地下空間可持續發展
——深圳益田村地下停車庫抗浮問題的優化設計

劉卡丁

(深圳地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518172)

地下空間可持續發展
——深圳益田村地下停車庫抗浮問題的優化設計

劉卡丁

(深圳地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518172)

以深圳益田村地下雙層停車庫工程為例，指出該工程結構抗浮存在的主要問題，通過對比分析3種結構抗浮設計方案(錨桿抗浮、鉆(沖)孔灌注樁抗浮及泄水引流抗浮)，最終決定采用泄水引流抗浮方案，即利用動水壓力小于靜水壓力的原理，通過滲流、濾水措施排泄一部分地下水、控制底板下的動水壓力，從而減小結構受到的浮力，解決抗浮問題。該方案縮短了工期、減少了投資、減少了建筑材料的用量、使地下水得到循環利用，符合節能、環保、可持續發展的方向。

地下停車庫；結構抗浮；錨桿抗浮；鉆(沖)孔樁抗浮；泄水引流抗浮；可持續發展

0 引言

根據聯合國國際能源署的最新數據顯示，我國已超過美國，成為全球最大的能源消費國。2010年，中國的GDP 占全球的9.27%。中國能源、資源消費占全球消費總量的比例為：鐵礦43%、銅25%、煤炭43.4%、鋼材47.7%、鋁32%、水泥超過53%、原油9.7%。據國內報道，再過21年，我國煤礦蘊藏量將消耗殆盡。國際能源總署預測，再過28年，我國煤礦告罄(一般煤礦需要上億年的時間形成)。而哥本哈根全球氣候會議對我國的評價顯示，我國是環境污染大國、資源消耗大國及高成本國家。2009年單位GDP能耗統計顯示：我國單位GDP能耗相當于世界平均水平的3倍；每萬元GDP耗水量是世界平均水平的4倍；我國GDP相當于日本的49%，而能耗則是日本的3倍；我國用水總量與美國相當，但GDP僅為美國的1/8。可見，節約能源和資源勢在必行。在針對地下空間可持續發展利用的整體規劃、全局把握和模式研究方面，已經有不少專家、學者作了很多研究，如文獻[1]在節能減排、環境保護方面提出面向低碳經濟，實現城市可持續發展；文獻[2]結合通州國際新城運河新商務區地下空間的規劃研究,提出可持續發展的城市地下空間發展模式；文獻[3]主要認為應在加強地下空間使用的立法方面來確保地下空間開發的可持續發展；文獻[4]主要從地下空間總體結構布置方面論述地下空間規劃的編制過程中應該著重注意以人為本、減少消極空間、適當超前兼顧現實和注重銜接突出重點4個問題；文獻[5]探討了各個城市發展面臨的共同問題，分析了現今低碳城市的發展模式，不同地區地下空間的研發方向。可見，隧道及地下工程的節能、減排、可持續發展問題已日益受到重視。

隨著城市化進程的加快，可用的城市土地資源越來越少，地下空間的開發日漸成為城市發展的主要方向之一，大型地下停車庫、地下商業城、地下樞紐工程越來越多。受各方面因素影響，這類地下結構工程有時未規劃設計地面結構或上部荷載較小，使得地下結構抗浮問題特別突出。如何在既節約資源、能源，又對周邊環境影響小的前提下，解決結構抗浮問題，是大力發展地下空間必需面對的重要問題之一。目前，大部分地下結構工程是靠增加結構抗拔荷載或增加結構自身及上部荷載等方法來解決抗浮問題。在工程抗浮研究方面，文獻[6-7]介紹了錨桿作為地下工程抗浮措施的設計、施工和試驗的方法；文獻[8-9]介紹了抗拔樁在地下工程抗浮中的應用。在GB 50157—2003《地鐵設計規范》[10]條文說明中，對地下結構使用階段的永久抗浮措施的第4條為“在底板下設置反濾層泄水引流”。可見，泄水引流抗浮法早已被提出并寫入規范。但是，在實際工程中采用泄水引流抗浮，特別是采用控制水位的工程案例卻不多見。該方法對地下水位較高、上部荷載較小、抗浮問題比較突出的大型地下工程或大型下沉式廣場具有比較實際的借鑒意義。本文以深圳益田村中心廣場地下停車庫工程為例，重點介紹、分析超大淺埋地下結構泄水減壓抗浮設計。與錨桿抗浮和抗拔樁抗浮相比，該工程達到了節能、節資的目的，是可持續發展的地下工程的典范。

1 工程概況

深圳市益田村中心廣場地下車庫位于小區居住區的中部，南面為高層住宅，東西面均為多層住宅，北面為空地，周邊緊鄰小區的主要車行道。地下車庫為二層，負一層的層高為5.5 m，負二層為4 m，覆土為1.3 m；總建筑面積為58 218.1 m2,停車位1 498個，其地面為小區休閑廣場。上部荷載較小、地下水位高，結構抗浮問題突出。

圖1是地鐵益田站平面布置圖，地下停車庫中部是地鐵益田站折返線，其上部即為該社區二層地下停車庫空間。占地面積約3.56萬m2，周邊為高層、多層高密度住宅區。圖2是益田村雙層地下車庫效果圖，圖3是地鐵益田站原設計剖面圖。

圖1 地鐵益田站平面布置

圖2 益田村雙層地下車庫

(a)1-1剖面

(b)2-2剖面

本工程場地屬海沖積平原地貌，地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。本工程地質自上而下為：人工素填土、海沖積淤泥質土、黏土、砂層及殘積黏土，下伏基巖為燕山期花崗巖。基坑底板大部分位于黏性土及全風化花崗巖中，局部位于淤泥、淤泥質土及中、粗砂中。工程地質情況見圖4。水文地質情況見圖5。

圖4 工程地質條件

為了減少對周邊環境的影響，克服場地緊張的情況，圍護結構采用地下連續墻方案。基坑深度12.5 m，圍護結構插入底板以下6 m，主要在全風化花崗巖以及黏性土內。本工程采用中心島法開挖；先施工圍護結構、周邊逆作段鋼管柱及頂板，再放坡開挖中心島土方并施工該部分車庫結構，最后在頂板封閉后完成逆作段土方及車庫結構。

2 結構抗浮存在的問題

1)該地下停車庫上部荷載較小，地面為小區休閑廣場，沒有規劃高層建筑，上方局部只有2座三層建筑，頂板覆土只有1.3 m。

2)東西兩側有采光帶、中部有采光井。

3)地下水位較高(設計水位為-1.5 m)，水浮力較大，對鋼筋有中等腐蝕性，扣除結構及覆土荷載后仍有90 kN/m2的浮力。

可見該地下停車庫結構抗浮問題比較突出。

圖5 工程水文地質條件

3 抗浮方案比選

3.1 錨桿抗浮

采用φ180預應力錨桿，按2.1 m×2.1 m布置，抗拔設計承載力特征值為400 kN，數量約5 500根，根據地質報告計算需進入強風化巖層。由于錨桿截面小，表面積與體積之比大，施加預應力后增加了應力腐蝕的因素，容易受到腐蝕，因此在本工程的環境中，錨桿的防腐處理工作量也很大。而且由于截面小，不易振搗密實，需要采取壓力灌漿等措施保證成樁質量。錨桿抗浮方案可略減底板厚度為100～200 mm，在造價上以一個柱網8.4 m×8.4 m計，需錨桿15根，錨桿長度約為20 m，一個柱網的抗浮造價約為9萬元。

3.2 鉆(沖)孔灌注樁抗浮

采用φ1 000鉆(沖)孔灌注樁抗浮，樁按4.2 m×4.2 m布置，抗拔設計承載力特征值為1 200 kN，樁端進入全風化花崗巖不小于7 m。由于樁直徑較大，相對表面積與體積之比較小，受地下水的腐蝕影響小。由于布置間距大，能比較充分地利用承壓樁的抗浮能力，同時截面大，成樁質量更有保證，無需采用特別措施。從造價上看，以一個柱網8.4 m×8.4 m計，需鉆孔樁3根，樁長約為15 m，一個柱網的造價約為8萬元。

3.3 泄水引流抗浮

本工程地下連續墻進入了基坑底下的弱透水層并基本切斷了基坑內、外的水力聯系；地下水只能通過弱透水層繞流過地下連續墻到達底板下。通過在底板下設置反濾層排泄一部分地下水、控制底板下地下水的壓力，使地下車庫的水浮力與結構自重及覆土重達到一定的平衡，從而解決抗浮問題。不需設置抗拔樁及錨桿等結構工程，只需增加濾水、排水工程的一次性投資及后期維護成本，較錨桿及抗拔樁抗浮方案減少投資1 000多萬元。同時，因施工開挖至基底時，不需施工相關錨桿或抗拔樁，減少了基底暴露時間，及時封閉底板，有利于基坑施工的安全，同時縮短了工期3～4個月。

通過上述分析可見，泄水引流抗浮方案節約了工期和成本，因此采用本方案。

4 泄水引流抗浮方案研究

4.1 方案原理

按照結構力學的計算方法[11]，淺埋、明挖法施工的地下工程在設計中可不考慮地層的側向彈性反力，其抗浮計算為

K=Q重/Q浮≥1.0。

式中：K為抗浮安全系數；Q重為結構自重、設備及上部覆土重力之和；Q浮為地下水浮力。

大多數地下結構工程水浮力Q浮采用靜水壓力計算

Q浮=h靜γA。

式中：h靜為結構底板水位高度；γ為水的重度；A為結構地板的面積。

如果允許地下水穿過底板、流入地下結構內部的排水體系中，形成地下水在地下結構內外的滲流體系，在地下結構底板下的水壓為動水壓

Q浮=h動γA=(h靜-h設-h損)γA

式中：h動為動水壓中結構底板相對水位高度；h設為動水壓中的初始降低設計水頭；h損為動水壓中的水頭損失。

可見，針對同一埋深地下結構的動水壓力要小于凈水壓力。泄水引流的抗浮方案主要就是利用這一原理。

4.2 h動的確定

動水壓力中的h動由h靜、h設、h損3個因素控制。其中，h靜為固定值，地下水位明確后便可穩定；h損是在h設穩定后、利用達西定律通過有限元數值模擬或經驗公式計算得出；h設是確定h動的關鍵，可通過多次設定，使動水壓力產生的水浮力與結構自身及上部荷載的總和基本相同，并綜合考慮泄水量引起的投資變化、地面沉降對周邊環境的影響等因素方可確定。

如果h設設定越大，使得地下結構內外水壓越大，地下水的滲流流速越大，結構周邊土體中的微小顆粒被地下水帶走得越多，引起周邊地面沉降越大，對周邊環境影響越大；同時，由于地下水的滲流流速增大，使得結構內部的排水系統設備投資及后期運營成本加大，也與泄水引流抗浮方案的設計初衷不符。

如果h設設定太小，結構底板所受動水壓力就大，水浮力Q浮也大，可能還需增加一部分抗拔樁或抗浮錨桿等措施，增大了工程投資，也與泄水引流抗浮方案的設計初衷不符。

針對該工程的實際情況，經過多次有限元模擬試算，最終確定了本工程的h設為4.5 m。

在本工程中，通過控制地下車庫內部與反濾層、盲溝連通網管中的立管高度h立(h立=h靜-h設)，來實現對h設的設定。當底板下的水壓力超過了設計的h動，滲流進立管的地下水水頭大于立管高度h立時，立管里的水自動進入水平管內，流入設置在車庫兩側的蓄水池中。

4.3 對周邊環境影響評估

不論采用哪種抗浮方式(錨桿、抗拔樁、泄水引流)，周邊地面及建筑物的最大沉降量，應該出現在施工結構底板期間；此時，基坑內設置了降水井，其底部的水壓為零，基坑內外水壓力差值最大。短期來講，不論采用哪種抗浮方式，最大沉降量應該是一樣的。

當然，從長期來看，考慮到土體固結的時間效應，泄水抗浮對周邊環境的影響，施工期間與運營使用期間有疊加效應。這是因為這種抗浮方案需在運營使用期間不斷地抽排地下水。但是在運營期間，地下水的流動穿過了弱透水層以及反濾層，全程是通過滲流的方式到達塑料盲溝內的，水的流速也是比較慢的，土層內顆粒的流動、流失比較少(從目前階段的泄水量也可以看出來)，對周邊沉降影響不大。

通過多次的有限元模擬試算可以得知，當h設=3.4 m時，連續墻外側浸潤線(地下水位線)的最大降深為2.8 m，距離圍護結構15 m處(周邊房屋位置)的長期沉降在10 mm內；當h設=5.7 m時，連續墻外側浸潤線(地下水位線)的最大降深為4.9 m，距離圍護結構15 m處的長期沉降在16.5 mm內。最終本工程確定的h設值為4.5 m，距離圍護結構15 m處的長期沉降推算約為13 mm。

目前，該工程地下土建部分已全部完成，地面已覆土，經測量得到的周邊房屋及地表最大沉降約10 mm，與有限元模擬計算的結果基本吻合。

在確定了h動后，通過有限元模擬計算可以得到運營期本工程的泄水量約為400 m3/d；但施工底板期間的整個基坑內排水量只有200 m3/d。這樣看來，運營使用期間的停車庫泄水量應小于200 m3/d，周邊永久沉降可能要小于預測值。

也有可能，在枯水季節(地下水位較雨水期低)底板以下的滲透地下水壓力小于原設計h動，使得立管里面的水不能流到水平管網內，泄水量幾乎為零，對后期周邊沉降幾乎沒有影響。

5 具體措施

通過底板的土工布反濾層，地下水進入了碎石層內的塑料盲溝，塑料盲溝將地下水匯集到底板周邊的8處取水口內，有壓的地下水在水壓的作用下進入立管。水位高時，立管里的水進入了水平管內，流入水池中，故滲流的地下水壓力不會超過立管頂的水壓。通過水泵，將水池內的水抽到地面的蓄水池內，或用于綠化。

底板反濾層設計見圖6，泄水管網系統工作原理見圖7，地下水存儲凈化裝置見圖8。

該方案充分利用了淤泥質土和粉質黏土形成的天然隔水層,滲透系數k≤0.002 m/d,為弱透水層；充分利用靜水壓力和動水壓力的不同特性；采用該方案泄水減壓、抗浮，達到了低碳環保、節能節資的目的。

圖6 底板反濾層設計

圖7 泄水管網系統工作原理

圖8 地下水存儲凈化裝置

建成后的雙層地下停車場見圖9。

(a)

(b)

6 結論與思考

1)當地下水的滲透系數≤0.1 m/d，且無承壓水，排水量較小時，泄水減壓是非常有效的抗浮措施。

2)充分利用水流的原生態，降低有害壓力，減少建材的使用，減少環境污染，節約工程投資。

3)地下水實現就地循環，中水利用。

雖然，泄水引流抗浮法也存在“運營使用期間排水系統失效而引起抗浮失效、泄水量或周邊房屋沉降大于預期”等問題，但這些問題可以通過更多的工程實例進行研究、解決。在今后的工作中，應進一步研究泄水引流抗浮法中“使用期間的排水量、地下水繞流連續墻滲透到排水立管中的水頭損失、基坑外水位變化曲線、周邊建筑沉降”等問題，總結工程經驗、建立實用的計算體系，以利于該方案的推廣。

全世界每年要消耗數以億噸的煤電來生產混凝土、鋼筋，對環境造成了不可估量的污染；土木工程在保證安全使用的條件下應盡量減少鋼筋、混凝土的用量，實現土木工程界的可持續性發展。泄水引流抗浮法通過“疏導”而不是通過抗拔樁、錨桿等“堵”的方案解決水浮力問題，減少了建筑材料的使用，既減小了環境污染、凈化了地下空間，又減少了投資，同時地下水也可以實現循環利用。該方法符合國家提倡的節約、環保、可持續發展的政策，應該大力推廣。

[1]孫鈞.面向低碳經濟城市地下空間/軌交地鐵的節能減排與環保問題[J].隧道建設，2011，31(6)：643-647.(SUN Jun. Energy saving,carbon emission reduction and environment protection in underground space/rail transit works in urban area[J].Tunnel Construction,2011,31(6): 643-647.(in Chinese))

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[5]王欣婷.地下交通、物流、商業街道等地下空間開發與城市可持續發展——地下空間的通用規劃模式研究[C]//低碳經濟與土木工程科技創新——2010中國(北京)國際建筑科技大會論文集.北京：中國土木工程學會，2010.

[6]袁正如，顏海春.中空錨桿在地下工程抗浮中的應用[J].施工技術，2007(S1)：68-69.(YUAN Zhengru,YAN Haichun. Application of hollow anchor in underground engineering anti-floating[J].Construction Technology,2007(S1): 68-69.(in Chinese))

[7]俞曉，羅明星，管洪生.地下人防工程抗浮優化設計分析[J].武漢科技大學學報，2013(3)：233-236.

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[9]陳天虹，王偉堂.抗拔樁在建筑基礎設計中的應用[J].浙江建筑，2005(1)：34-35.

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[11]李志業.地下結構設計原理與方法[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

渤海海峽或建世界最長海底隧道

發改委2014年1月29日公布的2014年交通發展改革工作重點中，渤海海峽跨海通道研究項目被再次提上日程，將結合“十三五”重大交通問題進行前期研究。據項目參與人士透露，經過前期實地調研，渤海海峽跨海通道戰略規劃研究項目報告將于近期上報國務院，渤海海峽跨海通道有望在10年內正式建成通車。

20多年的跨海夢想就要照進現實

建設渤海灣海底隧道的念頭始于1992年。首先，要修建煙臺到大連的鐵路輪渡，實現兩大半島“軟連接”；其次，修建從蓬萊至長島的試驗工程，以小通道帶動大通道；最后，修建蓬萊到旅順的跨海大橋和海底隧道。

1993年，一個由科技部、交通部、原鐵道部、山東省、遼寧省等相關各方組成的課題組成立。在此后的21年里，關于建設跨海通道的努力，一直沒有停止過。

2013年7月，中國工程院院士王夢恕披露，他已與其他8名院士乘坐輪渡，在大連、煙臺之間開展實地調研。渤海海峽跨海通道最終方案即將定稿，渤海海峽跨海通道戰略規劃研究項目已經完成，包括一個總報告、九個分報告，將于近期上報國務院。

全隧道方案入口設在旅順、蓬萊

此前曾有專家提出“先隧后橋”的方案。2012年在實地考察和各種會議的研究討論后，正式否定了這個方案，定為深埋的全隧道方案。王夢恕院士認為深埋方案最大的好處就是抗風險。

據王夢恕院士介紹，跨海通道全程123 km，平均深度20～30 m，最深約70 m，以火車為主要運輸方式，時速200 km。隧道建成后將遠超日本青函海底隧道(約54 km)，成為世界最長的海底隧道。

在即將上報的方案中，跨海通道兩端入口分別設在大連旅順和煙臺蓬萊。跨海通道先從大連旅順附近定一個入地點，蓬萊有一個登陸點，然后到達煙臺。設計為3條平行隧道，兩側為2條上下行鐵路隧道，中間一條為服務隧道。上下行都是單線，按照現有技術，可以保證每6 min通行一趟列車。客運車輛時速在200 km左右，0.5 h就能從大連到煙臺。貨運車輛速度會慢一點，不過時速也會保證在120～140 km。汽車可以搭載在平板貨車上，人也不用下車，通過隧道后，再把車開下來。

針對跨海通道的技術難度一直存在爭議，魯東大學副校長、渤海海峽跨海通道課題組負責人柳新華解釋說，根據國內外已有的工程來看，技術已經不是問題。我國已完全具備和掌握獨立建設大型跨海工程的能力。

渤海南北兩岸物流瓶頸將被打破

由于渤海海峽的阻隔，往來于山東和東北地區的鐵路、公路只得繞行山海關，路程均在1 600 km以上，增大了運輸成本。因此，兩地之間起支配作用的運輸方式為海上運輸，尤其是煙臺到大連的航線，更是承擔了絕大多數的客貨運輸量。但海上運輸每年有1個多月的時間因風浪影響不能通航，且存在一定的交通安全隱患。

渤海跨海通道的建成將縮短原先往來的運輸時間和費用，大大提高物流效率與經濟效益。

王夢恕院士認為，總投資2 600億元的跨海通道，貨運盈利前景非常可觀。按照每年返利8%來計算，12年就差不多能收回成本，之后就是純收益了。

柳新華也認為，項目建成以后，即使保守測算，通行收費也能高達130億元/年，若加上各種管線收費、土地增值、旅游開發、節約燃油與材料等綜合社會效益則會成倍增加。跨海公鐵通道2 000多億元的投資，10～15年即可收回成本，投資回報率大大高于一般的大型工業投資項目。

(摘自 中國土木工程學會網 http://www.cces.net.cn/guild/sites/tmxh/read_zhxw_39317.html 2014-02-13)

SustainableDevelopmentofUndergroundSpaceCaseStudyonOptimizedDesignofAnti-floatingofUndergroundParkingGarageofYitianVillageinShenzhen,China

LIU Kading

(ShenzhenMetroCorporation,Shenzhen518172,Guangdong,China)

Main anti-floating problems of the two-storey underground parking garage of Yitian village in Shenzhen are presented. Three anti-floating methods,i.e.,anti-floating by anchor bolts,anti-floating by punching piles and anti-floating by water drainage,are compared and the water drainage method is adopted for the project. The mentioned method uses the theory of “the hydrodynamic pressure being larger than the hydrostatic pressure”,and it can reduce the floating of the structure by controlling the hydrodynamic pressure under the floor. The method used has achieved good effects in the project.

underground parking garage;structural anti-floating;anchor bolt;punching pile;water drainage;sustainable development

2013-09-05;

2013-11-28

劉卡丁(1957—)，男，重慶人，1982年畢業于西南交通大學，隧道及地下鐵道專業，教授級高級工程師，博士生導師。現任深圳地鐵集團有限公司首席規劃師，享受國務院特殊津貼專家。主要從事城市軌道交通的規劃、設計、科研與建設管理等工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.009

U 455.43

A

1672-741X(2014)02-0140-07