“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力计算

“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力计算

刘力;高辛财

【摘要】北京地铁16号线部分车站为“洞桩法”暗挖车站,钢管混凝土中立柱底端嵌入桩基内。在当前设计规范及相关研究中,均未明确“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力计算的柱底端约束条件。借鉴铁路桥梁、建筑桩基等高承台桩基竖向承载力计算方法,建立“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力数值计算模型,对钢管混凝土柱初始偏心距对柱承载力的影响以及柱底端桩基对柱的约束作用进行分析。分析结果表明,在通常工程设计中,柱嵌入桩基长度满足规范要求及桩周为粉质黏土、卵石地层的约束条件下,可将“洞桩法”暗挖车站柱下桩基对柱底端约束条件简化为嵌固约束。

【期刊名称】《隧道建设（中英文）》

【年(卷),期】2019(039)007

【总页数】6页(P1152-1157)

【关键词】洞桩法暗挖车站;钢管混凝土柱;承载力;柱端约束;数值计算

【作者】刘力;高辛财

【作者单位】[1]北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京100082;[1]北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京100082;

【正文语种】中文

【中图分类】U452

0 引言

北京地铁16号线部分车站为“洞桩法”暗挖车站，与“洞柱法”暗挖车站不同，车站只设上层导洞，边桩、中柱底部不设条基，通过边桩、中柱下桩基承担竖向荷载，如图1所示。钢管混凝土柱底端嵌入桩基内，如何确定此种柱端约束条件下钢管混凝土柱在施工阶段的承载力，目前《城市轨道交通工程设计规范》[1]中并无相关规定。在《钢管混凝土结构技术规程》[2]和《钢结构设计标准》[3]中规定按柱端约束梁与柱刚度比确定柱计算长度，在工程应用中设计单位则近似按桩基与柱线刚度比确定柱计算长度。

(a) 洞桩法

(b) 洞柱法图1 “洞桩法”及“洞柱法”暗挖车站断面示意图Fig. 1 Cross-sections of PBA station and tunnel-column station

通过众多工程实例计算分析发现，地下2层“洞桩法”暗挖车站的钢管混凝土柱承载力控制工况为车站主体二次衬砌扣拱后开挖至地下1层中板下的施工阶段。随着北京地铁线网密度增加，在新一轮地铁建设中车站埋深加大，出现了地下3层“洞桩法”暗挖车站。由于覆土厚度加大导致钢管混凝土柱承受荷载加大，同时相比地下2层车站柱长加长，因此，对柱承载力计算更为不利。若因施工阶段受力需要加大钢管混凝土柱直径、提高材料等级，而在永久使用阶段未充分利用柱承载力，将造成一定的工程浪费。

在当前设计规范及相关研究中，均未明确“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力计算的柱底端约束条件。本文借鉴铁路桥梁、建筑桩基等高承台桩基竖向承载力计算方法，建立“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力数值计算模型，对钢管混凝土柱初始偏心距对柱承载力的影响，以及柱底端桩基对柱的约束作用进行分析，以期为“洞桩法”暗挖车站施工阶段钢管混凝土柱承载力计算提

供参考。

1 钢管混凝土柱承载力计算存在的问题

根据现有设计规范[1]，“洞桩法”暗挖车站钢管混凝土柱承载力计算是在柱轴心

受压承载力基础上，考虑柱垂直度及施工误差引起的偏心距影响，以及根据柱顶、底端约束条件确定柱计算长度，进而对钢管混凝土柱轴心受压承载力考虑偏心距和长细比折减，得到钢管混凝土柱竖向承载力。

现有设计规范[1]对“洞柱法”暗挖车站规定，混凝土柱顶、底端与纵梁端承式连接，柱顶、底端与纵梁按铰接支座考虑，柱长修正系数取值为1。对于“洞桩法”暗挖车站，施工阶段钢管混凝土柱顶端与纵梁端承式连接，柱底端为埋入式柱脚，柱嵌入桩基内长度按规范[2-3]要求确定，并可将柱与桩基视为刚性连接；桩基位于地基土体中，如何确定桩基及桩周土体对柱的约束作用，计算柱承载力，目前设计规范及相关研究均未见明确结论。

2 桥梁及建筑高承台桩基承载力计算

2.1 高承台桩基承载力计算模型及方法

针对高承台桩基承载力计算，国内已有相关学者开展了研究，方法主要有理论推导、数值计算等。杨维好等[4]、赵明华等[5]均是采用能量法对桩顶、底端不同约束条件、不同桩侧土体约束作用下的竖向稳定性问题进行研究，得出相关承载力计算公式；但其计算结果均需进行公式推导，难以进行工程应用。铁路桥梁桩柱式高桥墩桩基[6]及建筑高承台桩基[7]承载力计算均考虑桩身压屈对桩身承载力折减，即桩

基下部埋入土体，当桩基露出土体长度较大时，需考虑桩基在竖向荷载作用下的压屈对竖向承载力的折减。根据桩基入土深度h、桩侧土水平抗力系数的比例系数

m及桩端约束条件确定桩身压屈计算长度lc(见表1)，由桩基长细比查表确定桩身稳定系数φ，计算桩基屈曲临界荷载

N=φcN0φ。

式中：φc为基桩成桩工艺系数，考虑不同成桩工艺对桩身混凝土受压承载力影响；N0为柱轴心受压承载力。

表1 桩身压屈计算长度Table 1 Length of pile buckling calculation工况图示桩身压屈计算长度lch<4.0/αh≥4.0/α 单桩或位于与外力作用面相垂直面内的单排

桩桩底支于非岩石土中lc=1.0×(l0+h)lc =0.7×(l0+4.0/α) 桩底嵌于岩石内

lc=0.7×(l0+h)lc =0.7×(l0+4.0/α)

注：α为桩土变形系数。

“洞桩法”暗挖车站钢管混凝土柱承载力计算模型如图2所示。

图2 “洞桩法”暗挖车站钢管混凝土柱承载力计算模型

Fig. 2 Calculation model of bearing capacity of concrete-filled steel tubular column of mined station by PBA method

“洞桩法”车站顶拱二次衬砌扣拱完成后柱顶端与顶纵梁为端承式连接，按现有设计规范，柱顶与梁按铰接支座考虑，柱下端嵌入桩基内。即在钢管柱承载力计算模型中可将车站顶梁简化为铰支约束，柱底为桩基及桩周土约束。可按桥梁、建筑高承台桩基规范中对桩基部分埋入土体、桩顶铰接情况的规定，桩底自由或嵌固，考虑桩周土体约束，确定桩基长细比，计算得到桩基承载力[6-7]。“洞桩法”暗挖

车站施工阶段柱顶端铰支，柱底端嵌入桩基，桩基埋入土体中，其与桥梁、建筑高承台桩基的桩基承载力计算模型一致，可借鉴桥梁、建筑高承台桩基承载力计算相关结论，对“洞桩法”暗挖车站施工阶段柱承载力计算方法进行研究。

2.2 高承台桩基承载力计算相关结论

采用桥梁、建筑高承台桩基承载力计算方法，按钢管混凝土柱埋入土体内8 m，

计算柱底自由、柱底嵌固2种情况下，柱周地基土水平抗力系数的比例系数m不

同时钢管混凝土柱(后续数值计算模型中柱截面相同)承载力如图3所示。当柱底嵌于岩石内时，随柱侧土体约束作用加强(m值增加)，m值提高到38.1 MN/m4后，