地下空間抗浮設計

傅承誠，吳 炳

1.浙江聯合建工設計研究院有限公司，浙江 紹興 312000

2.浙江聯建工程設計有限公司，浙江 紹興 312000

隨著我國改革開放的不斷深入，城市用地越來越緊張，城市地下空間的開發和利用日益得到政府部門的重視，許多城市利用廣場、綠地等建設地下工程，但是建設地下工程，都受到著地下水的浮力作用，如地下鐵道和隧道、地下商場、地下人行通道等地下工程都受到地下水浮力的作用，導致建筑底板破壞、梁柱節點處開裂及底板的破壞等。因此，工程的抗浮設計是否正確合理，直接關系到工程的安全可靠和工程造價，應引起設計者的高度重視。

1 存在的問題

地下建筑的層數一般不高，但是建筑面積非常大，導致地下室處在地下水的浮力作用下，不能用自身重量來平衡這種浮力，導致地下建筑的頂板受到巨大力的作用，對于層數在3層以下或底板埋深＞7m的地下室來說，永久抗浮安全度往往不夠，導致地下室整體或局部上浮的工程事故時有發生，給國家和人民帶來了極大的損失，隨著地下空間的逐步利用，人們總結了出現這種問題的原因：

1）沒有考慮到地下水浮力的作用或沒有對水浮力作用機理有足夠的認識，導致在建設地下工程時沒有做抗浮驗算；

2）沒有做好施工現場的地下水勘察工作，導致抗浮設計中地下水水位的取值不當，沒有考慮到極端天氣下出現的最高水位；

3）設計人員忽視了抗浮計算中的一些因素，導致抗浮措施不當；

4）施工單位在地下工程建設過程中對于抗浮措施沒有引起足夠的重視。

2 地下工程抗浮措施的選擇

下水浮力的作用機理，可以采取配重法來平衡水浮力，這種方法簡單有效，主要可以通過增加自身的重量來抵御水的浮力；工程上也采用設置抗浮樁的方法解決抗浮問題，其原理和配重法一樣，只不過設置抗浮樁是利用樁側面和土體的阻力來平衡浮力的。

對于配重法，適用范圍廣，可以將增加的重量設置在底板上，通過抗浮計算得到需要配置的重量，然后再底板上設置回填層，用土、砂、石等密度大的材料進行回填，利用回填物的重量來增加地下工程的總體重量，達到抗浮的目的。有時可以利用底板外挑部分回填一部分配重，達到增加自身重量的目的；對于底板為板柱或梁板結構，可以利用底板柱帽或梁至地坪之間的空間設置回填土，這種方法可以解決地下工程抗浮問題，還可以作為底板的防水處理。綜上，配重法作為一種簡單可行的方法，不受地理條件、施工環境的影響，不但可以降低造價，還可以解決抗浮問題，常常作為基本方法予以采用。

采用抗浮樁進行抗浮設計，主要是利用抗浮樁側面與土體的摩擦來抵消地下水浮力的，抗浮樁的效果與樁長、樁徑、樁型以及周圍的地質條件都有很大的關系，因為制造抗浮樁的造價高，所以一般使用在柱、墻下等抗浮面積較大、受環境條件、施工條件影響大的地方。

抗浮錨桿是利用錨桿與砂漿組成一個錨固體，保證錨固體和巖土層的結合力，可以提高地下建筑的抗浮能力。抗浮錨桿具有造價低、施工方便、受力合理等優點，廣泛的用于地下空間抗浮施工。在實際施工中，施工人員要根據地下工程的結構形式、地質條件、浮力大小、施工條件和工期要求等因素確定采用何種抗浮措施。

3 地下工程的抗浮設計

3.1 設計流程

對于地下工程抗浮設計總原則，應該滿足下式要求：

式中：W為地下建筑自重及其上作用的永久荷載標準值的總和；

F為地下水浮力。

當地下建筑自重及地面上作用永久荷載標準值的總和不滿足（1）式要求時，應進行地下建筑抗浮設計。

在具體設計時當建筑物的地面上結構外邊線與地下建筑外邊線基本重疊時，地下建筑的抗浮設計按以下原則進行：

1）當結構重量大于地下水的浮力且滿足（1）式時，不必考慮地下水對地下建筑整體浮力作用，但應在設計中提出施工中必須采取隔水或降水措施降低地下水位；

2）當結構重量小于地下水浮力時，地下建筑肯定要設置永久性抗浮構件或采取其他有效措施以平衡地下水對整體結構的浮力；

3）上述兩種情況還必須考慮地下水浮力對地下建筑底板的反向作用，保證地下建筑底板構件在地下水反向作用下應具有足夠的強度和剛度，并滿足構件的上拱抗裂要求。

3.2 水浮力計算

一般情況下，水浮力可以由巖土工程勘察報告提供的用于計算地下水浮力的設計水位，根據阿基米德定律依照公式：

其中，V0為水浮力；F3為地下建筑重力；F4為覆土重力；A為承重地下水浮力作用的豎向受力單元的地下室柱網面積；F1為樁柱重力；F2為承臺重力；F5為±0.000以上主體垂直荷載。

若計算結果v＞0，則應采取抗浮措施。在浮力計算過程中要注意：當地下建筑面積與上部主體結構面積相同時，可簡單比較地下建筑水浮力與建筑總荷載的關系，來判斷是否可能發生上浮；當地下建筑面積大于上不主體建筑±0.000層面積時，或按裙房樓層比較浮力與建筑總荷載，浮力大于建筑總荷載時，應以豎向受力構件為單元分析浮力的平衡狀態。

3.3 抗浮設計

當計算所得的浮力V>0時，應采取抗浮措施，在選擇抗浮措施時，要做到經濟合理，首先要分析工程地質和水文地質條件，并分別區別施工階段和竣工后使用階段的不同情況。

1）施工階段的抗浮措施。地下建筑物若處于透水系數比較大的粉質粘土、粉土、砂土中，由于正值施工期間，地下建筑的頂板和覆土尚未完成，此時底板和外墻已施工完成。在地下水的作用下，形成了水浮力，當浮力不大時，可以利用排水明溝、集水井進行排水，以減少水浮力；當土質的滲透系數大，應在地下建筑底板中設置后澆帶，利用板下的墊石作為倒濾層，排除水后，直到地下建筑底板的水排干凈后，澆筑后澆帶的混凝土；

2）永久性抗浮措施。在上面提到利用配重法、抗浮樁法、抗浮錨桿等來平衡地下水浮力，工程中常用的永久性抗浮措施：抗浮錨桿，由于粘質粉土、硬塑狀粘土或風化基巖適宜鉆孔注漿，若地下建筑底板下是這些土層，可以利用注漿錨桿法。抗浮錨桿具有良好的底層適應性，易于施工，錨桿布置非常靈活，錨固效率高。由于其單向受力特點，抗拔力及預應力易于控制，有利于建筑構件的應力與變形協調，降低結構造價，在許多條件下，優于配重法和抗浮樁法。

4 地下建筑上浮后處理措施

當發生地下建筑上浮后，應盡快采取措施增加配重和降低地下水水位，以減小水浮力，再檢查地下建筑上浮是否造成建筑結構的破壞，破壞過程是否可以修復。常用的幾種地下建筑上浮處理方法：1）加載。設法迅速增加地下建筑的重量，以克服水浮力及地下建筑側墻與土體之間的摩擦力，使卡在土層中的地下建筑沉回原位；2）抽水。可以在現場重新啟動原有的抽水井或另行打設抽水井以降低水壓；3）解壓。在地下室底板上鉆孔，以宣泄地下水，此外如果地下建筑外側有足夠的場地，可以考慮將周邊塌方部分挖除，可以使地下建筑較易于下沉。

5 結論

地下室的抗浮設計是結構設計中的一個重要組成部分。設計人員應根據地下工程具體情況進行認真分析，正確計算水浮力與抗浮力，處理好工程整體抗浮與局部抗浮的關系，選擇合理的抗浮措施，既保證地下工程的安全，又節省投資。

[1]裴豪杰.地下結構的抗浮設計探討，2004.

[2]劉開發.地下結構抗浮設計討論，2010.

[3]袁正如.地下工程抗浮設計中的幾個問題，2007.