人工島上新建建筑地下室的排水減壓抗浮計算

黃 俊 宋永良 曲紅波 李奇志 陳 之

中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

橫琴口岸及綜合交通樞紐功能區項目地下水壓大，最大達180 kPa，絕大部分地下室底板地下水壓力為140 kPa。工程基坑大且分期開挖，分坑樁多，分坑樁處底板防水能力薄弱。基坑內支撐穿墻孔洞多、水荷載大，地下室外墻存在較大的滲水隱患；地下室結構面積大，達13.6萬 m2，為超長結構施工，勢必造成混凝土結構開裂概率相對較大。因此，本項目地下結構防水難度非常大，影響項目使用功能及觀感，此外仍須采用常規的抗浮措施，進而大幅增加地下結構抗浮的費用。如能有效減少底板上的水壓力，可較好解決這一系列問題[1-5]。

本次計算采用水平二向滲流有限元分析方法，使用多層透水地層滲流計算程序進行計算，該程序前期已在多個項目的滲流場分析和工程處理中應用過，效果顯著，得到廣泛好評。

1 工程概況

橫琴口岸及綜合交通樞紐工程位于廣東省珠海市橫琴區，總用地面積34.5 hm2，總建筑面積逾130萬 m2，其中通關大廳主體工程地下3層，地上4層，基坑坑底絕對高程－10.6～－5.6 m，基坑周邊絕對高程2.70～5.65 m，基坑深度為9.2～13.3 m。基坑呈矩形，周長為611 m，開挖面積為21 251 m2。

本工程場地原始地貌單元屬于濱海灘涂，原地勢低洼，后經人工填土、填砂抬高。地勘揭露通關大廳主體工程地下室底板處于①2沖填土與②淤泥之間，場地地下水位埋深0.10～1.20 m，平均0.62 m，素填土層和沖填土層賦存的上層滯水不可忽視。珠海地區降雨量豐富，介于1 700～2 200 mm之間。

本工程若按常規抗浮設計，將以抗拔樁和抗浮錨桿為主，但本工程地下水豐富，地下水位高，絕大部分地下室底板水壓力為140 kPa，最大水壓力達180 kPa，且工程大部分為交通樞紐，塔樓部分少，上部結構自重小于水壓力。按常規抗浮設計，抗浮措施成本高、工期長。由于場地內分坑樁多、分縫多，支撐預留孔洞多，地下室底板及外墻存在較大的滲水隱患。又由于地下結構面積大，連續澆筑易造成混凝土開裂較多，地下室結構自防水難度大。

在綜合考慮工程抗浮設計的困難和地下室防滲漏措施的需求后，項目決定通過減少地下室底板以上的水壓力來有效解決這一系列問題，并采用水平二向滲流有限元分析方法，對地下室截排減壓抗浮滲流場進行分析，確保工程截排減壓方案設計的有效性。

2 截排減壓系統設計方案

采用“止水帷幕＋疏水層（中粗砂＋碎石）＋減壓井＋自流進入集水系統”截排減壓系統方案，利用止水帷幕截斷地下室內外的水力聯系，減少基坑涌水量；在底板下鋪設厚500 mm疏水層（300 mm碎石層＋200 mm中粗砂反濾層），將地下室外周土層內的滲水迅速引導至排減壓井中，減壓井蓄滿水后，水由鋼塑管自流排往地下室的減壓集水坑，最終把水排至市政系統（圖1、圖2）。根據計算，場地地下結構范圍外大部分沉降差值小于90 mm，總體來說，減壓井排水引起地表沉降小，對周邊環境影響小，符合規范及環境要求。

圖1 地下室節點示意

圖2 外墻節點示意

3 排水減壓計算區域及邊界情況

A區東側緊鄰城軌車站，A區與B1區、A區與B2區之間分別緊鄰并間隔信德地塊和灝怡地塊，B2區南側緊鄰中葡地塊和南光地塊，城軌車站、信德地塊、灝怡地塊、中葡地塊和南光地塊均采用地下連續墻作為支護結構和止水帷幕，A區、B1區和B2區與這5個地塊的連接處均采用它們的地下連續墻作為本項目的支護結構和止水帷幕。A、B、C、D區域的其他部分均采用攪拌樁作為止水帷幕。地下室和止水帷幕形式，以及周邊的地下室情況，如圖3所示。

另外，地下室側墻與基坑圍護結構間將采取回填方案，回填區域內下層主要填充中粗砂，地表填土層部分采用黏土封底，周邊利用土工膜密封，頂部采用素混凝土板封頂。

圖3 地下室及止水帷幕平面示意

采用水平二向滲流有限元分析方法計算區域水力邊界：東面取至十字門水道邊，南面取至天沐河邊，西面取至子期北道旁的洪渠邊，北面取至大角頂山腳下，東北面邊界與十字門水道邊界垂直。東南西北四面為主要的來水邊界，計算時水頭山邊按地表取值，水域按最高潮位大致取至地表；東北面地下室水流由山腳流入十字門水道，取其一條近似流線，作為計算區域的不透水邊界（圖4）。

圖4 計算邊界區域

4 土層概況

計算時，將素填土和沖填土層合為1層，稱為填土層；將淤泥層、粉質黏土層、淤泥層土層以及作為夾層零星分布的中砂層合為1層，稱為淤泥層；礫砂層單獨為1層。因而從地表往下共分三大類土層，以礫砂層層底為最低面。分析勘察報告中的地址剖面圖可知，三大類土層大致均勻分布，層面間的高程起伏變化不大，統計各土層的層面和層底高程，取其絕對高程的平均值。

5 計算工況及模型水頭邊界條件

按暴雨工況和正常水位工況進行計算分析。

1）正常水位工況。根據勘察報告，地下室周邊地勢較為平坦，各鉆孔揭露水頭在地表以下1.00 m以內。來水邊界水頭均取至地表絕對高程即3.50 m。地下室所承受的水壓主要來自礫砂層的承壓水。礫砂層與十字門水道連通。

2）暴雨工況。以此工況計算，所得水頭分布校核底板所受的揚壓力。暴雨工況為最不利工況，在考慮礫砂層的承壓水的同時，考慮地表水滲入。

6 地下水頭計算參數

根據A區的地質勘察報告，各土層的滲透系數統計值如表1所示。據此，三大類土層的滲透系數取值為：填土層為7×10－3cm/s，礫砂層為4×10－2cm/s，項目范圍外淤泥層為1×10－6cm/s。考慮到零星分布的夾層中砂層，將此大層的滲透系數適當提高取至10－6量級。

表1 滲透系數統計

另外，項目場地內存在不少的地質鉆孔和工程樁，考慮到地質鉆孔的封堵不嚴和工程樁與土體間的間隙滲水問題，項目范圍內淤泥層的滲透系數比項目外的大10倍，即為1×10－5cm/s。后文將在此基礎上進行選取，項目范圍內淤泥層的滲透系數分別取與項目范圍外淤泥層一致時、增大20倍及增大30倍時的系數，即取值分別為1×10－6、2×10－5、3×10－5cm/s，對滲流場作敏感性分析。

對于止水帷幕，其主要作用在于堵截填土層的上層滯水和地表來水。緊鄰地塊的地下連續墻防滲效果較好，滲透系數取值為1×10－6cm/s。攪拌樁止水帷幕的滲透系數取值為1×10－5cm/s。比周邊的淤泥層的滲透系數大一個量級，計算時實際上可不考慮攪拌樁的止水作用。同時，又在攪拌樁與地下室側墻之間填土層厚度范圍內采用黏土、土工膜等進行封堵，截住填土層對地下室疏水層的透水通道。因此，攪拌樁成樁的效果并不是影響滲流場的重要 因素。

抗浮設施中將在地下室底板以下鋪設厚500 mm的疏水層，疏水層由厚200 mm的中粗砂和厚300 mm的碎石自下而上組成，滲透系數取值為5×10－2cm/s。攪拌樁與地下室側墻之間的縫隙回填中粗砂（以下稱回填區），中粗砂滲透系數取值為5×10－2cm/s；地表以下填土層厚度范圍內回填相對不透水材料，回填料的滲透系數綜合取值為1×10－6cm/s。

綜合上述，模型的計算參數取值如表2所示。

表2 模型計算參數

7 地下水頭計算結果

7.1 正常工況

正常工況下，項目范圍內淤泥層的滲透系數取值為1×10－5cm/s，攪拌樁滲透系數為1×10－5cm/s，其他土層滲透系數取值均如表2所示。A、B區2層地下室水頭分布大致為－5.0～－4.0 m，A、B、C、D區3層地下室水頭分布大致為－9.0～－8.5 m。減壓井總出水量為585.2 m3/d。

7.2 暴雨工況

暴雨工況下，各土層的滲透系數取值與正常工況下的一致。在考慮礫砂層的承壓水的同時，考慮地表水入滲，同時取非地下室區域和非回填區域的區域地下水位為3.5 m。A、B區2層地下室水頭分布大致為－6.0～－4.0 m，A、B、C、D區3層地下室水頭分布大致為－9.0～－8.5 m。減壓井總出水量為591.4 m3/d。

7.3 2種工況對比

為了更直觀地比較地下室底板在正常及暴雨2種工況下的水頭分布情況，此處選擇縱、橫2個典型剖面進行分析，2個工況下地下室底板處的水頭分布如圖5和圖6所示。

圖5 典型剖面

圖6 2種工況下的水頭分布

正常工況和暴雨工況下，地下水頭分布和減壓井總出水量的對比情況如表3所示。由表可知，正常工況和暴雨工況下，地下的水頭分布一致，減壓井總出水量大致相同，暴雨工況下的井總出水量僅比正常工況下的大6.2 m3/d。

表3 2種工況對比

8 項目內淤泥層的滲透系數敏感性分析

多次計算表明，在各種土層參數中，項目范圍內淤泥層的滲透系數對滲流場的影響最大。現將項目范圍內淤泥層的滲透系數分別取1×10－6cm/s（與項目外淤泥層的滲透系數一致） 、1×10－5cm/s（正常情況下）、2×10－5cm/s 和3×10－5cm/s（極端情況下），將計算所得的項目內地下水頭分布和減壓井總出水量進行對比。

由地下水頭計算結果可知，正常工況和暴雨工況下，滲透場和減壓井總出水量的變化不大，因此進行敏感性分析時，僅以正常工況為例。地下室水頭分布和減壓井總出水量的對比結果如表4所示。

表4 水頭分布和井總出水量統計

由表4可知，考慮地質鉆孔的封堵不嚴、工程樁與土體間的間隙滲水問題，項目范圍內的淤泥層滲透系數分別取1×10－6cm/s（與項目外淤泥層的滲透系數一致）、1×10－5cm/s（正常情況下）、2×10－5cm/s和3×10－5cm/s（極端情況下）時，大部分面積的2層地下室底板所承受的水頭均為－5.0～－4.5 m，僅部分小面積區域的水頭分布 較大。

項目范圍內的淤泥層滲透系數增大時，3層地下室底板所承受的最大水頭將由－8.5 m增大至極端情況的－7.5 m，減壓井總出水量由297.5 m3/d增大至極端情況下的1 455.2 m3/d。本項目的基坑滲水量將由實際測試核實，并可推算項目范圍內淤泥層的實際滲透系數。

9 結語

本項目地下室底板下弱透水地層厚度超過30 m，下伏強透水砂層，其與十字門水道聯通，迅速補充滲流缺失，控制降水漏斗的范圍和大小。

本項目地下室采用截排減壓抗滲技術，通過少量的排水，大大降低了作用在底板上的水壓力，同時又不會引起周邊地表過大的沉降。大直徑無砂混凝土淺井＋自流進入集水系統的施工方案經過以往工程的實踐檢驗，能保證長期可靠。

經分析計算，采用截排減壓防滲方案后，在正常條件下，A、B、C、D區地下室3層和2層底板的抗浮水位可由原來的黃海高程5.4 m降至為－8.5、－4.5 m，排水量約為600 m3/d。如果考慮地質鉆孔的封堵不嚴密和工程樁與土體間的間隙滲水，地下室3層和地下室2層底板的抗浮水位升高至－7.5、－4.0 m，排水量約為1 500 m3/d。項目采用水平二向滲流有限元分析方法，運用多層透水地層滲流計算程序，對地下室截排減壓抗浮滲流場進行分析，截排減壓抗滲技術通過大幅降低作用在底板上的水壓力，確保工程截排減壓方案設計的有效性。