超深超大地下室靜水浮力釋放系統設計研究
——以福州倉山區某工程為例

陳 翔 黃典宏 胡賢忠

(福州國偉建設設計有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著城市用地緊張，建設單位為充分利用土地，如解決停車場所、地下用作商鋪等，地下室普遍做得很大很深。按照福建省《建筑地基基礎技術規范》(DBJ13-07-2006)第10.6.5條，抗浮水位一般取場地整平標高埋深0.5m考慮，地下室部位抗浮問題十分突出。地下室豎向平均荷載不大，很大部分基礎處于超補償狀態，這樣一個類似大船的結構座落于含水層，抗浮穩定性自然成為設計一個關鍵的問題。此類問題一般做法有增加配重、增設抗浮錨桿(或抗拔樁)，明顯帶來土建造價和建設工期等問題，特別是地下室埋深較深時(如超過9m)，抗拔樁數量明顯增長，底板厚度也明顯加厚。

福州地下室開挖范圍內土基本是滲透系數很小的淤泥或淤泥質土，為此可利用上層滯水滲透到地下室底板時間長的特性，可采取一定的措施將地下室底板靜水壓力予以釋放，可有效降低地下室抗浮水位，從而少布或不布抗拔樁，減少地下室底板厚度。這將會節約造價，減少施工工期，并且收集的地下水可二次利用，是一個很好的綠色技術設計。

1 靜水浮力釋放系統設計原理

此釋放系統尤其適用于：

①地下室圍護結構有止水帷幕時，止水帷幕設計應符合《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)[1]及相關規定，基礎下方必須有厚度大于2.0m且滲透系數k≤10-5cm/s的粘性土層、粉質粘性土層；

②地下室圍護結構無止水帷幕設計時，室外地面至底板下方2m必須全部為滲透系數k≤10-5cm/s的粘性土層、粉質粘性土層。計算的滲流水量Q必須小于等于0.03m3/m2/d。

此靜水浮力釋放系統工作原理[2]：地下水通過鋪設在碎石層以下土工布的過濾層進入碎石層，碎石層與底板之間也鋪設防水層，碎石層中地下水通過包在PVC濾水管外的土工布進一步過濾，然后進入濾水管順著管子流入集水井，最后通過抽水泵將地下水排出基礎底板之外。這樣地下水產生的上浮力對基礎底板的壓力被大大地釋放減弱，基礎底板處于動態平衡之中。

本文以福州某實際工程為例，探討此釋放系統設計，如圖1所示。

圖1 釋放系統示意圖

2 工程實例

2.1 工程概況

該工程位于福州市倉山區蓋山鎮，上部為5層的商業樓，地下為滿鋪地下室3層，地下建筑面積約120萬m2，基礎面位于約建筑標高-13.9m。地下室底板座落于第③-B層淤泥夾薄層粉細砂層(其滲透系數1.5×10-6cm/s)，如圖2所示。

圖2 地下室周邊止水帷幕、回填隔水

地下水主要為賦存于雜填土內的上層滯水。按“地勘”所提的抗浮水位，結構物承受較大水浮力及基礎底板承受較大的水壓力，壓力達到125.5kPa。為合理解決地下水浮力可能帶來的問題，地下室周邊均采用隔水材料，擬采用“靜水浮力釋放系統”。

2.2 確定基坑周邊止水帷幕插入基坑深度

根據基坑支護設計圖紙，取止水帷幕插入地下室底板底4m。水頭高度為羅零5.5m，底板底標高為羅零-7.15m。進行FDM計算分析如表1所示。

合理利用止水帷幕，考慮地下水水平和豎向滲流，延長地下水滲透路徑長度，可有效降低底板抗浮水位。地下室底板設計時在此分析的基礎上取2倍安全系數，即按2m水頭作為抗浮水位。

2.3 基坑滲流水量計算

2.3.1參照“基坑規程[1]“按大井降水進行計算

Q1=Q/A=0.0001m3/m2/d

2.3.2經驗公式

對下室外墻與地下室側壁范圍間的環形空間范圍內儲存的地下水量進行估算，其最大涌水量可按0.10倍的環形空間體積進行估算。滲流量在此基礎上按20%考慮[3]。

Q1=0.004512m3/m2/d

2.3.3FDM仿真分析

最大單位面積滲流量Q1=0.0022m3/ m2/d，計算如圖3～圖5所示。

表1 FDM分析確定止水帷幕深度和底板水壓力

2.3.43種分析均符合最大單位面積滲流量≤0.03m3/ m2/d的設計要求

2.4 靜水浮力釋放后基坑外圍地下水泄降影響分析

該項目所在地層幾乎均為弱透水地層及近似不透水地層，依據細顆粒土壤地層建筑物基底降水影響，基底外圍影響范圍可依據Sichart Method進行分析，水位泄降面可依據Hyperbolic Model進行模擬[2]。

圖3 分析用斷面

依據等效地層選用斷面進行分析，在止水帷幕及隔水材料確實施工條件下，采用靜水壓力釋放系統解除地下水浮力時，外圍地下水位影響水平距離27.62m，離開挖面3m位置水位泄降高度<10cm ，小于勘察期間最高水位高程與近3～5年最高水位高程變化量3.0m，可視為對于區塊外圍地下水位高度沒有影響。

2.5 顆粒流動淤積分析

基底為第③-B層淤泥夾薄層粉細砂層，組成顆粒粒徑以5μm～425μm 為主。依據以Stokes’s law計算0.01mm的土壤顆粒自然沉降速度約為0.09mm/s；勘察透水試驗所得地下水動態滲流壓等化流速6×10-5cm/s=6×10-4mm/s，小于土壤顆粒自然沉降速度，不會造成流動淤積情形。

2.6 疏排水系統和應急系統設計

依據上述計算的滲水流量，結合地下室集水井位置，疏排水系統按以下原則[2]進行設計，①透水系統過濾層滲透系數應≥10倍基底土層的滲透系數，②透水系統導水層最大流量應≥10倍×透水系統過濾層入滲水量，③集水系統的流量應≥10倍×總入滲水量，④出水系統最大流量應≥10倍×設計時預估的總入滲量。具體做法如圖6～圖9所示。每1000m2在靠近建筑墻處設置水位測管(圖8)，在集水井處應設置備用的反沖洗裝置，其功能為排除管路阻塞情形；這個U形監測管具有超過一定水位后自動泄水功能，保證地下水位在設計允許范圍內(圖9)。集水井水泵具有自動啟動裝置，且配有雙電源。

圖4 A斷面數值分析結果

圖5 B斷面數值分析結果

2.7 施工

勘探完成后對可能構成安全隱患的勘探孔或基坑施工中的降水、減壓井，應采用粘土球或水泥砂漿液進行封孔[4]。土方開挖中，基礎底板機械開挖至設計標高時，應保留30cm左右高度的土方，采用人工開挖，以保證基坑底土層未被擾動破壞，達到原狀土質量；若開挖超過標高，用碎石或砂填平、振實，不能用松土回填。

圖8 測管大樣

圖9 基坑內泄水管與反沖洗設備

土工織物[5-6]鋪設時，①當基坑開挖至設計標高后，對基坑及盲溝表面進行拍實處理(拍實工具可用自制工具進行)；②土工織物鋪設時，基底內不得有積水，避免在雨天施工且做好施工組織設計，保證土工布隨用隨鋪及時覆蓋，防止紫外線照射。

施工碎石濾層時，注意以下2點：①碎石在基坑內平面駁動時，必須在設置的腳手板上行走，不得在碎石上直接拉車行走；②碎石鋪設時，應用手推振動器來回振平、振實。

澆搗混凝土前，在碎石層上部鋪蓋聚乙烯保護膜后澆搗混凝土墊層，防止混凝土中漿水流入碎石層，堵塞地下水流通道，現場施工照片如圖10所示。

圖10 現場施工照片

3 結語

該項目竣工投入使用多年，地下室運營正常，地下水實際滲流量小于計算值。在低滲流量的土層中采用靜浮力釋放系統，可有效節約造價和加快施工進度，且收集的地下水可作為綠化澆灌使用，屬于一種合理的綠色技術設計。釋放系統在建筑物設計使用周期內主要滿足以下設計內容：

(1)合理確定基坑止水帷幕插入深度，用FDM計算分析確定底板水壓力；

(2)合理確定地下水滲流量、疏排水布置、基坑泄水管和反沖洗的應急措施等；

(3)設計文件應明確施工注意事項。