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摘要：通过对某地铁车站标准出入口建立整体三维模型进行整体抗浮验算，对比工程设计中常用的断面抗浮验算得出以下结论：通常按照整体覆土重于浮力的设计理念偏于不安全，需要在附属出地面口部进行局部压重，才能满足整体抗浮设计。
0 引言
地下轨道交通是一座城市现代化的标志，也是解决日益紧张的城市交通状况最理想的交通方式。地铁出入口作为进出地下车站的通道，为市民提供乘车便利及紧急情况下的疏散可能，其结构安全性是不言而喻的。地下结构所处地层有地下水时，结构设计计算要求计及地下水压力及其产生的浮力影响。地铁出入口结构的抗浮验算通常是采用整体抗浮设计的理念进行设计，即覆土压重与自重之和大于结构所受最大浮力。一般情况下，出入口顶板在平坡段因覆土较厚，结构内净空较小，断面抗浮安全系数较大；但在出入口出地面U形槽范围，因覆土浅，压重小，断面抗浮安全系数不足，造成出入口各部位抗浮力不均衡，存在U形槽段绕平坡段旋转的趋势。
1 工程概况
无锡某地铁车站位于两条城市主干道路口正下方，为地上二层10m岛式车站，单柱双跨箱型结构，车站设4个出入口、2组风亭。四个出入口分别设置在交叉路口4个象限。本文以3号出入口为研究对象，根据3号出入口工程特点、地质条件、环境保护要求，该出入口均采用明挖法施工，围护结构采用SMW工法桩加内支撑形式。
3号出入口位于车站东南角，为战时人员出入口，标准段覆土厚度4.35m，斜坡段覆土厚度0.36~4.35m，出入口顶板结构图如图1，出入口爬坡段纵剖面如图2，标准段断面尺寸如图3、4。
2 工程地质及水文地质
2.1 工程地质概况
出入口从上至下地层分别为：①2层杂填土、③1层粘土、③2层粉质粘土夹粉土、③3层粉土夹粉质粘土、④层粉砂、⑥1-1层粉质粘土、⑥1层粘土、⑥2-1层粉质粘土夹粉土、⑥2层粉质粘土
各土层主要物理力学指标综合建议值
层号 重度 基床系数K
(Mpa/m) 侧压力系数
γ(kN/m3) 垂直 水平 K0
③1 20.1 25 45 0.37
③2 19.3 20 25 0.45
③3 19.4 18 25 0.44
④ 19.6 25 32 0.4
⑥1-1 20.4 35 45 0.38
⑥1 20.4 48 60 0.36
⑥2-1 19.7 25 30 0.45
⑥2 19.7 39 45 0.4
出入口标准段结构底板座落在③3层粉土夹粉质粘土。
2.2 地形地貌及水文地质条件
出入口所在场地地形平坦，地貌单元属长江三角洲冲积平原。
根据场地地形、标高、场地地下水的类型、变化幅度、补给排泄、根据设计提供资料及无锡市气象水文资料等因素综合考虑，建议本工程场地车站结构抗浮设计水位按规划地表以下0.5m考虑。
3 断面抗浮验算
3.1 地铁车站抗浮验算原则
根据当地地铁技术要求及相关规范要求：轨道交通结构应根据地下水位的抗浮设防水位进行结构抗浮验算，不满足抗浮要求时须采取抗浮措施。
结构设计应按最不利地下水位情况进行抗浮稳定验算，在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05，当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。
3.2 人防段断面抗浮计算
项目 荷载
名称 宽度m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载KN
抗浮力 覆土
自重 7.20 1.00 4.35 19.00 595.08
顶板
自重 7.20 1.00 0.60 25.00 108.00
底板
面层 6.00 1.00 0.15 22.00 19.80
底板 7.20 1.00 0.60 25.00 108.0
侧墙 3.65 1.00 0.60 25.00 54.75
总计：土重+内衬结构自重 886
水浮力 7.2 1 8.72 10 628
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 1.41
结论：抗浮安全系数大于1.05，满足抗浮设计要求
3.3 标准段断面抗浮计算
项目 荷载
名称 宽度
m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载值KN
抗浮力 覆土
自重 5.70 1 4.35 19.00 471.11
顶板
自重 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
底板
面层 4.50 1.00 0.15 22.00 14.85
底板 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
侧墙 3.65 1.00 0.60 25.00 54.75
总计：土重+内衬结构自重 711.71
水浮力 5.7 1 8.72 10.00 497.04
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 1.43
结论：抗浮安全系数大于1.05，滿足抗浮设计要求
3.4 U形槽断面抗浮计算
项
目 荷载
名称 宽度
m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载KN
抗浮力 覆土
自重 5.70 1.00 0.00 19.00 0.00
顶板
自重 5.70 1.00 0.00 25.00 0.00
底板
面层 4.50 1.00 0.00 22.00 0.00
底板 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
侧墙 5.90 1.00 0.60 25.00 177.06
总计：土重+内衬结构自重 262.56
水浮力 水浮力 5.7 1 6.5 10.00 370.50
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 0.71
结论：抗浮安全系数小于1.05，不满足抗浮设计要求
经以上断面分析验算，断面抗浮不完全满足抗浮设计要求,平坡段抗浮有余，U形槽段抗浮不足。
4 三维模型抗浮验算
根据本出入口施工图尺寸建立三维板单元模型进行整体抗浮设计验算，模型如下：
根据工程实践经验，假定车站位于出入口接口部位位移为零，出入口板、墙与车站接口以“只受压连接”连接。采用只受压面弹簧模拟出入口结构底板、侧墙与岩土之间相互作用。为简化模型，统一取底板、侧墙受压面弹簧刚度为K=25Mpa，分析出入口结构整体模型在水压力、土压力、结构自重、底板面层自重作用下，分析结果如下：
UX位移云图(单位：mm)
UY位移云图(单位：mm)
UZ位移云图(单位：mm)
水浮力工况下的结构变形值统计如下表：
位移方向 位移最大值 变形部位
UX（mm） +2.10 敞口段顶部周边
UY（mm） +0.84 下坡段侧墙中部
UZ（mm） -5.92 平坡段转角部位顶板中部
由上表可知，水浮力工况下出入口结构位移幅值中，竖向位移最为主要。
此外，以U形槽顶部位移为研究对象，查询模型计算结果可知，U形槽顶部竖向位移-0.3~-3.6mm，顶部水平X方向位移约为+2mm。由此可知U形槽段均存在整体沉降位移，满足整体抗浮验算要求；U形槽顶部整体有+X方向位移，经力学分析可知，此现象是出入口U形槽段底板水浮力对出入口平坡段的力及力矩作用使然。以上数据趋势均与实际情况比较吻合。
5 结论
断面验算出入口抗浮能力通常出现两种情况，平坡段断面抗浮有余，U形槽段断面抗浮不足，在实际地铁设计工作中往往根据经验，仅仅通过平坡段断面抗浮验算来衡量整体出入口抗浮能力，而忽略考虑抗浮不足范围。经出入口三维整体抗浮计算验证了水浮力工况下结构的抗浮能力满足结构抗浮要求，U形槽段抗浮能力不足由出入口平坡段富余的抗浮能力补充。
参考文献:
[1] 张景花. 地铁车站的抗浮设计[J]，山西建筑，2010.3：122-123.
[2] 冷晓雨. 地铁车站抗浮设计研究[J]，广东建材，2010（07）：60-61.
[3] GB50157-2013 地铁设计规范.
[4]侯勉望. 地铁车站设计中抗浮问题的研究[J]，《科学之友》，2008（20）：42-43.
作者简介：
乔立（1986-），男，河南驻马店人，2009年毕业于华北水利水电学院土木工程系（岩土方向），本科，助理工程师，主要从事岩土工程和地下结构工程设计研究工作。
刘少华（1988-），女，河北保定人，2012年毕业于唐山学院土木工程专业，本科，助理工程师，主要从事岩土工程和地下结构工程设计研究工作。
0 引言
地下轨道交通是一座城市现代化的标志，也是解决日益紧张的城市交通状况最理想的交通方式。地铁出入口作为进出地下车站的通道，为市民提供乘车便利及紧急情况下的疏散可能，其结构安全性是不言而喻的。地下结构所处地层有地下水时，结构设计计算要求计及地下水压力及其产生的浮力影响。地铁出入口结构的抗浮验算通常是采用整体抗浮设计的理念进行设计，即覆土压重与自重之和大于结构所受最大浮力。一般情况下，出入口顶板在平坡段因覆土较厚，结构内净空较小，断面抗浮安全系数较大；但在出入口出地面U形槽范围，因覆土浅，压重小，断面抗浮安全系数不足，造成出入口各部位抗浮力不均衡，存在U形槽段绕平坡段旋转的趋势。
1 工程概况
无锡某地铁车站位于两条城市主干道路口正下方，为地上二层10m岛式车站，单柱双跨箱型结构，车站设4个出入口、2组风亭。四个出入口分别设置在交叉路口4个象限。本文以3号出入口为研究对象，根据3号出入口工程特点、地质条件、环境保护要求，该出入口均采用明挖法施工，围护结构采用SMW工法桩加内支撑形式。
3号出入口位于车站东南角，为战时人员出入口，标准段覆土厚度4.35m，斜坡段覆土厚度0.36~4.35m，出入口顶板结构图如图1，出入口爬坡段纵剖面如图2，标准段断面尺寸如图3、4。
2 工程地质及水文地质
2.1 工程地质概况
出入口从上至下地层分别为：①2层杂填土、③1层粘土、③2层粉质粘土夹粉土、③3层粉土夹粉质粘土、④层粉砂、⑥1-1层粉质粘土、⑥1层粘土、⑥2-1层粉质粘土夹粉土、⑥2层粉质粘土
各土层主要物理力学指标综合建议值
层号 重度 基床系数K
(Mpa/m) 侧压力系数
γ(kN/m3) 垂直 水平 K0
③1 20.1 25 45 0.37
③2 19.3 20 25 0.45
③3 19.4 18 25 0.44
④ 19.6 25 32 0.4
⑥1-1 20.4 35 45 0.38
⑥1 20.4 48 60 0.36
⑥2-1 19.7 25 30 0.45
⑥2 19.7 39 45 0.4
出入口标准段结构底板座落在③3层粉土夹粉质粘土。
2.2 地形地貌及水文地质条件
出入口所在场地地形平坦，地貌单元属长江三角洲冲积平原。
根据场地地形、标高、场地地下水的类型、变化幅度、补给排泄、根据设计提供资料及无锡市气象水文资料等因素综合考虑，建议本工程场地车站结构抗浮设计水位按规划地表以下0.5m考虑。
3 断面抗浮验算
3.1 地铁车站抗浮验算原则
根据当地地铁技术要求及相关规范要求：轨道交通结构应根据地下水位的抗浮设防水位进行结构抗浮验算，不满足抗浮要求时须采取抗浮措施。
结构设计应按最不利地下水位情况进行抗浮稳定验算，在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05，当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。
3.2 人防段断面抗浮计算
项目 荷载
名称 宽度m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载KN
抗浮力 覆土
自重 7.20 1.00 4.35 19.00 595.08
顶板
自重 7.20 1.00 0.60 25.00 108.00
底板
面层 6.00 1.00 0.15 22.00 19.80
底板 7.20 1.00 0.60 25.00 108.0
侧墙 3.65 1.00 0.60 25.00 54.75
总计：土重+内衬结构自重 886
水浮力 7.2 1 8.72 10 628
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 1.41
结论：抗浮安全系数大于1.05，满足抗浮设计要求
3.3 标准段断面抗浮计算
项目 荷载
名称 宽度
m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载值KN
抗浮力 覆土
自重 5.70 1 4.35 19.00 471.11
顶板
自重 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
底板
面层 4.50 1.00 0.15 22.00 14.85
底板 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
侧墙 3.65 1.00 0.60 25.00 54.75
总计：土重+内衬结构自重 711.71
水浮力 5.7 1 8.72 10.00 497.04
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 1.43
结论：抗浮安全系数大于1.05，滿足抗浮设计要求
3.4 U形槽断面抗浮计算
项
目 荷载
名称 宽度
m 长度
m 厚度
m 重度
kN/m3 荷载KN
抗浮力 覆土
自重 5.70 1.00 0.00 19.00 0.00
顶板
自重 5.70 1.00 0.00 25.00 0.00
底板
面层 4.50 1.00 0.00 22.00 0.00
底板 5.70 1.00 0.60 25.00 85.50
侧墙 5.90 1.00 0.60 25.00 177.06
总计：土重+内衬结构自重 262.56
水浮力 水浮力 5.7 1 6.5 10.00 370.50
抗浮安全系数：抗浮力/水浮力 0.71
结论：抗浮安全系数小于1.05，不满足抗浮设计要求
经以上断面分析验算，断面抗浮不完全满足抗浮设计要求,平坡段抗浮有余，U形槽段抗浮不足。
4 三维模型抗浮验算
根据本出入口施工图尺寸建立三维板单元模型进行整体抗浮设计验算，模型如下：
根据工程实践经验，假定车站位于出入口接口部位位移为零，出入口板、墙与车站接口以“只受压连接”连接。采用只受压面弹簧模拟出入口结构底板、侧墙与岩土之间相互作用。为简化模型，统一取底板、侧墙受压面弹簧刚度为K=25Mpa，分析出入口结构整体模型在水压力、土压力、结构自重、底板面层自重作用下，分析结果如下：
UX位移云图(单位：mm)
UY位移云图(单位：mm)
UZ位移云图(单位：mm)
水浮力工况下的结构变形值统计如下表：
位移方向 位移最大值 变形部位
UX（mm） +2.10 敞口段顶部周边
UY（mm） +0.84 下坡段侧墙中部
UZ（mm） -5.92 平坡段转角部位顶板中部
由上表可知，水浮力工况下出入口结构位移幅值中，竖向位移最为主要。
此外，以U形槽顶部位移为研究对象，查询模型计算结果可知，U形槽顶部竖向位移-0.3~-3.6mm，顶部水平X方向位移约为+2mm。由此可知U形槽段均存在整体沉降位移，满足整体抗浮验算要求；U形槽顶部整体有+X方向位移，经力学分析可知，此现象是出入口U形槽段底板水浮力对出入口平坡段的力及力矩作用使然。以上数据趋势均与实际情况比较吻合。
5 结论
断面验算出入口抗浮能力通常出现两种情况，平坡段断面抗浮有余，U形槽段断面抗浮不足，在实际地铁设计工作中往往根据经验，仅仅通过平坡段断面抗浮验算来衡量整体出入口抗浮能力，而忽略考虑抗浮不足范围。经出入口三维整体抗浮计算验证了水浮力工况下结构的抗浮能力满足结构抗浮要求，U形槽段抗浮能力不足由出入口平坡段富余的抗浮能力补充。
参考文献:
[1] 张景花. 地铁车站的抗浮设计[J]，山西建筑，2010.3：122-123.
[2] 冷晓雨. 地铁车站抗浮设计研究[J]，广东建材，2010（07）：60-61.
[3] GB50157-2013 地铁设计规范.
[4]侯勉望. 地铁车站设计中抗浮问题的研究[J]，《科学之友》，2008（20）：42-43.
作者简介：
乔立（1986-），男，河南驻马店人，2009年毕业于华北水利水电学院土木工程系（岩土方向），本科，助理工程师，主要从事岩土工程和地下结构工程设计研究工作。
刘少华（1988-），女，河北保定人，2012年毕业于唐山学院土木工程专业，本科，助理工程师，主要从事岩土工程和地下结构工程设计研究工作。