房建大規模地下結構抗浮施工技術研究

文／鄭小東 中交路橋北方工程有限公司 北京 100024

引言：

隨著我國經濟的快速發展、城市建設規模的日益擴展，地下空間的開發利用日漸增多，高層建筑地下室、地下車庫單體面積日益增大，尤其是地下車庫長度不斷擴大，地下室的平面布置越來越大，有些甚至達到或超過200～300米，然而由于結構物自重及上部荷載重量小于地下水向上的浮力，使得這些地下結構往往處于補償或超補償狀態，在浮力作用下引起結構內應力重分布，結構可能失穩或破壞，或由于不同程度上浮造成外墻開裂、底板開裂甚至斷裂等質量和安全問題，造成巨大的損失。

近年來，由于在地下結構設計與施工過程中低估了場地內的地下水，水壓力實測與理論相差較大，或是采取的抗浮措施不當，導致地下結構上浮破壞的事故并不少見。大多設計地下車庫時主要考慮的是車庫建成后使用期間的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態，對施工期間的抗浮施工技術缺少關注。因此，開展房建大規模地下結構抗浮施工技術理論和實踐研究，對指導抗浮設計和施工，在確保結構安全可靠的同時降低工程造價，具有重要的科學意義和工程應用前景。

1、項目工程施工概況

本工程為泰安市東平縣東平街道古臺寺村城市棚戶區改造項目一期（簡稱“古臺寺一期項目”），其位于東平縣東平街道古臺寺村，在建開源公館南鄰，毗鄰飛云溪、大清河、東平縣人民醫院（西院），總建筑面積115965.29m2，占地面積68.62畝，分為1#～6#住宅樓、1#換熱站、25#公建、地下車庫。主樓與地下車庫整體大開挖，基坑整體呈長方形，基坑東西長約219m，南北寬約180m，基坑開挖深度5.0m，筏板基底高程為38.50m，自然地坪標高43.50（見下圖1）。

圖1 深基坑環境平面圖

1.1 場地地層及其工程特征

⑴層1耕土(Qpd)：黃褐色，松散，稍濕，主要成分為黏性土，含少量植物根系。場區內分布普遍，該層層底深度0.40～7.00m，層底標高42.56～43.53m，總層厚0.40～7.00m。

⑵層2粉質黏土：（Q4al）：褐黃色，可塑，含少量氧化鐵條紋，無搖震反應，稍具光澤反應，干強度及韌性中等。場區內分布普遍，層底深度2.50～10.00m，層底標高38.44～41.15m，總層厚2.00～4.60m。

⑶層2-1粉土：（Q4al）：褐黃色，稍密，濕～很濕，含少量云母片，搖震反應迅速，無光澤反應，干強度及韌性低。場區內局部分布，厚度0.90～3.50m。

⑷層3黏土：（Q4al）：灰褐色，可塑，含少量有機質，無搖震反應，具光澤反應，干強度及韌性高。場區內分布普遍，層底深度5.00～12.30m，層底標高36.00～38.83m，層厚0.80～3.50m。

⑸層4粉質黏土：（Q4al）：褐灰色～灰黃色，可塑，無搖震反應，稍具光澤反應，干強度及韌性中等，含少量氧化鐵條紋及砂粒，局部相變為黏土。場區內分布較普遍，層底深度6.00～18.20m，層底標高31.55～37.68m，層厚0.50～6.70m。

⑹層5中細砂：（Q4al）：褐灰～灰黃色，中密，飽和，含少量黏性土，砂粒成分為石英、長石，級配較好，分選性較差。場區內分布較普遍，層底深度10.80～21.50m，層底標高27.73～32.85m，層厚2.20～9.00m。

1.2 地形、地貌及地下水

⑴建筑場地地形起伏不大，較平坦，場地東北角堆有周邊工地近期基坑開挖形成的渣土，測得勘探點地面高程為43.06～50.12m。場地地貌單一，屬沖積平原地貌單元。

⑵勘探期間，穩定水位埋深2.65～10.02m，穩定水位標高39.93～40.60m。場地下水類型為第四系潛水，含水巖組為5層中細砂、6層中粗砂，滲透性強，富水性好。

⑶根據調查及搜集的有關資料，場地正常水位變化幅度約3m，歷史最高水位及豐水期水位標高可參考43.00m考慮。

2、浮力與施工期間抗浮水位的定義

《建筑工程抗浮技術標準》(JGJ476-2019)的2.1.11條對“浮力”解釋為：“靜水壓力滲流水壓力及承壓水壓力等對地下結構底板產生抬升作用的豎向壓力”；由于地下結構底板埋置深度與承壓水層位置關系千變萬化，有時甚至對地下結構底板因其上有覆蓋一定厚度土層的存在而不出現浮力作用，浮力大小需結合具體狀態計算確定。

《建筑工程抗浮技術標準》(JGJ476-2019)的2.1.12條對“抗浮水位”解釋為：“建筑工程在施工期間內滿足抗浮設防標準時可能遭遇的地下水最高水位，或建筑工程在施工期間內滿足抗浮設防標準最不利工況組合時地下結構底板底面上可能受到的最大浮力按靜態折算的地下水位”；巖土工程勘察規范(GB50021-2001) 要求“尚應提供用于計算地下水浮力的設防水位”，先有水文地質勘探才能設計結構基礎，即: 地下結構抗浮水位值需有嚴格詳細的巖土勘探數據支撐。

3、確定抗浮水位、浮力值

3.1 抗浮水位的確定方法

一般地質勘探報告中都只會提及常年最高水位，以及勘探時期地下水和水位可能出現的深度范圍。然而地下結構抗浮設計水位往往與勘探期間實測的穩定水位和最高水位有區別，需要根據勘探期水位、歷史最高水位、每年出現的最高水位，結合地層下的水類型、含水層最高水位出現的深度以及地下水的外來流入、排泄等，按照工程的特點的相應要求，綜合考慮確定一項工程的抗浮水位。

設計院人員在設計建筑工程地下結構時，根據以往經驗取工程所在地穩定水位作為抗浮水位是不合適的，它僅僅是早起勘探單位在勘測期間實測的某一天或者某個時辰內的水位，沒有考慮季節和氣候變化，比如：雨季和冬期、高溫和低溫、雨雪等變化影響；可以這么認為，如果這時處于干旱季節，測得的水位一般是偏低的，一旦下雨出現汛期則會出現上浮現象；由于人力、物力、工期、成本的因素，勘探單位很難長時間持續觀測水位，因此，在不利條件下地下水最高水位取值按下述辦法確定：

⑴對于有成熟研究技術成果或經驗的發達地區，可以參考相應研究技術或經驗綜合確定地下水最高水位；

⑵對于無其他可借鑒經驗和研究成果時，可參照下列方法確定：

①當建筑場地附近有與地下水存在水力聯系的地表水體時，應專門建立滲流模型，考慮到地下水水位動態的主要影響因素的變化，進行滲流分析，獲取相應含水層地下水的遠期最高水位。滲流模型應經現場水位監測數據的驗證；

②當建筑場地遠離其他水力邊界時，可以根據當地數據觀測結果進行數據統計分析，并結合當地現有施工經驗對比取值；

③有條件的情況下，可以在區域地質及水文地質分析的基礎上，建立工程所在的水文地質單元的地下水滲流模型，并根據最新的預測條件進行遠期水位預測，然后結合建筑物場地的具體地層及地下水條件進行綜合取值。弱透水層中不利條件下最大孔隙水壓力可以通過上、下相對穩定含水層中不利條件下最高水位作為邊界，進行垂向一維滲流分析獲得。

④地下結構四周的肥槽選用附近粘性土回填，施工時采用機械配合人工分層回填夯實，夯實過程不能破壞主體結構，但隊伍施工時往往在管理人員不注意時參入雜土，這樣很容易出現肥槽土體密實度不夠、滲透水嚴重，一旦出現強降水天氣的話，勢必把肥槽泡軟，土體含水量加大，出現沉降，而且排水困難，對主體結構造成安全隱患，因此，假定按照實際水位為抗浮水位。

⑤本項目靠近東平大清河，屬于河沿岸項目，大清河地下水位至南向北流動，地下水與基坑底存在相互流通關系，按照最不利工況考慮，抗浮水位值可以到達河最高水位。據當地資料記載，大清河洪水位經常高于地面，受地形影響，地下雨水長時間聚集在附近2公里范圍內，導致本工程常年處于低洼處，雨水匯集的情況，因此，這個時候的抗浮水位宜取至室外地坪標高。

3.2 抗浮水位值

查看設計施工圖可知，本工程的地下結構筏板基底標高為38.5m，基礎持力層處于層3黏土中?？碧綖槠?0天左右，無施工場地長期觀測孔位數據，所以地下結構的抗浮水位取值確定原則是: 著重考慮地下第四系潛水的水位變化。主要從以下幾方面去考慮:⑴考慮地下結構施工初期的年最高水位，即抗浮水位為40.0m；⑵勘探期間平均穩定地下水位變化幅度在3m左右，且流向為南北方向；⑶勘察作業為9月份，東平地區的地下水非常豐富，此時建筑場地豐水期水位標高接近于地表標高，變化幅度可忽略不計，最高水位為:40.0+3.0= 43.0；⑷本深基坑采用自然放坡1:0.5開挖，屬于大規模土方開挖，肥槽填土量較大，存在地表水通過回填土抬升或意外補給地下水位可能，最高水位:43.0+0.5=43.5m。綜合以上分析，本項目地下結構的抗浮水位取值為43.5m。

3.3 水浮力值的計算方法

浮力值計算原理根據阿基米德原理來計算：

那么推算出地下結構單位面積的浮力為：

式中：p-單位面積承受的浮力值；A-地下結構物底面積；γw-水的重度；H-計算位置水頭；ψ計算位置處高程；h-水頭高度。

3.4 水浮力值

本工程抗浮工程設計等級為乙級，施工期間抗浮穩定安全系數 為1.0，施工圖要求地下車庫覆土層厚度在1.0～1.6m之間，密肋頂板厚230mm，外墻厚250mm，筏板后厚550mm，墊層厚100mm,覆土容重不大于18kN/m3，車庫頂施工過程中最大荷載為5kN/m3，混凝土重度取25kN/m3。

結構覆土重：Q1=1.6m×18kN/m3=28.8KN/m2

結 構 自 重：Q2=（0.23m+0.25m+0.55m+0.1m）×25kN/m3×1.1=31KN/m2

（系數1.1為考慮地下結構墻、柱、柱帽及建筑面層等的自重）

結構上部重量：Q=Q1+Q2=28.8KN/m2+31KN/m2=59.8KN/m2

水位高度：h=43.5-39.3=4.2m

水浮力： =10×4.5=45KN/m2

抗浮穩定性驗算：Q/ =59.8/45=1.33＞1.0，滿足抗浮施工技術要求。

4、采用“主動抗浮施工措施”控制地下水位

4.1 施工目的

確保水位降到基坑底以下0.5m，使深基坑在開挖期間無水作業，從而有利于提高土方開挖進度。

4.2 施工方式

本工程的深基坑地下水控制以“隔水、排水、泄水”取代“抗”的管井和排水盲溝降水施工方式。

4.3 具體施工措施

⑴基坑開挖前首先在開挖線外1.5m范圍設置降水井40眼，根據地下室筏板基礎施工后地質情況好壞再確定是否設置梳干井，計劃在基坑內適當位置設置梳干井24眼，全部采用旋挖鉆施工（見下圖2）。降水井、梳干井采用無砂混凝土濾管，管外徑為φ500mm，成孔直徑φ700mm，井深約為13.0m。濾管接頭處須用竹片及鐵絲綁扎結實，必要時接頭處包紗網。

圖2 基坑管井和排水盲溝施工平面圖

⑵濾管安置后需保持垂直和居中濾料必須沿四周均勻填入，濾料為2～7mm礫石，井口下1～2m四周用粘土填實封死。

⑶成井后必須馬上進行洗井工作，做到一邊打一邊洗，施工過程不得擱置時間過長或成孔后集中洗井。

⑷坡頂設置擋水臺，坑底設置排水盲溝，規格為300×300mm，開挖后及時用碎石充填（見下圖3）。每隔30～50m設置一個集水井，井深為0.8m（見下圖4），用潛水泵隨時抽排水。

圖3 排水盲溝立面圖（單位mm）

圖4 排水盲溝大樣圖（單位mm）

4.4 施工效果

深基坑施工降水井水位和基坑邊坡的監測委托了有資質的第三方根據施工現場進行了布置量測，從6個月監測的結果來看，本工程地下水位長時間保持在基底以下1.3m左右、邊坡變形值為2mm，完全符合設計和施工圖紙要求，地下水位滿足地下結構抗浮要求。

結束語：

⑴目前的技術和方法很難合理確定抗浮設防水位值，它牽涉到工程的安全質量、成本控制問題，本文具體分析了各種影響抗浮水位因素，如建筑場地附近有與地下水存在水力聯系的地表水體、建筑場地遠離其他水力邊界、季節氣候變化、臨近江河以及地下室回填土的質量等等，綜合考慮了各種最不利條件下，確定地下構筑物的抗浮水位。這里對勘探做出了很高的要求，不僅要完善巖土工程系列管理內容，而且在勘察報告內容上，具體化分析抗浮水位，論證得當正確，要體現出專業性，結果準確。

⑵在進行工程的抗浮設計施工時，要采取主動抗浮措施即滿足整體抗浮和局部抗浮驗算。本項目采用的管井和排水盲溝施工措施，可以永久性且有效地降低抗浮水位，這一施工技術推廣符合當前倡導的建筑環保的需求以及降低施工成本目的。因此，采用主動抗浮施工措施能很好對比傳統的“被動抗浮措施”設計施工方法，實現以“隔水、排水、泄水”代“抗”的管井和排水盲溝降水施工方式及時控制施工時的地下水位以滿足地下結構抗浮要求，總結出了一套房建大規模地下結構抗浮施工技術，期待研究成果為相應的單位提供類似抗浮施工技術參考依據，且不失為一種可行的抗浮施工技術。