产奇 钱鑫
中国市政工程西北设计研究院有限公司??
摘要：隧道U型槽结构为抵抗地下水浮力作用常常需要设置抗拔桩，在结构自重、侧向水土压力、浮力、汽车荷载等多种荷载的共同作用下，结构底板下不同位置的抗拔桩受力会存在一定差别，如果按照各桩平均分担竖向荷载来考虑，会出现不小的设计误差，使得结构设计偏不安全。本文结合实际工程案例，建立空间板单元模型来模拟U型槽结构的受力，进行对比分析，总结出抗拔桩受力的平面分布特征。同时列举抗拔桩设置过程中一些需要着重注意的问题，对隧道U型槽结构的抗拔桩设计提出建议，以供今后的抗拔桩设计和施工作为参考。
关键词：U型槽 ；抗拔桩；设计；计算
0 引言
近年来，随着我国经济实力的飞速发展，中国的城市化进程进一步加快，于此同时城市建设对景观提出的要求也越来越高。在保证城市道路行车舒适行和安全性的同时，减少构筑物建设对城市景观的影响也变得尤为重要，城市地下隧道作为解决城市立体交叉问题的一种可靠方案被逐渐推广开来。
通常隧道由U型槽出入口和钢筋混凝土主体结构共同组成。主体结构下穿既有道路或者河流，U型槽结构则作为主体结构的引道起衔接作用。隧道作为地下结构需要承受多种荷载作用，特别是当结构埋深较大、地下水位较高时，结构承受的浮力会非常大。特别是U型槽结构因为顶部没有覆土和水压力来平衡底板向上的水压，该现象尤其显著。这一问题已经严重威胁了结构的安全性，极端情况甚至会引起构筑物的整体上浮和脱空，导致结构破坏。实际工程案例中已经发现了不少隧道U型槽，因为浮力过大却得不到平衡导致防水结构破坏，引发变形缝渗水、结构上浮等事故，带来了严重的经济损失和安全风险。因此，设计工作者在进行U型槽结构的设计过程中，必须要采取合理有效的工程措施去平衡地下水浮力，阻止U型槽结构的上浮，保护防水结构的完整性，使得隧道得以安全运营。
常用的U型槽抗浮措施有两种：①底板处向外增设悬挑段和增加配重；②底板底部设置抗拔桩。加长悬挑段和增加配重的方法是借用结构自重和外伸底板以上水和土的重力来平衡底板以下水的压力。由于水中的压强随着深度增加会不断增大，在结构埋深较大的情况下，该种抗浮方式的工程量将十分浩大，特别当结构横向空间受限时，这种方式是行不通的。利用抗拔桩来抵抗水浮力则不存在以上问题，抗拔桩不仅能增加结构整体自重，还能通过桩基与周围土体的摩擦力来抵抗浮力作用，抗浮效果十分显著。
在隧道工程的设计中，我们常常会假定抗拔桩平均分担结构的竖向荷载，即假设位于同一节段下的各抗拔桩承受竖向作用力是相等的。而实际情况是U型槽结构除了承受竖向荷载，还要承受作用在侧墙上的横向作用力，横向作用力会影响到底板以下抗拔桩的受力分布。本文以慧谷路隧道工程U型槽结构为例，建立空间板单元模型来模拟U型槽结构抗拔桩的实际受力状态，计算抗拔桩桩顶的反力，同均匀受力计算假定下的计算结果作对比。
1 工程背景
慧谷路隧道工程位于南京市江北新区核心区，下穿芝麻湖。芝麻湖为规划景观湖，湖面近期宽约42m，湖底设计高程1.58m，设计常水位3.58m。慧谷路道路线型为直线段，隧道部分全长636米，桩号为K0+128～K0+764。隧道采用U 型槽+暗埋段+U型槽形式，其中暗埋段全长336米，采用钢筋砼单箱双室矩形截面箱体结构，桩号为K0+278～K0+614。敞开段单侧长150米，两侧共300m，采用钢筋混凝土U型槽结构，桩号为K0+128～K0+278、K0+614～K0+764。
隧道暗埋段顶板、底板及侧墙厚均为1.2m，中墙厚0.8m。敞开段U槽每侧均分为6个节段，每个节段均为25m。U1～U2、U11～U12节段侧墙及底板厚0.8m，U3～U4、U9～U10节段侧墙及底板厚1m，U5～U6、U7～U8节段侧墙及底板厚1.2m。
本案例以U6节段U型槽作为研究对象。本节段U型槽全宽28.9m，埋深7.75m，侧墙及底板厚度1.2m。抗拔桩桩径为1m，横桥向共设置5列，桩间距6.0m，纵向共设置5排，桩间距为5.0m。U型槽结构横断面和立面如下所示。
.png)
图2 U型槽结构立面图（单位：cm）
2工程地质情况
场地岩土层分布自上而下描述如下：
①素填土：灰黄~灰色，软塑，由粉质粘土混少量碎砖、碎石填积，局部为耕植土，均匀性较差，填龄大于10年。层厚1.0-3.5m。
①-a淤泥、淤泥质填土：灰黑色，流塑，含腐殖物，有腐臭味，分布于填塘、填沟底部。层顶埋深0.6～2.9m，层厚0.3～1.3m。
②-1淤泥质粉质粘土、粉质粘土：灰色，流塑，局部为软~流塑粉质粘土，夹薄层粉土、粉砂，具水平层理。切面稍有光滑，韧性、干强度中等。层顶埋深1.5-3.5m，层厚1.5-4.8m。
②-2粉砂：灰色，稍密，含云母碎屑，局部夹薄层粉质粘土，具水平层理。层顶埋深1.0-8.3m，层厚6.5～13.8m。
②-3粉细砂：灰色，稍密~中密，含云母碎屑，夹有薄层粉质粘土，具水平层理。层顶埋深12.5-16.1m，层厚11.1-21.3m。
②-3a粉质粘土：灰色，软塑，局部流塑，含少量腐植物，夹薄层粉砂。切面稍有光泽，韧性、干强度中等。层顶埋深25.9-33.8m，层厚0.8~4.9m。
②-4粉细砂：灰色，中密~密实，含云母碎片，具水平层理，局部为中砂。层顶埋深29.8-34.6m，层厚8.0-15.9m。
②5中粗砂：灰色，密实，含云母碎片，具水平层理，局部为砾砂。层顶埋深41.2-45.7m，局部未钻穿，最大揭露层厚14.8m。
⑤-1强风化泥岩、泥质粉砂岩：棕红色～褐灰色，风化强烈，岩石结构已破坏，风化呈土状，属极软岩，岩体基质本量等级分类属V级，遇水极易软化。层顶埋深56.2-59.8m，层厚0.5~2.2m。
⑤-2中风化泥岩、泥质粉砂岩：棕红色~褐灰色，属极软岩一软岩，岩体较完整，微张裂隙发育，岩体基本质量等级分类为V级，遇水易软化。层顶埋深57.5-62.0m，未钻穿。
3 计算分析模型
3.1单元划分
建立U型槽结构空间板单元分析模型，边界条件按弹性地基梁分析。桩土的支承作用以线性弹簧来模拟，根据工程地质条件，地基竖向抗力比例系数C0取750OkN/m3，节点支承的线弹性系数取节点所分担的板单元面积与地基竖向比例系数的乘积。抗拔桩所在节点的竖向弹性系数直接按高两个数量级考虑，直接拟定为106kN/m。计算模型共划分节点1269个，单元1196个，计算模型如下图所示。
.png)
图3 U型槽空间板单元模型
3.2荷载工况
考虑最高水位和最低水位两种情况，对应浮力最大和浮力为0两种工况。
工况一：地下水位按地面以下0.5m考虑
恒载：自重，侧向水土压力，浮力；
活载：车辆荷载；
工况二：地下水位在底板底面以下
恒荷载：自重，侧向土压力；
可变荷载：车辆荷载；
4 计算结果分析
利用上述模型计算出不同工况下抗拔桩的桩顶反力，单桩反力值与对应同一排桩基平均反力的偏差值统计表格如下所示（桩基反力以拉为负，以压为正）。
.png)
由表格1中的反力对比可见，建立空间板单元模型求得的计算结果和各桩平均分摊荷载的计算结果并不相同。横桥向5列抗拔桩各自承受的反力分布存在波动：工况一下抗拔桩受拉，最大反力值与平均值的比值为1.09，最小反力值与平均值的比值约为0.89；工况二下抗拔桩受压，最大反力值与平均值的比值为1.09，而最小反力值与平均值的比值约为0.84。当进行顺桥向对比时，我们可以看到图4和图5中A、B、C三排桩基的反力值变化折线十分接近甚至重叠，各列桩承担的反力变化是同步的。由于U型槽结构的侧墙是需要承担侧向的土压力和水压力的，侧向力在侧墙底部产生的弯矩会向底板传递，导致了底板内力的重新分布，横向各桩的受力变得不同，而顺桥向不存在这种情况，所以各桩受力变化很小。
5 项目中U型槽抗拔桩设计遇到的其他问题
5.1U型槽底板的抗冲切问题
抗拔桩桩顶反力直接作用于U型槽底板，此时底板处于受冲切状态。随着地下水水位的变动，抗拔桩所承受的竖向力大小也会会相应改变。在结构自重、水浮力和汽车荷载竖向力作用下考虑最不利状态：当地下水位位于U型槽底板以下的时候，抗拔桩将承受最大的竖向压力；当地下水位位于最高水位即地面线以下50cm时，抗拔桩将承受最大竖向拉力。在这两种情况下，分别根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）5.6.1条作抗冲切验算。当抗冲切承载力不满足公式要求且板厚受到限制时，还需要相应配置抗冲切钢筋。
5.2抗拔桩裂缝控制问题
慧谷路隧道抗拔桩配筋图中主筋的一半在桩身的1/2处截断，因此，该桩基需要根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）6.4.3条的计算方法对桩基的顶面和桩身主筋截断处分别进行桩身抗裂计算。
抗拔桩为钢筋混凝土轴心受拉构件，其配筋计算应满足承载能力极限状态下受拉承载力的要求。但是我们不可忽视的一点是在正常使用状态下，桩基结构的裂缝同样控制桩基的配筋。且一般情况下，满足裂缝控制要求的配筋量会大于满足桩身钢筋强度要求的配筋量。因此对抗拔桩进行配筋时，不仅要验算桩身强度，还需要进行桩身裂缝宽度计算，保证桩身最大裂缝宽度小于规范限值。
6 结论和建议
（1）隧道U型槽结构在多种荷载共同作用下，底板下的抗拔桩受力分布并不均匀，按照所有桩基均分的方法考虑的结果偏不安全。
（2）隧道U型槽结构抗拔桩的受力计算应采用空间板单元建立模型去分析，当用传统均分方式计算时，其计算结果应乘以一定的放大系数方可用于指导设计。
（3）隧道U型槽结构在抗拔桩反力作用下处于受冲切状态，需要进行抗冲切验算。
（4）抗拔桩进行配筋计算时，除了要对桩身强度进行验算，还要进行最大裂缝验算。
参考文献
[1]孙爱斌，吴连海.天津某封闭式路堑U型槽结构的设计与计算[J].铁道工程学报，2006（7）：49-53.
[2]王立波.浅析明挖隧道抗拔桩设计[J].江苏建筑，2012（1）：93-95.
[3]中交公路规划设计院有限公司.JTG3362-2018 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].人民交通出版社股份有限公司,2018.