泄水減壓技術在地鐵車輛地下停車場結構抗浮設計中的應用

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(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 環(huán)境與設備設計處，陜西 西安 710043；2.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266045)

地鐵車輛停車場是保障地鐵正常運營的后勤基地，承擔車輛的運用整備和日常維修保養(yǎng)工作[1]。停車場的占地面積較大，在城市建設用地日趨緊張的情況下，停車場的用地獲取也越來越困難。利用地下空間設置停車場，集約化地利用城市土地資源，成為地鐵建設的新模式[2]。

地鐵車輛地下停車場其上部荷載較小，基礎埋置較深，地下結構抗浮問題特別突出。如何在既節(jié)約資源又對周邊環(huán)境影響小的前提下,解決此類大面積地下結構物的抗浮問題，是大力發(fā)展地下空間必須面對的重要問題[3]。青島地鐵13號線靈山衛(wèi)停車場結構抗浮設計中采用了泄水減壓技術。本文對此進行分析，為類似工程提供參考。

1 工程概況

青島地鐵13號線靈山衛(wèi)地鐵車輛停車場為全地下停車場，采用框架結構，地下結構面積近5萬m2。根據停車場不同區(qū)域的功能要求，結合地形，停車場分為層高8，9，10 m 3個區(qū)域。建成后蓋板絕對高程16.62～18.62 m。基坑開挖采用明挖法施工，基坑深度7.0～17.4 m，基礎采用柱下獨立基礎+防水底板。停車場的平面布置如圖1所示。

圖1 停車場平面布置示意

2 抗浮技術方案比選及泄水減壓抗浮技術的適用性分析

2.1 抗浮技術方案比選

地下建筑抗浮技術方案分為主動的和被動的2大類。主動抗浮技術方案是通過減小水浮力的方法實現地下建筑的抗浮穩(wěn)定，主要是泄水減壓。被動抗浮技術方案是通過提高地下建筑的抗浮能力從而達到地下建筑的抗浮穩(wěn)定，包括超挖配重、設置抗拔樁等[4]。

超挖配重是通過適當加大基礎埋深、增加建筑自重來抵抗浮力。加大基礎埋深會增加基坑開挖量、基坑支護深度、地下結構高度和室內回填量。由于配重的重量會被增加的水頭浮力抵消一部分，故其效率較低，適用于自重與浮力相差較小的工程，本工程不適用。設置抗拔樁是利用樁體自重和樁側摩擦阻力來提供抗拔力，是一種常用的抗浮方案[5]，適用于非巖石地基的工程。由于抗拔樁受裂縫控制，其與地基土的抗拔摩擦阻力不能充分發(fā)揮作用，效率不高，工期長，無法滿足本工程的工期要求。

泄水減壓是利用永久性降水和排水的方法來使基坑底部的水位始終處于預定的標準之下，能夠有效地減少地下水對建筑物的浮力，進而使建筑物具有抗浮的作用。在周邊環(huán)境允許的情況下，泄水減壓施工過程較方便，并且成本低廉。鑒于本工程地形特點，該技術適合本工程，但要重點考慮可能出現的淤堵情況。

2.2 泄水減壓抗浮方案的適用性分析

停車場所處地形為東高西低，南高北低，項目所處地段具備泄水減壓實施條件。

泄水減壓技術對地下室土體的要求較高。要求地下室周圍土體為滲透性較差的黏土，地下水類型主要是上層滯水、潛水[6]。該地區(qū)地下水補給來源主要是大氣降水和上游山體徑流水。主要排泄方式是蒸發(fā)和徑流排泄。根據工程地質勘察報告，本場區(qū)地下水類型多且分布不均勻，不是主要的水源地。坑底位于基巖中，不會發(fā)生突涌水。工程及水文地質條件適合采用泄水降壓技術。

3 泄水減壓抗浮系統(tǒng)設計

3.1 泄水減壓抗浮原理

泄水減壓抗浮原理是通過盲溝排水主動降低地下室抗浮水位，從而釋放部分或全部地下水浮力[7-8]。盲溝排水分為完全依靠地下水靜止水壓力主動排水和主要依靠地下水靜止水壓力排水并輔以機械排水2種方式[9-10]。結合本工程地質及環(huán)境情況，在基坑側壁外和底板下開挖泄水盲溝，盲溝采用碎石填充，內埋軟式透水管。通過盲溝將滲入基坑側壁和底板下的地下水匯集在匯水井中，再通過排水管排泄至場區(qū)西側蓄水池中，以便將抗浮水位控制在結構自身的抗浮能力之內，達到泄水降壓的目的。

3.2 基坑涌水量

泄水減壓抗浮系統(tǒng)設計要重點考慮場地內長期存在地下連續(xù)墻等擋水結構，地下水的每日抽排量和場地周圍地下水流場變化，以及排水對周圍環(huán)境的影響[11]。

場地地質情況復雜，各地段滲透系數差異較大。為準確計算基坑涌水量，參考全場區(qū)天然交變電場物探結果，將基坑劃分為10個小區(qū)進行計算。各小區(qū)地下水類型及水文地質條件類似。基坑涌水量計算時假定將地下水降至坑底設計標高以下1 m，計算無擋水結構時涌水量。極端情況下基坑各小區(qū)涌水量計算結果見表1。

表1 極端情況下基坑各小區(qū)涌水量 m3/d

為保證工程安全，基坑涌水量取表1中各小區(qū)坑壁、坑底涌水量之和，確定為473.8 m3/d。

3.3 盲溝布置及泄水能力計算

在主體結構以外沿建筑周邊設置1圈排水盲溝，盲溝內設置軟式透水管，構成環(huán)形排水系統(tǒng)，用于排泄肥槽中地下水。在坑底設置盲溝，盲溝以從東向西排水為主，在南北向設置盲溝與東西向盲溝連通，達到將東西向各條盲溝互為備用的目的。東西向排水盲溝間距20～40 m，在水量較大或集中出水點應加密布置或加大管徑。南北向盲溝間距30～50 m。將盲溝與集水井相連，使地下水匯聚在集水井中，然后通過排水管排入蓄水池中。坑底盲溝布置分為A,B,C 3個區(qū)，如圖2 所示。

圖2 坑底盲溝平面布置示意

C區(qū)即表1中的Ⅶ，Ⅷ，Ⅸ，Ⅹ區(qū)。由表1可以算出極端情況下C區(qū)坑底涌水量為106.6 m3/d。根據盲溝布置要求，C區(qū)擬布置8～12條縱向排水盲溝。由于地下水礦化度較高，進行泄水抗浮設計時應充分考慮盲溝的堵塞及其造成的影響。對其泄水能力作適當折減，盲溝直徑取100 mm。C區(qū)坑底地下水位在7.7～8.2 m，對盲溝泄水量進行計算，最小泄水量為150.8 m3/d，大于C區(qū)極端情況下涌水量106.6 m3/d。計算結果滿足要求。

B區(qū)即表1中的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)。由表1可以算出極端情況下B區(qū)坑底涌水量為182.8 m3/d，加上C區(qū)涌水量106.6 m3/d，則總涌水量為289.4 m3/d。 B區(qū)擬布置4條縱向排水盲溝，對其泄水能力作適當折減，盲溝直徑取150 mm。B區(qū)坑底地下水位在7.7～8.2 m，對盲溝泄水量進行了計算，最小泄水量為308.9 m3/d，大于B區(qū)和C區(qū)總涌水量289.4 m3/d。計算結果滿足要求。

A區(qū)即表1中的Ⅰ，Ⅱ區(qū)。由表1可以算出極端情況下A區(qū)坑底涌水量為48.9 m3/d，加上B區(qū)和C區(qū)總涌水量289.4 m3/d，則總涌水量為338.3 m3/d。C區(qū)擬布置3條縱向排水盲溝，對其泄水能力作適當折減，盲溝直徑取200 mm。A區(qū)坑底地下水位在7.7～8.2 m，對盲溝泄水量進行了計算。最小泄水量為524.1 m3/d，大于3個區(qū)總涌水量338.3 m3/d。計算結果滿足要求。

由表1可以算出，極端情況下坑壁總涌水量為135.5 m3/d。肥槽中擬布置1條縱向排水盲溝，對其泄水能力做適當折減，盲溝直徑取250 mm。肥槽中地下水位在8.2～8.7 m，對盲溝泄水量進行了計算。最小泄水量為161.5 m3/d，大于坑壁總涌水量135.5 m3/d。計算結果滿足要求。

3.4 水位監(jiān)測

為監(jiān)測坑底水位情況，場區(qū)共布置了5個水位監(jiān)測點(見圖2)，每個監(jiān)測點設置液位計，另在西側集水井內設置液位傳感器及水泵。

場地抗浮設防水位絕對標高最低為13.0 m，最高為21.0 m，中間位置按等差計算取值，每米水頭浮托力按10 kPa考慮[12]。

地下室地面標高8.1 m，防水板底標高6.3 m。分別計算結構頂板、防水板、覆土、擋土墻等自重，得出結構自身在滿足整體抗浮安全要求的情況下抗浮水位為14.9 m，局部抗浮水位為9.7 m。結構自身抗浮極限水位由局部抗浮水位控制，取9.7 m。泄水減壓將地下水水位控制在9.5 m以下能保證結構安全。

當集水井中水位在7.0 m以下時為正常水位。當水位達到起泵水位7.5 m或玻璃液位計中水位達到警戒水位9.0 m時，應自動開啟1臺水泵進行排水。當水位達到報警水位8.0 m或玻璃液位計中水位達到最高水位9.5 m時，應自動同時開啟備用水泵進行排水，并應及時通知相關人員采取下一步應急預案。當集水井中水泵損壞喪失排水能力時，應在玻璃液位計中水位達到9.5 m前啟用應急水泵進行降水。

4 對周邊環(huán)境的影響及需要采取的防護措施

4.1 對周邊環(huán)境的影響

泄水減壓抗浮方案成功與否主要取決于 2 個因素：①泄水減壓系統(tǒng)的可靠性和耐久性；②泄水減壓對周邊環(huán)境的影響[13]。

采用泄水減壓抗浮方案后，場地地下水位的變化對周邊環(huán)境的影響主要有以下4點：

1)場地的地下水補給主要來源是濱海大道南側的山體。由于有濱海大道的阻隔，并采取一定的技術措施，場地地下水位的降低不會對濱海大道南側山體地下水造成大的影響。

2)場地東北側地勢低于本場地。采用泄水減壓抗浮方案后，場地地下水位的降低對東北側的地下水補給將產生一定的影響。由于基坑設置了止水帷幕，隔斷了基坑內外地下水的聯(lián)系，場地地下水位的降低不會造成基坑外地下水位的大幅下降。

3)場地西側地面標高低于本工程基坑底部標高，故采用泄水減壓抗浮方案后不會對相關建筑物及市政管網造成影響。

4)降水對基坑周邊50 m以外的地下水影響非常弱，不會引起基坑周邊50 m以外地面沉降[12]。但對基坑附近地面會產生一定影響，在基坑支護設計中應引起足夠重視。

4.2 防護措施

防護的主要措施是對地下水源的控制與疏導。針對不同地下水源，分別采取如下措施：

1)地表雨水排放

對地表雨水進行有組織排放。為防止雨水垂直滲透，在基坑肥槽內適當位置增加阻水層，以減少雨水沿肥槽向坑底滲透。

2)基坑四周裂隙水控制及疏導

本工程裂隙水水量不大，滲透系數為0.054～0.140 m/d[12]。基坑回填后，基坑四周的裂隙水將匯入肥槽內，通過相應的盲溝匯入集水井內，通過排水管排入蓄水池中。

3)坑底裂隙水排放與控制

在坑底獨立基礎之間設置碎石盲溝，使坑底裂隙水自東向西排出，匯入集水井中。

4)黏土區(qū)域地下水排放與控制

局部基礎處于黏土層，為防止地下水對基礎持力層的不利影響，在黏土區(qū)域的盲溝設計中增加反濾層，反濾層由土工布、反濾砂層、碎石層等組成。

5)坑底防水

坑底增設防水底板可有效提高防水防潮效果，保證室內環(huán)境不受地下水的影響，并且防水底板使結構具有一定的抗浮能力，可以承擔一定的水壓。在極端情況下也能使地下水的排放由無壓自流狀態(tài)變?yōu)橛袎盒沽鳎鰪娒系男顾芰Α?/p>

5 結論

本工程目前已實施完成，泄水減壓抗浮技術應用效果較好。該技術適用于地下水位較高、上部荷載較小、抗浮問題比較突出的大型地下工程。通過本工程的實踐，得出主要結論如下：

1)工程場地地下水的排放，將引起一定范圍內地下水水位降低，但對周邊環(huán)境造成的影響較小，可以通過工程措施加以控制。

2)坑底盲溝的布置要縱橫連接，同時適當增加盲溝的數量和加大盲溝直徑。施工中要確保排水系統(tǒng)的質量，確保系統(tǒng)的耐久性、可靠性和安全性。

3)須做好系統(tǒng)的水位監(jiān)測。設計時要在合理位置布置水位監(jiān)測點，設置相應水位監(jiān)測及應急排水設施。定期巡視檢查，及時掌握地下水位變化情況。若發(fā)現有地下水位急劇變化、地面開裂、塌陷等現象，應及時查明原因，消除隱患。