城市明挖法地下工程抗浮計算與安全系數取值探討

吳 崗，楊偉良

（1.深圳市市政工程設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳百勤建設工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

地下水對地下工程的浮力作用是最明顯的一種力學作用。由于水浮力作用，導致地下空間結構發生整體上浮破壞或結構局部破壞的事故常有發生，關于抗浮穩定性計算以及穩定安全系數取值計算缺乏統一的認識，現行設計規范對抗浮穩定性驗算規定都不全面，沒有明確的設計表達式，或者沒有系數取值的規定，給抗浮設計帶來一定的困難。國內不少學者開展了關于抗浮穩設計相關方面研究，劉海燕等[1]通過地下糧倉室內縮尺模型注水模擬上浮試驗，提出了回填灰土中地下糧倉浮力折減系數為0.86。劉海龍[2]從工程實例出發，分析了地下室抗浮設防水位的確定、抗浮設計及抗浮錨桿使用效果。劉博懷等[3]通過室內模型試驗，研究了黏土地基滲水引起的建筑物基底浮力折減問題，發現了滲流對浮力折減的影響規律：浮力折減系數隨著滲流水位的升高逐漸增大并趨于穩定。

上述學者提出的抗浮計算方法，部分可實施性有待進一步研究，簡單抗浮計算復雜化，一定程度增加抗浮設計難度。本文討論現行規范地下工程抗浮穩定性的計算公式及系數取值，結合工程案例提出城市明挖法地下結構工程抗浮穩定性的綜合計算式及抗浮安全系數建議值。

1 抗浮穩定性計算現狀

近年來，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，有的造成了較大安全隱患，有的造成不同程度的財產損失，引起社會各界關注和專業部門的研究，相關規范、標準也在補充和完善之中[5]。

《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ476—2019）第6.4.1條規定：計算區域地下結構底板剛性時，各區抗浮穩定狀態應按式（1）進行計算確定。

式中：Kf——計算區域整體的抗浮穩定性系數；ΣW——計算區域總抗浮力標準值，kN；A——計算區域的底板面積，m2；ΣFf——計算區域地下結構底板所承受的浮力標準值總和，kN/m2。

《鐵路路基支擋結構設計規范》（TB10025—2019）第8.2.8條規定：抗浮設防水位應考慮地下水補給和排泄條件、設計使用年限內歷史地下最高水位并結合地方經驗確定。抗浮穩定性可按式（2）計算。

式中：ΣW——槽型擋土墻自重、槽內靜荷載、作用在踵板上的有效配重以及抗拔措施提供的抗浮力之和（kN），計算土體配重時，地下水位以下部分應采用飽和重度；Nw——地下水作用在槽型擋土墻上的浮力（kN），地下水位應采用抗浮設計水位；Kf——抗浮安全系數。

《地基基礎設計規范》（DGJ08-11—2018）第12.3.2條規定：采用自重或樁基抗浮的地下建筑抗浮穩定驗算。

式中：Ff——浮力設計值，kN；G——地下建筑物自重標準值及其上作用的永久荷載標準值之和，kN，不包括可變荷載；γf——自重抗浮分項系數可取1.05～1.1，當僅采用自重進行抗浮時不宜小于1.1；n——抗拔樁樁數；Rtd——單樁抗拔承載力設計值，kN；γb——浮力作用分項系數，取1.0；γw——水的重度，kN/m2，可按10kN/m2采用；Vw——地下建筑物排開水的體積，m3。

《市域快速軌道交通設計規范》（TCCES2—2017）第12.3.4條規定：結構應根據地質、埋深、施工方法、環境影響等條件，在必要時進行抗浮、整體滑移及地基穩定性驗算。

《建筑地基基礎設計規范》（DBJ15-31—2016）第5.2.1條規定：地下室抗浮穩定性驗算。

當地下室自重及地面上作用的永久荷載標準值的總和不滿足式上式的要求時，應有抗浮措施。

《水電站廠房設計規范》（SL266—2014）第5.2.3條規定：廠房整體抗浮穩定應按式（6）計算。

式中：γ0——抗浮穩定結構重要性系數，結構安全級別為Ⅰ級、Ⅱ級的廠房宜分別取1.1、1.05；ψ——抗浮穩定設計狀況系數，宜取1.0；Ufd——浮托力作用設計值，kN；Usd——滲透壓力作用設計值，kN；γd——抗浮穩定結構系數，宜取1.1；ΣW—含水重力的全部重力設計值之和，kN。

《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB50086—2015）第11.2.4條規定：抗浮錨桿應進行整體抗浮穩定驗算，抗浮穩定安全系數可按式（7）計算。

《城市綜合管廊工程技術規范》（GB50838—2015）第8.1.9條規定：對埋設在歷史最高水位以下的綜合管廊，應根據設計條件計算結構的抗浮穩定。計算時不應計入綜合管廊內管線和設備的自重，其他各項作用應取標準值，并應滿足抗浮穩定性抗力系數不低于1.05。

《地鐵設計規范》（GB50157—2013）第11.6.1條規定：結構設計應按最不利情況進行抗浮穩定性驗算。抗浮安全系數當不計地層側摩阻力時不應小于1.05；當計及地層側摩阻力時，根據不同地區的地質和水文地質條件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系數。

《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）第5.4.3條規定：建筑物基礎存在浮力作用時應進行抗浮穩定性驗算，并應符合下列規定：對于簡單的浮力作用情況，基礎抗浮穩定性應符合式（8）要求。

《泵站設計規范》（GB50265—2010）第6.3.7條規定：泵房抗浮穩定安全系數的允許值，不分泵站級別和地基類別，基本荷載組合下不應小于1.10，特殊荷載組合下不應小于1.05。

《建筑樁基技術規范》（JGJ94—2008）第5.4.5條規定：承受拔力的樁基，應按式（9）、式（10）同時驗算群樁基礎呈整體破壞和呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力。

地下水浮力的確定以及地下結構的抗浮計算缺乏統一的認識，現行規范對抗浮穩定性驗算中水浮力計算、抗浮荷載計算、抗浮計算公式的規定不全面，不明確。抗浮計算不統一，給抗浮設計帶來一定的困擾。

2 地下工程浮力和抗浮力的確定

近幾年由抗浮引起的幾起工程事故，引發設計人員再次審視抗浮設計問題，如何做到抗浮設計安全可靠、經濟合理是抗浮設計中難以把握的尺度。對浮力、抗浮力的取值須慎重。

水浮力和結構抗浮力是抗浮設計的兩個關鍵因素。抗浮設防水位應該是住建局及相關部門在搜集該地區水文地質資料，具有代表性區域設置觀測井，綜合城市規劃情況（城市水景、江河湖海等防滲處理措施等人為因素）的基礎上給定[2]。

當地下結構處于滲透性很低的黏土層時，由于滲透過程的復雜性，黏土中基礎所受到的浮托力往往小于水柱高度，浮力可作一定折減，但尚缺乏必要理論依據，很難確切定量[6]。

運營期間，抗浮設計水位要根據地下水補給和排泄條件、設計使用年限內歷史最高水位并結合地方經驗確定，不要直接采用勘察期間實測地下水位[7]。

由于抗浮設計貫穿項目全壽命周期，期間地下水環境是在不斷變化中，為了確保使用年限期間抗浮安全，計算仍以經典的阿基米德定律為基礎[2]，即地下結構工程的浮力等于設計抗浮水位以下工程部分的排水體積乘以水的重度［或者等于設防水位以下地下建（構）筑物底板底的設防水頭乘以設防水位以下底板面積］。

抗浮水位的設定具有一定的經驗性，施工期間應按常水位或施工期可能預見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設防水位應結合城市防洪標準、工程區域水文地質及建構筑物重要性等級分級設定。地鐵工程設防水位可同出入口防洪設防高程一致。

抗浮力除了包含結構自重、頂板壓重之外，尚應考慮結構內部在使用階段的永久荷載、抗浮措施荷載。

3 各規范的抗浮穩定系數規定

國內相關規范中，抗浮穩定性穩定驗算一般采用單一安全系數法，抗浮安全系數取值不同規范存在差別，取值范圍一般為1.0～1.2，如表1所示。

表1 各規范抗浮穩定系數取值

抗浮安全系數取值大小不僅涉及工程的經濟合理性，更涉及工程安全可靠性。抗浮穩定安全系數允許值的確定，以泵房不浮起為原則[8]。對管道的上浮穩定，因為無論是地表水或地下水的水位，變異性大，設計中很難精確計算，因此條文給予了適當提高，穩定安全系數應控制在不低于1.10[9]。

結合以往工程設計經驗，工程所處水文地質條件一般時，抗浮安全系數可取1.05，以確保地下結構不浮起，工程所處水文地質條件復雜時，抗浮安全系數可提高至1.1，并應開展抗浮專項設計及審查。

4 抗浮穩定綜合計算式

現行規范計算公式不全面、不統一，抗浮抵抗力只計入永久作用，可變作用和側壁上的摩擦力不需計入[9]。結合抗浮穩定性原理建議地下工程僅考慮自重和同時考慮抗拔措施情況下的抗浮綜合計算式。

式中：Gk——建（構）筑物自重、壓重及其他永久荷載標準值之和，kN；Ff——按照使用階段抗浮設防水位或施工期臨時水位計算的浮力標準值，kN；Tk——基樁、錨桿或結構側壁的側摩阻力抗拔極限承載力標準值；Gt——基樁自重、群樁或群錨基礎中單樁（錨）等效樁（錨）土自重，地下水位以下取浮重度；n——抗拔樁或抗拔錨桿樁數；γf——靜水壓環境下水浮力分項系數，宜取1.0，水文地質條件復雜環境宜取1.1；γgf——自重、壓重及其他永久荷載標準值抗浮穩定安全系數，宜取1.0～1.05；當僅采用自重進行抗浮時，不宜小于1.05～1.10；γtf——基樁、錨桿或結構側壁的側摩阻力抗拔安全系數，宜取2.0。

5 工程案例

某地下道路結構橫斷面尺寸10.5m×8.16m，頂板覆土1m，回填土飽和重度按照18kN/m3，抗浮水位取設計地面高程，采用樁徑0.8m，長6.0m的鉆孔灌注樁做抗浮樁，縱橫向按6m等間距布樁，樁中心線與通道結構內墻重合，橫斷面上樁數為2根@6m，土層分布及樁側土的極限摩阻力標準值見圖1，抗浮穩定計算見表2。

圖1 某地下道路橫斷面（含地質）

表2 抗浮穩定計算

本文提出的公式統籌抗浮作用中自重、覆土壓重、抗拔樁等措施（其中道路鋪裝層可作為抗浮安全儲備），明確各抗浮因素作用安全系數，具有綜合性，可為工程技術人員參考。

6 結語

（1）對透水性地層，建議抗浮計算中的水壓力采用靜水環境中水浮力。當有承壓水或滲流作用發生時，應考慮上述壓力水頭作用，適當提高或降低抗浮安全系數，開展抗浮專項設計論證。

（2）地下水作用作為地下工程的永久荷載，結合設計經驗，其作用分項系數γf≤1.0。

（3）由于地下結構外側地層的擾動，地層側摩阻力發揮需要一定時間，且具體抗浮貢獻值不可準確度量，發揮程度因不同環境變化較大，結合設計經驗，可不考慮結構側墻外側地層側摩阻力貢獻值，僅作為地下工程抗浮的安全儲備。

（4）施工期間應按常水位或施工期可能預見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設防水位應結合城市防洪標準分級設定。地鐵工程設防水位可同出入口設防高程一致。

（5）抗浮穩定系數根據建構筑物重要性等級匹配抗浮設防等級，正常使用階段取值范圍1.05～1.1，施工期間抗浮穩定系數≥1.0，且整個施工期不應停止坑內降水作業以保障抗浮穩定，尤其是雨季。

（6）增加抗浮儲備的措施選擇應綜合比較增加壓重、自重及抗拔樁（錨）等技術經濟分析，并結合工程地質及工程自身特點擇優選擇。

（7）整體抗浮滿足上述規定，但局部抗浮不滿足時，可考慮提高結構剛度措施。