成套抗浮技術在地下超大深空間結構中的應用

浙江省二建建設集團有限公司 寧波 315000

1 工程概況及水文地質條件

1.1 工程概況

杭州中大圣馬廣場項目位于杭州市主城區。項目用地面積為3.78×104m2，總建筑面積約3.35×105m2（其中：地上為1.83×105m2，地下為1.52×105m2），地上建筑分1#～7#樓7個單體，層數為17層（除3#樓為8層外），包括高層甲級寫字樓和大型百貨商業、SOHO公寓等。地下室為整體超大深空間結構（共計5層），開挖深度20.8 m左右，電梯井開挖深約23.8 m，地下結構單層面積約3.2×104m2；±0.00 m相當于絕對高程5.80 m。

1.2 場地土層情況

場地勘探深度內揭露的第四系地層主要為湖沼相沉積，場區可能有一隱伏斷層通過，下伏基巖為砂巖和安山巖等。本場地在勘探深度范圍內地層按其成因類型、物理力學性質差異可劃分為8個工程地質層，細分為13個亞層。

1.3 水文地質條件

場地地下水按含水介質的不同和賦存條件的差異，可劃分為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水2大類型。

孔隙潛水主要賦存于淺層的粉質黏土夾粉土、淤泥質黏土以及場地西側碎石土層中，淺層的粉質黏土夾粉土、淤泥質黏土以大氣降水入滲補給為主，徑流緩慢，水量較小，蒸發是其主要排泄方式，與附近河流及地表水存在著相互補排關系[1-4]。

地下水動態與大氣降水的年內關系密切，表現為豐水期接受補給水位抬升、枯水期水量消耗水位下降的動態規律，水位年變化幅度0.50～1.50 m，地下水位高程在2.97～5.42 m之間。

2 抗浮設計

杭州地區的抗浮樁普遍采用與工程樁相同的樁型，如挖孔樁、沖鉆孔樁、沉管樁、預制樁等等，但這些類型的樁常不能充分發揮其抗拔力和樁身強度，且由于單樁抗拔力大，單樁間距就較大，則底板需加厚，這樣才能滿足由水壓力產生的彎矩，因此不經濟。本項目則嘗試采用根據不同地質特征采取有針對性的處理措施，即建筑結構自重+抗浮錨桿+抗拔樁相結合的成套抗浮技術體系，這樣可以充分發揮其各自的抗拔性能，靈活布置，使底板上的附加應力分布更均勻，有利于減小底板厚度。

根據工程地質情況及結構計算，該項目地下室自身浮力為6 723 255 kN；由于鉆孔灌注樁樁端持力層根據地層情況分別為中風化安山巖和中風化粉砂巖，基巖埋深較淺的區域采用天然地基，且基礎與底板分別坐落在場地⑥層粉質黏土層、中風化安山巖和中風化粉砂巖等復雜土層上，故抗浮設計按以下3種情況分別采取不同方案：

1）結構自重滿足抗浮要求區域：1#～2#樓核心筒區域，4#～7#樓主樓區域。

2）結構自重加抗拔樁承載力滿足抗浮要求區域：3#樓主樓區域。

3）結構自重加抗拔樁承載力不滿足抗浮要求區域：采用設置抗浮錨桿措施。根據地層情況及荷載要求，分別設置不同種類、不同長度、不同間距要求的錨桿。

2.1 抗拔樁設計

1）根據場地地質情況及上部結構特點，該工程抗拔樁采用大直徑鉆孔灌注樁。樁徑、樁長、數量、單樁抗拔力設計特征值等參數見表1。

表1 大直徑鉆孔灌注樁參數

2）樁縱向主筋采用HRB335級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋。樁澆筑混凝土之前，應清理孔底沉渣，其厚度應小于50 mm。樁主筋保護層厚50 mm，有效樁長為5～25 m；樁尖進入持力層深度＞1d。

2.2 抗浮錨桿設計

根據本工程抗浮設計計算，結合工程地質情況，錨桿孔φ150 mm，全長錨固，錨桿總數11 757根。錨固體與本場地⑥層粉質黏土層的極限摩阻力標準值為50 kPa，與中風化粉砂巖的黏結強度特征值為120 kPa，與中風化安山巖的黏結強度特征值為500 kPa。錨桿1布置區域為純土層錨桿，長10 m，采用1φ32 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為130 kN），間距1.2 m×1.2 m，共2 520根，累計抗浮力為226 800 kN；錨桿2布置區域為純土層錨桿，長10 m，采用1φ32 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為130 kN），間距1.8 m×1.8 m，共3 450根，抗浮力為310 500 kN；錨桿3布置區域為土層和巖石結合錨桿，長10 m，采用3φ25 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為280 kN），間距1.8 m×1.8 m，共1 189根，抗浮力為321 030 kN；錨桿4布置區域為土層和巖石結合錨桿，長10 m，采用2φ25 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為180 kN），間距1.5 m×1.5 m，共216根，抗浮力為38 880 kN；錨桿5布置區域為純巖石錨桿，長10 m，采用3φ25 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為280 kN），間距1.5 m×1.5 m，共3 607根，抗浮力為973 890 kN；錨桿6布置區域為純巖石錨桿，長10 m，采用3φ25 mmHRB400（單桿抗拔力特征值為280 kN），間距1.4 m×1.4 m，共593根，抗浮力為160 110 kN；錨桿區總抗浮力為2 031 210 kN。其平面布置如圖1所示。

圖1 基礎錨桿分區布置示意

2.3 結構設計概況

地下室底板厚1 200 mm；其余-4F～±0.00 m層厚120 mm（局部150 mm）；地下室墻板厚度（除人防區域：-4F～-5F為600 mm；-3F為500 mm；-2F為400 mm；-1F為300 mm外）均為600 mm；上部結構1#～2#及4#～7#樓為17層，3#為8層，均為框架-剪力墻結構。

混凝土強度：獨立基礎、地下室底板及與之整澆的承臺、地梁（包括上翻的高300 mm外墻）采用C30 P8；-5F～-3F外墻為C30 P8（內摻改性聚丙烯抗裂纖維）；-1F～-2F外墻及地下室頂板為C30 P6（內摻改性聚丙烯抗裂纖維）；地下室中間樓層及室內區域頂板梁板采用C30（人防區域的梁、板則為C35）；構造柱、圈梁混凝土強度C20。后澆帶混凝土用膨脹水泥配置，混凝土強度等級為C35。地下室填充墻：采用MU10燒結頁巖多孔磚，M7.5混合砂漿砌筑。

3 工程實施

3.1 工程（抗拔）樁施工

工程樁基為φ600～1 200 mm鉆孔灌注樁，下伏基巖層為砂巖或安山巖等，局部巖面埋深及強度變化較大，施工難度很大；同時設計要求的垂直度、沉渣、樁位偏差等技術要求高，對施工機械和鉆具要求非常高。

對于持力層為粉砂地層或樁徑不大于700 mm的入中風化安山巖的樁采用11臺GPS-10型鉆機及3臺SWDM25型旋挖鉆機；對于需入中風化安山巖且樁徑大于等于800 mm的樁采用14臺CZ-30（Ⅱ）型CZ-30型沖擊樁機；對于大直徑樁成孔可采用上部鉆孔下部沖擊分機分段或先小徑前導再擴徑的成孔工藝，加快成孔速度。

質量控制：樁中箍筋及加勁箍筋均采用搭接焊，焊接長度不小于10d；樁澆筑混凝土之前，應清理孔底沉渣，其厚度應小于50 mm；樁主筋保護層厚50 mm；樁尖進入持力層深度大于1d。

3.2 抗浮錨桿施工

根據地質資料結合本工程基坑挖深大的特點，為了避免土層錨桿施工過程中錨桿孔頸縮、坍孔，土層錨桿采用錨桿鉆機、氣動潛孔錘配套跟管鉆具全套管鉆進成孔；巖石錨桿采用錨桿鉆機、氣動潛孔錘鉆具沖擊鉆進成孔。循環介質為壓縮空氣，可有效避免沖洗液對錨桿圍巖、基坑土體的不利影響。錨桿在規定長度內入巖按2倍長度計入總長，不同巖層處分界線按實際取樣為準。

該工程錨桿分區塊設置，終孔直徑為150 mm；錨桿注漿采用水泥材料強度等級為P.O 42.5，水泥砂漿強度不小于30 MPa，細石混凝土強度不小于C30。

質量控制：錨桿定位誤差不大于5 cm，垂直度偏差不大于1%，主筋與底板連接處采用刷柔性材料防腐處理，主筋需接長時，采用直螺紋套筒對接，對接后抗拉強度應不小于鋼筋的抗拉強度。

3.3 結構工程質量

該項目地下室及主體工程施工過程控制嚴格，結構中間均一次性通過驗收，并已經申報杭州市“西湖杯”結構優質工程。

4 成效檢測

4.1 抗拔樁檢測豎向拉拔試驗

抗拔樁試驗采用單樁豎向抗拔靜載試驗，試驗數量為總抗撥樁的1%，即11根（試驗時抗拔荷載逐級作用于樁頂，樁頂上拔量慢慢增大，最終可得到單根試樁荷載）；檢測數據如下[試樁編號/設計抗拔特征值（kN）=實測抗拔力（kN）]：600CK/600=630；700CK/700=725；800CK/800=/820；900CK/900=910；1000CK/1000=1040；1100CK/1100=1130；1200CK/1200=1240；600AK/600=620；700AK/700=730；800AK/800=820；1200AK/900=920。根據現場試驗數據結果表明，該工地抗拔樁豎向抗拔力均能滿足設計要求。

4.2 抗浮錨桿豎向拉拔試驗

抗浮錨桿進行了豎向抗拔試驗，試驗樁數581根，占錨桿總數的5%（試驗采用慢速維持荷載法，利用基坑底板墊層及小鋼板提供反力），具體檢測數據如下：錨桿1區（實測錨桿126根）抗拔力＞195 kN；錨桿2區（實測錨桿173根）抗拔力＞195 kN；錨桿3區（實測錨桿60根）抗拔力＞420 kN；錨桿4區（實測錨桿11根）抗拔力＞270 kN；錨桿5區（實測錨桿181根）抗拔力＞420 kN；錨桿6區（實測錨桿30根）抗拔力＞420 kN。

根據現場檢測數據結果，該項目抗浮錨桿單錨桿豎向抗拔力均能滿足設計要求。

4.3 地下室結構體沉降測量

按設計要求設置了32個沉降觀測點，在每完成一結構樓層后即對建筑沉降情況進行觀測，并做好觀測記錄，到目前為止累計觀測18次，從觀測結果顯示，地下室及主體結構施工期間，累計沉降量量大值為-13 mm，最小值為-8 mm，最大沉降差為5 mm，整個結構工程基本處于沉降均勻穩定狀態，未出現上浮狀況。

5 結語

在地下超大深空間結構工程建設時，如遇地基復雜多變、土層軟硬交替、多層組合、厚度變化大、分布不均勻、地形地貌多樣，且地下藏水豐富的復雜地基條件下，采用單純結構自重或加抗拔樁等抗浮措施往往難以達到理想的抗浮效果，且造價昂貴；若充分利用抗浮錨桿布置靈活、錨固效率高、有利于底板均勻受力、可減少底板厚度等特點，依據具體的地質水文條件，綜合考慮各個方案的相互影響，而采取建筑結構自重+抗浮錨桿+抗拔樁相結合的成套抗浮技術方案，方能取得多贏效果。從背景項目沉降觀測結果可以看出，應用成套抗浮技術處理在復雜地基基礎上的超大深地下空間結構抗浮問題是可行的[5-8]。