式传递给桩周土体，其桩身荷载分布如图４所示∽］。一般桩顶轴力最大，桩端轴力最小，中部轴力介于两者之间。
（ａ）微单元（ｂ）抗拔桩
托’篇嬲
（ｄ）轴力分布曲线
图４抗拔桩竖向荷载传递
如果桩身通长按最大抗拔力作用下满足裂缝宽度要求的配筋量配置钢筋，将造成较大的浪费。因此对抗拔桩可以采取分段配筋的方式，在一定程度上减少配筋量，以节约成本。
第１５节抗拔桩桩长１４ｍ，拟采用两段式配筋，上部配置７ｑｂ２０＋７ｑｂｌ８，下部配置７‘ｋ２０，即桩身７ｑｂ２０通长配置，７ｃｋｌ８仅在桩顶￡，范围内配置。根据下部配筋量反算出满足裂缝宽度要求的轴力Ｎｏ＝３７５ｋＮ，桩顶Ｌ。的范围按式（４）和式（５）反算得出：
Ⅳｋ一％≤Ｌｋｌ／２＋Ｇ。ｌ
（４）‰ｌ＝∑ＡⅢｑ
ｋｕｊＺｉ
（５）
式中ｍ。
则：
Ｇ。。一。段基桩自重，试算取Ｌｌ＝８九，一。段抗拔极限承载力标准值；九ｌ＝４２９．８
ｋＮ
Ⅳｋ—Ｎｏ＝６４７．２—３７５＝２７２．２
ｋＮ
九ｌ／２＋Ｇ。Ｉ＝２７５．２
ｋＮ
计算表明满足要求，因此７ｑｂｌ８在桩顶以下８ｍ
范围内配置。２．６承压验算
由于地下水位变化以及荷载组合形式不同，可能
出现抗拔桩转换成承压桩的情况。抗拔桩的设计应综合考虑其作为承压桩也能满足设计要求。
本例中对抗浮有利的活荷载如列车荷载仅考虑其对地基承载力和沉降的不利影响，不考虑其对抗浮的有利条件。列车荷载近似按３ｍ土柱（土重度１８ｋＮ／ｍ３）计算，分布宽度按３．４ｍ考虑［８］。
据勘察报告，影响地下水动态的变化因素主要是降雨，在河流的两侧还分别与河水的涨落及潮汐顶托有关。该工程地下水变幅最大可达３ｍ，最低地下水位取一０．５９ｍ。采用最低地下水位按理论公式计算浮力Ｆ：
Ｆ＝（（一０．５９一（一４．４０８））＋（一０．５９一
（一３．８０８）））／２×１０×１６．７４
ｘ
３０＝１７６６９．０ｋＮ
按文献［２］计算浮力Ｆ：
Ｆ＝（ｈ１一ｈｌ×ｄ／ｔ）×ｙ。×１６．７４×３０＝（０—０
Ｘ
３．６４／５．７）×１０×１６．７４×３０＝０ｋＮ
不考虑桩土共同作用，单桩承担竖向荷载：
Ｎｋ＝ｌ４０６．９ｋＹ
单桩竖向承载力标准值：ＱｌＩｋ＝ｕＹ．，０。ｉｑｍｆｉ＋砂ＰｑｐｋＡＰ
（６）
将抗拔桩参数代入式（６）计算得到Ｑ止＝２８３３．７ｋＮ，
基桩竖向承载力特征值：Ｒ＝Ｑ。。／２＝ｌ
４１６．９
ｋＮ，可见
Ｎｋ＜Ｒ，抗拔桩能够满足承载要求。２．７抗拔桩对结构影响分析
结构底板底部设置了刚度较大的抗拔桩后，底板增加了中间约束，单跨板变为多跨连续板，底板受力得到改善。选取ＤＩＫ４３＋６５０断面进行计算，计算结果如图５和图６所示。图５为未设置抗拔桩而采用压顶梁抗浮的底板弯矩和剪力，图６为设置抗拔桩后的底板弯矩和剪力，抗拔桩采用可受拉压的大刚度弹簧模拟。
５．３
（ａ）弯矩图（单位：ｋＮ・ｍ）
６８
铁道工程学报２００９年ｌＯ月
０
５２石ｉ撑判圳
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（ｂ）剪力图（单位：ｋＮ）
图５未设置抗拔桩时底板内力图
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－＿一１＂４
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５ｉ５．３
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－５５５．３
（ａ）弯矩图（单位：ｋＮ・ｍ）
（ｂ）剪力图（单位：ｋＮ）
图６设置抗拔桩时底板内力图
比较图５和图６可以看出，设置抗拔桩后底板负弯矩减小，但抗拔桩处剪力发生突变，必须对该处底板的抗冲切能力进行验算，如果不满足要求，可采取底板３
结论
（１）抗浮计算结果与实际情况有一定出入，如抗
浮水位的选取、浮力的计算、抗拔桩的配筋等。原因是由于地下工程不确定性的因素较多造成的，包括地质条件、水文资料、施工质量等，设计取值略为保守是合理的。
（２）地下结构所受实际浮力大小与结构周边土层含水情况及渗透性密切相关。某些情况下，理论计算结果与实际情况差别很大，应加强此方面的研究。
（３）对于桩长超过１０ｍ的抗拔桩建议采用分段
配筋，以节约成本。
（４）抗拔桩设计时应考虑到其作为承压桩的可能性，并取两者的较大值作为设计依据。
（５）抗拔桩的设置对结构内力影响不可忽视，必要时应采取补强措施。
参考文献：
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题的分析［Ｊ］．建筑技术，２００５，３６（７）：５４４—５４５．［２］
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２００６（３６）：４７—４９．
［８］铁建设［２００７］４７号，新建时速３００—３５０公里客运专线
铁路设计暂行规定［Ｓ］．
［９］ＧＢ５０００９－－２００１，建筑结构荷载规范［Ｓ］．
［１０］曾桂新．浅析地下水抗浮验算及抗浮措施［Ｊ］．甘肃水
利水电技术，２００４（２）：１１６—１１７．
（编辑梅志山）
设置暗梁或抗拔桩与底板节点设置抗冲切加强钢筋进行处理。
２００９年１０月第１０期（总１３３）
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Ｏｃｔ２００９
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文章编号：１００６—２１０６（２００９）１０一００６４—０５
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阳
芳¨
武汉４３００６３）
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，
摘要：研究目的：广深港客运专线狮子洋隧道是我国第一条水下铁路隧道，也是世界上行车速度目标值最高的水下隧道。本文结合广深港客运专线狮子洋隧道，阐述明挖隧道结构抗浮设计中存在的一些问题，通过分析与计算，提出明挖隧道结构设计中可采取的抗浮水位、浮力、抗浮力建议值和抗拔桩的配筋量，可为类似工程抗拔桩设计提供借鉴。
研究结论：目前由于抗浮水位的选取没有统一标准，既有浮力计算理论不考虑结构所处地层的渗透特性，导致抗浮设计结果与实际情况有一定偏差。通过分析与计算提出：当抗拔桩桩长大于１０ｍ时，采用分段方式配筋，以节约成本；在抗拔桩设计时应同时考虑其作为承压桩的可能性，并验算抗拔桩的设置对隧道结构内力的影响。
关键词：水底隧道；敞开段；抗浮；抗拔桩中图分类号：Ｕ４５２．２＋５
文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＯｐｅｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｈｉｚｉｙａｎｇＴｕｎｎｅｌｆｏｒＦｌｏａｔ－—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＹＡＮＧＦａｎｇ
（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｕｒｐｏｓｅｓ：ＴｈｅＳｈｉｚｉｙａｎｇＴｕｎｎｅｌｏｆＧｕａｎｇｚｈｏｕ—－Ｓｈｅｎｚｈｅｎ——ＨｏｎｇｋｏｎｇＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄＬｉｎｅｉｓｔｈｅｆｉｒｓｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｉｎＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ—ｓｐｅｅｄ
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ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｈｉｚｉｙａｎｇＴｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｕｎｎｅｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆｏｒｆｌｏａｔ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ
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随着水底隧道设计与施工技术的成熟，水底隧道作为继桥梁之后一种新的高效的越江交通方式越来越
受到人们的欢迎。目前国内已竣工和正在建设的下穿长江的有武汉、南京、上海水底交通隧道；下穿钱塘江
・收稿日期：２００９—０５—１９
・・作者简介：阳芳，１９７９年出生，女，工程师。
第１０期阳芳：狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计
６５
的庆春路、钱江隧道；下穿珠江的狮子洋隧道；下穿浏阳河的公路和铁路隧道；下穿黄浦江的隧道多达十几条。水底隧道丰富了过江交通方式，开创了江上架桥、江面行船、江底通隧的交通新格局。
水底隧道与两岸地面一般采用一定坡度的暗埋段和敞开段进行连接。明挖结构距江河较近，丰水期地下水位较高，甚至可能发生内涝，故水底隧道的抗浮设计十分关键。敞开段和覆土较浅的暗埋段结构抗浮不满足要求时，根据具体工程需采取临时或永久性的抗浮措施。本文结合广深港客运专线狮子洋隧道，就明挖隧道结构抗浮设计中存在的一些问题进行探讨。
运营期隧道抗浮设计原则是抗浮稳定安全系数，不
考虑摩阻力时不小于１．１，考虑摩阻力时不小于１．２。
２敞开段抗浮设计
敞开段结构不存在覆土，因而抗浮问题尤为突出。本文以隧道出口第１５节为例探讨敞开段的抗浮设计。该节里程ＤＩＫ４３＋６５０一＋６８０，长３０ｍ。结构横断面如图１所示。地层情况经地质钻探自上而下揭示为表１所示。结构底板位于淤泥层，基底承载力不满足要求，基坑施工前采用４，８００旋喷桩加固淤泥层。
内涝水位３．０ｍ
２．璺！塑望
，，。广一、
１工程概况
狮子洋隧道位于珠江三角洲平原地区，穿越珠江人海口的狮子洋，水面宽６盾构段长９
３４０
１００
地面标高１．２
ｒ－＼
睦
ｌ裹
ｍ，全长ｌＯ．８ｋｍ，其中
测轨顶面
、稚｛≥
ｊ
ｉ内轨硎面
！、±Ｏ．００
ｍ。该隧道是我国第一条水下铁路隧
Ｉ
ｌ±０．ｏｏ，！矗
道，设计车速为３５０ｋｍ／ｈ，是世界上行车速度目标值最高的水下隧道，也是广深港客运专线控制性工程。
隧道引道敞开段围护结构采用钢板桩，在底板结
图１结构横断面图（单位：ｌｂ．．Ｉｎ）
表１地层参数表（钻孔编号：Ｊｚ一１１１０５一隧莞岸７７）
岩土分层
（１）
构下设置４，８００抗拔桩进行抗浮。
岩土名称人工填土淤泥粉质粘土粉细砂层全风化岩石强风化岩石弱风化岩石
时代成因状态松散
流塑
天然重度ｙ
／（ｋＮ・ｍ。３）
１８．０１５．６１９．４１９．０２０．３２２．０２６．Ｏ
层厚／ｈ
Ｏ．７５．７５．４０．９２．１１０．８５．８
桩极限侧摩阻力桩极限端阻力渗透系数标准值ｑ．ｋ／ｋＰａ标准值ｑｐｋ／ｋＰａ／（ｍ・ｄ。１）
Ｑ掣
Ｑ？。
（２）２（３）１（３）３
（５）１
１０４０２０８０１００５００
１２００ｌ６００４０００
０．０００ｌＯ．００３２
５ｌ１．２
Ｑ；Ｑ；
Ｋｌｂ
硬塑松散坚硬土状碎块状柱状、块状
（５）２
（５）３
２．１抗浮水位选取
地下结构抗浮水位没有统一的规定，其选取存在较大的随意性，故导致计算结果存在一定的差异。该问题已引起有关学者的重视，在文献［１］、［２］、［３］、［１０］中均对地下结构抗浮设计水位进行了合理的阐述，但实际操作仍十分困难。合理的抗浮水位需要对长期水位观测数据进行系统分析，在主体结构设计使用年限内，选择一个合理的可靠度指标，使结构上浮概率满足设计要求，在此基础上确定抗浮水位。
高出该水位０．５ｍ设计。２．２浮力计算
ＤＩＫ４３＋６５０处底板底标高一４．４０８，ＤＩＫ４３＋６８０处底板底标高一３．８０８，结构底板宽度１６．７４ｍ，根据阿基米德定律，浮力等于它所排开水的体积之重量，则其浮力Ｆ为：
Ｆ＝ｐｇｖ＝ｙ。移＝［２．４１一（一４．４０８）＋２．４１一（一３．８０８）］÷２×１０×１６．７４×３０＝３２
７３３．４ｋＮ
公式表明浮力大小与结构所处土层没有联系。由于地下结构与地基土直接接触，地层介质的渗透性将直接影响到其所受浮力的大小。假设地层渗透系数无限大，即结构泡在水中，可按阿基米德理论公式计算浮力；假设地层渗透系数为０，即地层完全不透水且与结构底板光滑接触，则结构浮力也为０。实际地层渗透
目前，设计抗浮水位一般依据勘察报告并结合各
地区工程经验确定。根据本工程岩土工程勘察报告，隧道出Ｅｌ段勘察期间地下水位标高一０．５９～０．８５
ｍ，
内涝水位标高２．４１ｍ。结合周边工程经验，经过比较选取内涝水位作为抗浮设计水位，敞开段结构侧墙按
铁道工程学报
２００９年１０月
性介于两者之间，可以认为地下水对地下结构的浮力比理论值小，但实际大小需进一步研究确定。当基底所处（２）２淤泥层作为隔水层，其上为潜水层，如图２所示。
线
ｙ．ｈ
图２浮力计算模型
根据文献［２］提供的浮力计算方法，其浮力Ｆ为：Ｆ＝１６．７４×３０（ｈｌ—ｈｉｄ／ｔ）ｙ。＝（２．８８—２．８８×
３．６４／５．７）×１０×１６．７４×３０＝５２２７．１ｋＮ
计算结果表明两者相差很大。２．３抗浮力计算
如果不采取抗浮措施，结构抗浮力主要由结构自重、覆土重、结构侧壁摩阻力组成。结构侧壁摩阻力一般作为安全储备。本工程结构为敞开段，不存在覆土，抗浮力由结构自重和轨下垫层组成。
结构自重Ｇ，为：
Ｇ１＝｛ｌ（０．４＋０．８）×（６．６０８＋６．００８）／２／２×
２］＋１６．７４ｘ０．８｝×３０×２５＝１５
７２１．２ｋＮ
轨下结构重Ｇ：为：Ｇ２＝（１０．０１２
８＋１０．３５７
９）／２
ｘ３０ｘ２３＝７０２７．９ｋＮ
抗浮力Ｇ为：
Ｇ＝ＧＩ＋Ｇ２＝２２７４９一ｋＮ‘
２．４抗拔桩计算
桩的抗拔侧阻力与抗压侧阻力是有区别的，随着上拔量的增加，桩的侧阻力会因土层松动及侧面积减少等原因而低于抗压侧阻力，文献［４］认为引起这一差异的主要原因在于桩周边土的剪胀性及主应力方向的旋转。文献［５］引入抗拔系数Ａ与勘察报告中提供的抗压侧阻力相乘得到抗拔侧阻力。抗拔侧阻力取决于桩周土层的力学性质，根据试验＂１抗拔系数灌注桩高于预制桩，长桩高于短桩，粘性土高于砂土。根据实际工程经验，砂性土抗拔系数Ａ＝０．５０—０．７０；粘性土抗拔系数Ａ＝０．７—０．８。
抗拔桩的破坏模式因桩距大小不同而呈现基桩分离的非整体拔出破坏和桩土呈整体拔出破坏，故规范∞ｏ规定了群桩效应系数。适当扩大抗拔桩的间距可使各抗拔桩的抗拔力得到充分发挥，抗拔桩宜选择
长型灌注桩，桩中心距宜大于６倍桩径。第１５节４，８００抗拔桩纵向间距５ｍ，横向均匀布置４根，横向间
距５．０７３－５．１５５ｍ，共布置抗拔桩２４根，如图３所示。
内
涝水位２．４１Ⅱ
，，瓴
番号ｔ地＃Ｋｊ
＿ｍ：：
／路
（¨
耕杭Ｌ¨４
一’—ｎ４７
＼／７７奈
一；
耄ｌ
（２）２
瓣花
×：
－７＂：）．；
碡、蛩奏建籀
０ｌ
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ｍ
糟压
（３）
帖土
７０（３Ｊ３耪移羹击８００抗拔桕
一１ｌ！～函縻
ｌｈ
幸雎化
Ｅ
一１２ｄ７”
（５）１
～４－
砂岩
＝｝‘一１４５，ｍ
Ｅ＝§旺ｇ；
－＿－
强Ｍ化（５）２
兰１
｝９
砂篙
盏ｌ！墨ｔ２童
苣
＿２５１７ｎｌ
图３地质情况及抗拔桩布置图（单位：ｍｍ）
单根抗拔桩需提供的抗拔力Ⅳ。为：Ｎｋ＝（１．１×Ｆ－０．９×Ｇ）／２４＝６４７．２
ｋＮ
单桩竖向抗拔极限承载力应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。如未进行上述实验，可根据岩土工程勘察报告按式（１）Ｍ１计算：
Ⅳｋ≤瓦ｋ／２＋Ｇ。
（１）其中：瓦ｋ＝∑Ａｉｑ；脯／Ｚｉｔ（２）
式中
九——基桩抗拔极限承载力标准值；Ｇ。——基桩自重，地下水位以下取浮容重；Ａｉ——桩侧第ｉ层土的抗拔系数；
９础——桩侧第ｉ层土的抗压极限侧摩阻力标
准值；
瓦——桩侧第ｉ层土的土层厚度。
试算取桩长１４ｍ，则气＝ｌ
０９４．２８ｋＮ；
Ｔｕｋ／２＋Ｇｐ＝６５２．６ｋＮ
Ｎｋ＜Ｌｋ／２＋Ｇ。，满足抗浮要求。
综上所述，第１５节采用２４根４，８００抗拔桩，桩长１４
ｍ，单桩抗拔承载力为６４７．２
ｋＮ。
２．５抗拔桩配筋
在抗拔桩设计中，配筋计算除了满足桩身抗拔承载力要求外，作为主体结构的一部分，为避免钢筋锈蚀影响抗拔桩的耐久性，还需验算正常使用极限状态下的裂缝宽度。
根据岩土工程勘察报告，地下水对混凝土结构有盐类结晶的弱侵蚀性。由工程所处环境类别和水土介
第１０期
阳芳：狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计
６７
质腐蚀性等级，按文献［５］确定桩身最大裂缝宽度为
０．２
ｍｍ，单桩抗拔承载力为６４７．２ｋＮ，主筋净保护层
厚度为５０ｍｍ。按轴心受拉构件裂缝开展宽度计算公式为：
一
』
∞一＝ｏｔｃ，ｌ少≯（１．９ｃ＋ｏ．０８》）（３）
“ｅ
Ｐ，ｅ
纵向受拉钢筋截面积取Ａ。＝３
９８０
ｍｍ２时，∞一＝０．１６５
ｍｍ，选配７ｑｂ２０＋７ｑｂｌ８，沿桩周均匀布置。
关于抗拔桩的配筋方式新旧规范表述有所不同，文
献［６］中表述为“专用抗拔桩应通长配筋”，而文献［５］
中表述为“抗拔桩应等截面或变截面通长配筋”。实际上，抗拨桩的桩顶荷载由桩侧摩阻力承担，其桩身轴力分布与桩周地质条件密切相关，桩侧摩阻力以剪力形式传递给桩周土体，其桩身荷载分布如图４所示∽］。一般桩顶轴力最大，桩端轴力最小，中部轴力介于两者之间。
（ａ）微单元（ｂ）抗拔桩
托’篇嬲
（ｄ）轴力分布曲线
图４抗拔桩竖向荷载传递
如果桩身通长按最大抗拔力作用下满足裂缝宽度要求的配筋量配置钢筋，将造成较大的浪费。因此对抗拔桩可以采取分段配筋的方式，在一定程度上减少配筋量，以节约成本。
第１５节抗拔桩桩长１４ｍ，拟采用两段式配筋，上部配置７ｑｂ２０＋７ｑｂｌ８，下部配置７‘ｋ２０，即桩身７ｑｂ２０通长配置，７ｃｋｌ８仅在桩顶￡，范围内配置。根据下部配筋量反算出满足裂缝宽度要求的轴力Ｎｏ＝３７５ｋＮ，桩顶Ｌ。的范围按式（４）和式（５）反算得出：
Ⅳｋ一％≤Ｌｋｌ／２＋Ｇ。ｌ
（４）‰ｌ＝∑ＡⅢｑ
ｋｕｊＺｉ
（５）
式中ｍ。
则：
Ｇ。。一。段基桩自重，试算取Ｌｌ＝８九，一。段抗拔极限承载力标准值；九ｌ＝４２９．８
ｋＮ
Ⅳｋ—Ｎｏ＝６４７．２—３７５＝２７２．２
ｋＮ
九ｌ／２＋Ｇ。Ｉ＝２７５．２
ｋＮ
计算表明满足要求，因此７ｑｂｌ８在桩顶以下８ｍ
范围内配置。２．６承压验算
由于地下水位变化以及荷载组合形式不同，可能
出现抗拔桩转换成承压桩的情况。抗拔桩的设计应综合考虑其作为承压桩也能满足设计要求。
本例中对抗浮有利的活荷载如列车荷载仅考虑其对地基承载力和沉降的不利影响，不考虑其对抗浮的有利条件。列车荷载近似按３ｍ土柱（土重度１８ｋＮ／ｍ３）计算，分布宽度按３．４ｍ考虑［８］。
据勘察报告，影响地下水动态的变化因素主要是降雨，在河流的两侧还分别与河水的涨落及潮汐顶托有关。该工程地下水变幅最大可达３ｍ，最低地下水位取一０．５９ｍ。采用最低地下水位按理论公式计算浮力Ｆ：
Ｆ＝（（一０．５９一（一４．４０８））＋（一０．５９一
（一３．８０８）））／２×１０×１６．７４
ｘ
３０＝１７６６９．０ｋＮ
按文献［２］计算浮力Ｆ：
Ｆ＝（ｈ１一ｈｌ×ｄ／ｔ）×ｙ。×１６．７４×３０＝（０—０
Ｘ
３．６４／５．７）×１０×１６．７４×３０＝０ｋＮ
不考虑桩土共同作用，单桩承担竖向荷载：
Ｎｋ＝ｌ４０６．９ｋＹ
单桩竖向承载力标准值：ＱｌＩｋ＝ｕＹ．，０。ｉｑｍｆｉ＋砂ＰｑｐｋＡＰ
（６）
将抗拔桩参数代入式（６）计算得到Ｑ止＝２８３３．７ｋＮ，
基桩竖向承载力特征值：Ｒ＝Ｑ。。／２＝ｌ
４１６．９
ｋＮ，可见
Ｎｋ＜Ｒ，抗拔桩能够满足承载要求。２．７抗拔桩对结构影响分析
结构底板底部设置了刚度较大的抗拔桩后，底板增加了中间约束，单跨板变为多跨连续板，底板受力得到改善。选取ＤＩＫ４３＋６５０断面进行计算，计算结果如图５和图６所示。图５为未设置抗拔桩而采用压顶梁抗浮的底板弯矩和剪力，图６为设置抗拔桩后的底板弯矩和剪力，抗拔桩采用可受拉压的大刚度弹簧模拟。
５．３
（ａ）弯矩图（单位：ｋＮ・ｍ）
６８
铁道工程学报２００９年ｌＯ月
０
５２石ｉ撑判圳
名撇
安一２５：
（ｂ）剪力图（单位：ｋＮ）
图５未设置抗拔桩时底板内力图
Ｏ０
名渺车姜墨渊誉褒涅
－＿一１＂４
童ｉｔ＇５葛
Ｉ寸
５ｉ５．３
支
－５５５．３
（ａ）弯矩图（单位：ｋＮ・ｍ）
（ｂ）剪力图（单位：ｋＮ）
图６设置抗拔桩时底板内力图
比较图５和图６可以看出，设置抗拔桩后底板负弯矩减小，但抗拔桩处剪力发生突变，必须对该处底板的抗冲切能力进行验算，如果不满足要求，可采取底板３
结论
（１）抗浮计算结果与实际情况有一定出入，如抗
浮水位的选取、浮力的计算、抗拔桩的配筋等。原因是由于地下工程不确定性的因素较多造成的，包括地质条件、水文资料、施工质量等，设计取值略为保守是合理的。
（２）地下结构所受实际浮力大小与结构周边土层含水情况及渗透性密切相关。某些情况下，理论计算结果与实际情况差别很大，应加强此方面的研究。
（３）对于桩长超过１０ｍ的抗拔桩建议采用分段
配筋，以节约成本。
（４）抗拔桩设计时应考虑到其作为承压桩的可能性，并取两者的较大值作为设计依据。
（５）抗拔桩的设置对结构内力影响不可忽视，必要时应采取补强措施。
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（编辑梅志山）
设置暗梁或抗拔桩与底板节点设置抗冲切加强钢筋进行处理。