大型地下工程抗浮問題的背景與研究

項蘆杰

[摘 要]自二十世紀以來，國內外都不斷提出關于地下工程的抗浮問題，到如今，也有不小的進步，但是，對于抗浮問題的解決，我們至今仍處于嬰兒期。不僅存在施工技術方面的問題，也存在大量財力浪費的問題，還有許多技術上未攻克的難題，本文對大型地下工程抗浮的問題做了進一步研究，主要提出一種新的抗浮手法——泄排水抗浮方法，并對其的工作原理、計算理念進行解釋。

[關鍵詞]地下工程;抗浮問題;泄排水抗浮方法

[中圖分類號]TU942 [文獻標識碼]A

1 大型地下工程抗浮問題的背景

1.1 地下水浮力計算

如今，地下結構的浮力計算方法仍是一個值得考慮的問題，而實驗過程中所測到的數據與現場所測得數據又不盡相同，故我們應從中找出理由。目前，我國各種規范和規程關于地下水作用的荷載分類沒有統一，地下水壓力應屬于永久荷載還是可變荷載仍沒有一個統一的說法，同時，不同規范對水浮力的荷載分類不同，導致水浮力分項系數取值存在不一致的問題。與我國現行規范相比，歐洲規范有關地下水作用考慮得更全面和細致。歐洲規范中，將水作用看做永久荷載或可變荷載，并給出其判斷準則和不同情況下的荷載組合要求。

現有規范、規程中地下結構基底浮力壓強的計算，大都采用基于靜水壓強公式，而地下水浮力的計算主要集中在如何科學確定弱透水層中水浮力折減系數和抗浮設計水頭值H，其中抗浮設計水頭值是根據抗浮設防水位確定的，抗浮設防水位一般是指建筑結構運營過程中基礎所在地下水層可能出現的最高水位。

1.2 地下水的滲流

巖土工程所涉及的地下水滲流問題，主要是研究地下水在多孔介質中運動的基本規律，隨著工程的發展，地下水滲流受到國際工程界和學術界的高度重視。到了20世紀，地下水滲流已逐步發展成為具有自己理論體系、方法和應用范圍的獨立學科。目前，地下水流計算常用的數值方法為有限差分法和有限單元法。與此同時，相關地下水滲流專業分析軟件也得到了快速的發展和廣泛應用，其中有GeoStudio軟件和三維有限差分地下水數值模擬軟件MODFLOW等。

1.3 工程抗浮措施

當前在大型地下結構工程上比較常用的永久性抗浮措施有：配重法、抗浮錨桿（索）、抗浮樁等，而這些措施在不同方面來看多多少少都存在一些問題，比如說：抗浮錨桿（索）容易腐蝕和蠕變;抗浮樁的施工費用較高，而且長期處于起伏狀態的地下水位以下，所以也存在耐久性問題。

二十世紀末，我國開始從國外引進排水抗浮法的改良技術——大面積靜力釋放層的施工技術。其中在中國所總包的新加坡環球影城項目中也采用了泄水抗浮方法，此方法的組成部分主要是排水減壓子系統和泄壓安全控制子系統，并在地下室底板下設置倒濾層（沙石和土工布構成）、高分子防水層和混凝土墊層。

雖然降排抗浮方法和措施取得很大進展，但工程界對這種方法普遍還存在疑惑和不熟悉。因此，工程界和學術界需要對降排水抗浮方法的抗浮機理、長期工作性能和可靠性、對周圍環境的影響作深入系統研究，并通過大量工程實踐探索作支撐。

2 抗浮機理研究

2.1 地下水

地下水位包括歷年最高水位、最低水位、靜止水位和穩定水位等，它是根據季節或補給條件而變化的。地下水位變化是一個隨機過程，受人為因素的影響很大。根據賦存狀態，一般將地下水劃分為上層滯水、潛水和承壓水。

（1）上層滯水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表淺處，它的分布范圍有限，主要是由大氣降水補給。

（2）潛水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表以下第一個穩定隔水層以上，主要是雨水滲透或河流滲入土中而得到補給，也因為蒸發或流入河流而排泄。

（3）承壓水：只埋藏在上下兩個隔水層之間的地下水。承壓水主要是依靠大氣降水和河湖水通過潛水補給的。

2.2 浮力計算問題

一個物體在液體中存在三種運動狀態的可能性：下沉、不動或上浮。當物體浸沒在液體中靜止不動，為懸浮或漂浮，此時其重力等于其受到浮力;下沉則其重力大于其浮力;上浮則其重力小于其浮力。

所以該如何正確確定上浮力，根據阿基米德的原理為浸入液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體受到的重力。根據土力學的知識原理得基底理論靜水壓力為水的重度乘以基地面積乘以水頭高度（地下水位標高與建筑物基地標高之差）。在水頭作用下，工程中會遇到不穩定的滲流問題，其中可分為①.飽和滲流與非飽和滲流;②由于土的固結作用造成的滲流;③入滲分析，即場地地表附近水的入滲情況;④污染遷移問題。各層地下水除了具有水平方向的滲流分量外，在豎向還存在越流補給，即存在豎向的滲流分量。而對滲流和孔隙水壓力背景場的分析常被工程師忽略。

（1）黏土地基中地下水為滯水的情況。地下水賦存形態可以有滯水、潛水和承壓水等，而很多城市最下層的地下水可能為滯水狀態，這層滯水可能是由于降水或者是其他原因形成。

（2）地下結構外有排水設備的情況。地下結構中的排水設備不僅可以防止向地下水內滲水，還有防止地下水腐蝕地下結構，甚至可以明顯減少地下室的浮力。但是如果是按地下室所排出的水的體積來算浮力無疑是偏保守的甚至是錯誤的，在設計計算中，必須充分調查黏土中滯水位及砂層土中潛水位的可能變化幅度，排水設備失效的概率，針對不同的建筑物合理選用計算浮力公式及抗浮措施。

（3）地下結構外墻的摩擦力。在有浮力的情況下，當其大于地下使用重力時，地基土與外墻間將表現出摩擦力，這在地下連續墻和沉井等做外墻時，作用尤為明顯。

3 常用抗浮方案特點比較及選用

當地下結構物的自身重量不能抵抗地下水浮力時，地下結構物會產生上浮，導致結構變形損壞，因此需進行抗浮設計。工程抗浮設計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結構物不會整體上浮，但不一定能保證結構物地板不開裂等變形情況，因此，還應對結構物底板進行局部抗浮驗算。

3.1 常用抗浮方案特點

（1）配重法。配重法是一種常規的抗浮措施，可以在地下室頂板上覆土或增加頂板厚度，也可以將底板延伸或增加底板厚度。這種方法雖然可以解決抗浮問題，但同時又不可避免地增加了基礎的埋置深度，從而相對地提高了地下室抗浮設防水位的高度，因此它不是一種效率高的方法，同時，這種方法會略增加地下室頂板框架梁的負荷，而且由于板厚有限，這種方法解決抗浮效果也是有限的。

（2）降截排水法。降截排水法是一種比較直接的方法，通過降水、排水、截水來減少地下水的不利作用。降水措施主要是在底板下設置濾水層和排水管道，匯集到排水井再用水泵抽取，使地下水位維持在某一標高。截水措施主要是將上水帷幕（深層攪拌樁、高壓旋噴樁）進入隔水層一定厚度，將地下建筑物范圍內的水與外界豐富的水源截斷。但是這種措施存在風險，如暴風雨災害后的長時間停電會使水泵無法工作，而這正是最需要減水壓的時候。

（3）抗浮錨桿法。抗浮錨桿是近年來大量應用的抗浮技術，一般是采用高壓注漿工藝，使漿液滲透到巖土體的孔隙或裂縫中，錨桿側摩阻力比樁基大，更有利于抗浮，且造價低廉，施工方便。但是普通錨桿受拉后，桿件周圍的灌漿體開裂，使鋼筋與鋼絞線極易受到地下水的侵蝕，直接影響耐久性。同時，國內對抗浮錨桿的設計還不夠成熟，缺乏有關的規范標準，所以使抗浮的研究和使用都受到了一定程度的限制性。

3.2 常用抗浮方案比較及選用

工程中常用的抗浮措施是臨時性抗?。ㄖ饕甘┕て陂g），主要采用隔水、降水和排水減法等措施;永久性抗?。ㄖ附ㄖ锸褂闷陂g）主要采用抗拔樁下拉法和錨桿（索）下拉法，采用錨桿（索）巖土錨固抗浮措施，與增加自重載法、抗拔樁等上述方法相比，具有工期短、造價低、節省材料等優點。

當工程樁（抗壓樁）兼做抗拔樁時，只考慮局部抗浮驗算，但需對樁本身作抗拔（抗拉）驗算，并且其受力鋼筋應通常布置。

由于大型地下工程地下空間體積大，永久地下水浮力高，一般常用抗浮錨桿（索）、抗拔樁或排水減壓抗浮方案。

各種抗浮方案實施選擇的原則是：安全可靠、經濟合理、技術先進和施工方便。還應根據工程特點、地質情況、場地條件和環境等因素綜合考慮，因地制宜，選一個最佳有效的抗浮方案。

4 綠色施工與環境可持續發展

4.1 研究背景

建筑業包括各種房屋及構筑物的營造，設備安裝，房屋維修等，它的存在是人類發展史上不可缺少的一部分，但同時建筑業是以大量消耗自然資源并制造沉重的環境負面影響為代價的。據統計，人類從自然界所獲得的一半以上的物質原料用于建造各類建筑及其附屬設備，而這些建筑物在建造和使用過程中又消耗了全球50%以上的能量;因工程建設而產生的空氣污染、光污染、電磁污染等占環境總體污染的34%，所產生的建筑垃圾占人類活動所產生垃圾總量的40%以上。

為了真正實現社會經濟與文明的可持續發展，務必在基礎建設實施過程中大力倡導綠色建筑，扎實推進了綠色施工，選擇有利于生態的方法。

4.2 綠色施工的實施

美國是世界上較早提出并實施清潔生產的國家，在1984年通過的《資源保護與回收法——有害物和固體廢物修正案》中指出，要在可能的情況下，盡量減少廢物的產生;加拿大政府通過廣泛的政策協調，將清潔生產與污染預防緊密結合起來，并形成了有效的政策體系;德國在清潔生產活動中采取了務實態度，如在污染預防方面采用了基于技術的方法（稱為可獲得的最好的技術），并將經濟可行性作為一個限制因素，為了鼓勵企業實施清潔生產，政府給予一定量的資金援助與扶持;韓國政府和工業界對清潔生產的認識較高，非常重視清潔生產活動，政府的污染防治政策，包括清潔技術的使用，是通過“通知”和“法案”實施的;我國政府也十分重視清潔生產，1994年將清潔生產明確寫入《中國21世紀議程》，并具體落實在首批優選項目之中。

4.3 地下工程施工綠色發展對策

4.3.1 施工階段對策

（1）合理選擇綠色施工方法和材料，減少施工對地下水的污染;

（2）科學統籌規劃和高效管理，加快基礎施工進度，有效減小地下水抽取量;

（3）綜合利用多種措施，提高施工所抽取地下水資源使用效率。

4.3.2 運營階段對策

（1）科學地規劃運營期地下水資源綜合利用開發，如將地下水進行軟化、純化等措施，使其直接做成飲用礦泉水;

（2）綜合利用多種措施，防止運營期城市生活污水、固體垃圾及地下水資源的污染。

[參考文獻]

[1] 毛超熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[2] 張在明.地下水與建筑基礎工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3] 吳斌.地下結構物抗浮設計初探[D].廣州：華南理工大學，2003.