地下室上浮事故的探因及處理措施

【摘要】近年，隨著地下空間的開發和利用越來越來越多，地下結構的抗浮問題日益突出，如何解決地下工程結構物的抗浮問題目前已成為一個經常面臨的問題。

【關鍵詞】地下室；上浮；原因；處理

1.引言

近年，隨著地下空間的開發和利用越來越來越多，地下結構的抗浮問題日益突出，發生了有不少地下室因地下水的作用而造成工程事故，如某醫院兩層獨立地下車庫，在施工過程中，出現整體上浮，最大上浮高度達1.42m；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結構梁、板、柱產生大量裂縫；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達350mm，柱間板出現45°破壞性裂縫……諸如此類問題時有發生，造成了財產的損失。如何解決地下工程結構物的抗浮問題目前已成為一個經常面臨的問題。

2.工程概述

某工程為人工挖孔樁和箱形地下室基礎，地下室埋深14.00m，長150.00m，寬71.50m（局部99.85m）；上部建筑為框剪結構，包括五層裙樓和雙塔樓 （A區主塔樓39層，D區塔樓24層）；E區部位只有地下室，沒有裙樓。工程完工后進行系統沉降觀測時，發現-0.05m板上浮，最大點達149mm，位于E區；此時在E，C區段一些近柱邊的框架梁端出現上寬下窄的貫穿性結構裂縫，給使用帶來一定的質量問題和安全隱患。

3.原因分析

通過深入分析，筆者認為地下室上浮工程事故的主要原因是：

3.1設計抗浮力取值小于工程場地實際

該工程設計對地下水位高度估計不足，對基礎局部抗浮未考慮及未提出施工控制要求，是本工程地下室在施工階段上浮的主要原因。事后經實測地下水最大水頭大于12.00m，并經復核地下室底板水壓達138.5kN/m2；而上浮波及的E區和C區段地下室單樁基礎直徑為1000-1200mm，長度為12-20m，布樁間距為9000mm×9000mm的人工挖孔鋼筋混凝土樁基，不可能承受差距極大的抗拔力（原設計為承受建筑物上部豎向下傳荷載）。

3.2設計未考慮基礎地下室結構局部抗浮受力差異

上部建筑高低懸殊，甚至同體地下室局部區段無上部建筑，造成上部建筑結構豎向荷載重心與地下室底板平面形心不重合，基底作用力（地基反力，包括浮力）對地下室底板的荷載分布不均。地下室上浮差值最大達138mm，地下室局部結構強度不足以抗拒，導致混凝土梁板開裂；在上浮最大區段正是位于無裙樓部位，裂縫情況也最嚴重。

3.3施工組織抗浮防范意識不強

工程施工在地下室回填后即停止了降水，地下水位恢復，又因其他原因暫時停止施工，并未作沉降觀測，以致發現混凝土結構出現裂縫，仍未覺察是地下室上浮所致。滯后近2個月才認識到事故原因，未能在第一時間內采取有效措施，加劇了本工程地下室和裙樓數層混凝土結構構件裂縫發展程度，增加了結構裂縫補強的工程量。

3.4其他原因分析

一般而言，地下室上浮的原因是結構體重量及地下室側壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運用，其中以洗砂作業程序最復雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程，并且有些結構在上浮時受到損壞，基礎底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補之。

地下室上浮的意外事件可能發生在各種地層中，包括透水性極低的軟件粘土層或極穩定的卵石層中。低水位也不保證不會發生上浮，因地下水位可能因暴風雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超過結構物重量及側壁摩擦力時則上浮隨之發生，建筑物將產生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。地下結構物的抗浮問題成為影響結構工程設計和工程投資效益的難題之一，并引起結構工程師的重視和廣泛關注。

4.地下室上浮的應急處理措施

發生地下室上浮事故，處理方式可視現場實際狀況，單獨使用或數種并用皆可，其處理原則是要使上浮的建筑物適度下沉，以利后續上部結構的施工。因地下室常因卡在土中和受底板下方淤積的泥砂影響，上浮的建筑物很難使其回沉至原始高程，經現場處理后殘留的上浮量可能須變更建筑設計或依賴后續施工進行修正，而底板下方的空隙則以灌注水泥沙漿的方式補實，幾種常用處理措施如下：

4.1設法快速增加地下室的重量

設法快速增加地下室的重量，即加載。以克服水浮力及地下室側墻與土壤間的摩擦力，使卡在土層中的地下室可沉回原位。簡單的加載方式可于一樓樓板上堆置重物，包括鋼筋或尚未運離現場之支撐、鋼板樁等有份量的物品，主要放置于翹起的角落，但要注意核算樓板的承載能力。另一種快速加載的方法則是直接往地下室灌水，利用水重加壓。但加載并不保證能達到所需的效果，增加的載重或許能克服水浮力及側墻與土壤間的摩擦力，但淤積于底板與基地土之間的泥砂則阻止地下室下沉。繼續增加載重只會使淤積的泥砂更緊密，進一步的下沉則難以發生。

4.2抽水以降低水壓

地下室上浮乃因地下水位過高所引起，因此可于現場重行啟動原有的抽水井或另行打設抽水井以降低水壓。但因地下室上浮后常卡在地層中，僅將地下水位降低并不足以令地下室下沉，須配合加載或洗砂等措施始能見效。但抽水的確是處理地下室上浮的基本動作，消滅上浮的動力后其他配套動作方可達到事半功倍的效果。

4.3解壓

某些上浮的案例因地層特性或場地限制以致無法抽水，此時蓄積于基礎底板下方的地下水壓可藉解壓孔消除。所謂解壓孔即是于地下室底板以鉆機或破碎機鑿孔，底板下方的地下水即可由此宣泄。某些運氣較好的案例上浮的地下室在底板解壓后即回沉至可接受的程度，否則仍須采用加載或洗砂等配套措施。此外若上浮的地下室外側有足夠使用之空地，可考慮將周邊土塌方部份挖除，如此可自行解除作用于地下室側墻的摩擦力，使地下室較易于下沉。

4.4洗砂作業

若抽水、解壓及加載等較簡單的補救措施無法達到預期的效果，則可考慮進行洗砂作業。洗砂的方法有二，一是利用高壓水擾動地下室側墻邊的土壤，以降低其摩擦阻力，但擾動后的土可能順勢流入底板下方，造成底板下方淤泥沉積眾多，反而不利于后續作業，采用側壁洗砂須加倍謹慎。洗砂的另一方法則是利用高壓水經由洗砂孔沖散并洗出基礎底板下方淤積之泥砂，使地下室得以順利下沉。洗砂作業前須先評估底板下方泥砂淤積的范圍，并于該范圍內選取數個或十數個適當位置，鑿穿基礎底板作為洗砂孔。洗砂作業另須使用污水馬達抽除洗出的泥水，其配置方式是在基礎底板鑿出開孔，或利用已鑿出之洗砂孔，放入污水馬達抽除以高壓水由側壁或底板下方洗出的泥砂、洗砂作業須有耐心，持續作業可觀察到地下室穩定而緩慢的下沉。

5.結語

地下室發生上浮后，應采取有效應急措施盡快控制地下室的上浮趨勢并使地下室基本恢復到原設計標高。但地下水不可能持續采用人工降低，臨時壓重也需拆除。因此，當經驗算，建筑物的荷重不足于抵抗地下室所受的浮力或地下室局部受力單元的垂直荷重不足于抵抗浮力時，就必須采取抗浮技術措施。抗浮樁可能是建筑工程抗浮設計應用最廣的技術措施。應該說所有的工程樁，只要樁身抗拉強度足夠大，均可以作為抗浮樁。有擴大頭的樁，因樁頭與土體產生剪切作用，抗拔力較大；大部分的樁是因樁身與土體之間的相互變形趨勢形成的摩擦力而起到抗拔作用，抗拔力較小。地下室底板所受浮力基本是均勻分布的，而上部荷重的傳遞是通過柱子或墻集中受力，浮力和上部荷重的平衡是通過地下室底板的板和梁來傳遞，因底板和梁的剛度相對較小，因此抗浮樁的設計要求分布比較密，受力比較均勻，單樁抗拔力并不需要很大。小口徑的錨桿樁因其施工工藝簡單，造價低，質量可靠，抗拔能力強，在抗拔設計中得到較廣泛的應用。