靜水壓力釋放技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用

張延欣，梁全雷，丘志東，張 龍

(中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665)

1 工程概況

廣州國(guó)際金融城AT090902地塊項(xiàng)目位于廣州市天河區(qū)黃埔大道與科韻路交匯處，工程總建筑面積35萬(wàn)m2，包括塔樓、裙樓和變電站3部分，地下建筑面積11.8萬(wàn)m2，主塔樓地上65層、地下5層，裙樓地上9層、地下5層(底板標(biāo)高為-26.700m)。根據(jù)勘察資料顯示，場(chǎng)地地下水主要有孔隙水和基巖裂隙水兩類。場(chǎng)地孔隙水主要賦存于第四系砂層，透水性較好，含水量豐富；基巖裂隙水主要賦存于層狀強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖中，場(chǎng)地巖體完整性較好，裂隙一般發(fā)育，多閉合，屬弱透水性，基巖裂隙水含量較貧乏。基礎(chǔ)底板處于微風(fēng)化砂巖中，巖層透水性弱。

2 靜水壓力釋放技術(shù)

項(xiàng)目屬于超大深基坑，如采用增加自重法、抗拔樁或抗浮錨桿抗浮，存在地下結(jié)構(gòu)費(fèi)用過(guò)高、工期影響較大且具有潛在施工風(fēng)險(xiǎn)。CMC靜水壓力釋放技術(shù)是近年成熟運(yùn)用于地下室抗浮的施工工藝，是集永久性改變土層動(dòng)態(tài)滲流壓，使基底水壓保持固定值、控制地下水浮力對(duì)結(jié)構(gòu)體的影響和永久保持地下室干燥功能的方法。

靜水壓力釋放技術(shù)需要一定的場(chǎng)地和工程條件，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)四周支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)有連續(xù)整體性、可形成封閉的止水環(huán)境；支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)下端深入下臥地層，且基礎(chǔ)下方到擋土設(shè)施底端，存在穩(wěn)定、較大厚度且滲透系數(shù)≤10-5cm/s的土層或巖層的工程。后期對(duì)回填肥槽中上層部位亦進(jìn)行黏土或素混凝土層阻水封閉，通過(guò)這些措施將基礎(chǔ)與四周的基坑之間形成一個(gè)小范圍整體封閉夾層空間，從而達(dá)到在不影響周圍地下水文條件的情況下，利用夾層封閉范圍內(nèi)靜水壓力釋放技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下室穩(wěn)定抗浮的目的。

靜水壓力釋放技術(shù)采用“放”的思路進(jìn)行水浮力處理，主要原理是在新建結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)下方架構(gòu)具有過(guò)濾、導(dǎo)水、集水、出水等功能，且于結(jié)構(gòu)物使用年限內(nèi)具有永久性功能的自動(dòng)排水系統(tǒng)，利用基礎(chǔ)下低透水地層的透水特性，將基礎(chǔ)下方積蓄的靜態(tài)水壓力轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)滲流壓，并將滲流至基底的壓力水以自然溢流的方式，經(jīng)過(guò)濾、匯集后通過(guò)集水系統(tǒng)及可控制基底水頭壓力的氣密式出水系統(tǒng)，排放到專用清水池水箱或原設(shè)計(jì)廢水池中，再以建筑物本身廢水排放系統(tǒng)排出或以專設(shè)管道回收再利用的一種工藝。

考慮采用CMC靜水壓力釋放技術(shù)的地下結(jié)構(gòu)多為單純浮力控制或局部大面積浮力控制的建筑類型，且基礎(chǔ)底部透水層多為黏性土、粉性土。對(duì)于本工程而言，沒(méi)有現(xiàn)成的案例可參考。必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化和滿足靜水壓力釋放技術(shù)適用條件，填補(bǔ)巖層透水缺陷，達(dá)到地下室能在后續(xù)使用過(guò)程中具有穩(wěn)定抗浮功能的目的。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 關(guān)鍵問(wèn)題分析

在進(jìn)行靜水壓力釋放技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行充分考慮，當(dāng)基底水浮力釋放后，基底承載力是否能夠符合結(jié)構(gòu)物荷載要求。必須保證靜水壓力釋放層內(nèi)只有基底滲透水。結(jié)構(gòu)物存在高低層樓區(qū)配重不同，低層浮力過(guò)大，可能造成高低層區(qū)接口基礎(chǔ)底板破壞的情況。補(bǔ)償式基礎(chǔ)坐落于低透水地層，結(jié)構(gòu)物構(gòu)筑過(guò)程中無(wú)法有效降水，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)尚未構(gòu)筑完成(上部質(zhì)量不足)，遭逢長(zhǎng)期降水可能導(dǎo)致地下水浮力陡增，從而造成基礎(chǔ)底板及地下室樓板破壞的情況。

3.2 技術(shù)措施

工程采用巖石地基上的柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)，塔樓上部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱框架+鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，裙樓上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

在地下室底板下設(shè)計(jì)靜水壓力釋放層；施工濾水系統(tǒng)將濾水管道引入基坑周邊的集水井排水系統(tǒng)，地下室底板下設(shè)置250mm高排水架空層(支墩+預(yù)制板)，與設(shè)置的排水溝形成一個(gè)整體的排水空腔系統(tǒng)，將滲入架空層的地下水經(jīng)排水溝排至周邊集水井后用潛水泵抽排走。利用此永久濾水降壓系統(tǒng)作為地下室后澆帶封閉之前的施工階段降排水系統(tǒng)，直到竣工移交運(yùn)行永久的靜水降壓系統(tǒng)。

為了確保靜水壓力釋放層的安全應(yīng)用，設(shè)計(jì)要求在地下1層～地下3層地下室側(cè)壁與支護(hù)結(jié)構(gòu)間回填黏性土，并分層壓實(shí)，回填后的黏土層滲透系數(shù)要求應(yīng)≤10-5cm/s；在地下3層～地下5層地下室側(cè)壁與支護(hù)結(jié)構(gòu)間回填C15素混凝土，對(duì)地下室外側(cè)基坑進(jìn)行封閉(見圖1)。在室外地坪位置沿建筑物周邊設(shè)置排水溝，阻斷地表水的補(bǔ)充，確保靜水壓力釋放層內(nèi)只有基底滲透水，避免基底周圍地下水位下降而產(chǎn)生安全問(wèn)題，保證該靜水壓力釋放系統(tǒng)不影響原地下水文狀況。

圖1 靜水壓力釋放層剖面

4 預(yù)制板優(yōu)化與生產(chǎn)

4.1 預(yù)制板尺寸優(yōu)化

1)預(yù)制板厚度優(yōu)化

原設(shè)計(jì)預(yù)制板厚度為50mm，從加工廠到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸距離為90km，50mm厚的預(yù)制板在材料運(yùn)輸及安裝過(guò)程中極易出現(xiàn)損壞的情況，為了降低材料在運(yùn)輸及安裝過(guò)程中的損耗，項(xiàng)目將預(yù)制板厚度修改為80mm。

2)預(yù)制板平面尺寸優(yōu)化

原設(shè)計(jì)預(yù)制板尺寸為1 000mm×1 000mm，現(xiàn)場(chǎng)施工中板與板之間的板縫數(shù)量較多，板縫處理不當(dāng)易造成底板混凝土漏漿情況，且預(yù)制板現(xiàn)場(chǎng)工程量較大，增加單塊預(yù)制板的平面尺寸可有效減少現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)工作。項(xiàng)目通過(guò)與設(shè)計(jì)溝通，成功將預(yù)制板尺寸修改為1 000mm×2 000mm。

經(jīng)優(yōu)化后的預(yù)制板在兩個(gè)方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)：可有效減少預(yù)制板在材料運(yùn)輸及安裝過(guò)程中出現(xiàn)損壞的情況，有效降低材料損耗；可減少板縫數(shù)量，加快現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，減少底板混凝土漏漿事故。

4.2 預(yù)制板生產(chǎn)

預(yù)制板采用工廠化生產(chǎn)加工技術(shù)，執(zhí)行建筑工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)轉(zhuǎn)化為工廠干作業(yè)施工，采用自動(dòng)化流水線、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)定型預(yù)制構(gòu)件，在滿足預(yù)制構(gòu)件批量生產(chǎn)加工和集中供應(yīng)要求的同時(shí)，達(dá)到節(jié)約工期的目的并滿足綠色施工要求。同時(shí)為保證在預(yù)制板安裝后有10mm左右的縫隙進(jìn)行調(diào)位，1 000mm×2 000mm標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制蓋板按照實(shí)際尺寸993mm×1993mm進(jìn)行生產(chǎn)，尺寸精度要求控制在±3mm偏差范圍內(nèi)。

5 靜水壓力層施工

本項(xiàng)目靜水壓力釋放層主要設(shè)置在工程標(biāo)高約為-27.000m處，施工時(shí)地下室梁柱尚未完成澆筑，相關(guān)施工部署比較方便。在排水架空層施工完成后，在預(yù)制板上方澆筑厚300(400)mm底板。

5.1 施工順序

靜水壓力釋放層施工工藝流程如圖2所示。

圖2 靜水壓力釋放層施工工藝流程

5.2 施工參數(shù)及控制要點(diǎn)

5.2.1混凝土支墩定位及標(biāo)高確定

在施工前采用CAD軟件及BIM軟件對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制板進(jìn)行統(tǒng)一排版，以排版完成后整條預(yù)制板的邊緣線為軸線，以縱橫軸線交叉點(diǎn)來(lái)確定支墩的位置；在滿足工程精度要求及保障工作效率的前提下，本工程的支墩標(biāo)高確定，采用常規(guī)方式進(jìn)行(見圖3)。

圖3 支墩定位確定

5.2.2排水溝

疏水層內(nèi)的水溝為素混凝土水溝，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15。水溝內(nèi)側(cè)吊模使用18mm厚膠合模板制作安裝，底部墊φ8馬凳鋼筋；排水溝位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)調(diào)整，排水溝底部及側(cè)面素混凝土面層每隔10m設(shè)縫，縫寬30mm。留縫做法為：制作與水溝截面相同的定型模板插板，在澆筑混凝土前，在需要留縫的位置插入定型模板插板，隨即對(duì)稱澆筑混凝土，在混凝土初凝后終凝前拔出插板，形成伸縮縫。

5.2.3預(yù)制板安裝

由于預(yù)制板尺寸及質(zhì)量較大，現(xiàn)場(chǎng)采用手動(dòng)液壓叉車+人工輔助方式進(jìn)行搬運(yùn)安裝；對(duì)于設(shè)備難以安裝部位，采用人工在預(yù)制板的4個(gè)預(yù)留孔處用拉桿進(jìn)行抬放安裝。

1)特殊形性部位施工方法

采用CAD軟件進(jìn)行初步排版，對(duì)外墻側(cè)壁邊緣、基坑支護(hù)的格構(gòu)柱、塔式起重機(jī)基礎(chǔ)、施工升降機(jī)基礎(chǔ)、上下基坑通道基礎(chǔ)、承臺(tái)及集水井等局部異形部位及不規(guī)則的位置，采用先鋪2 000mm×1 000mm×80mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的預(yù)制板，再鋪2 000mm×500mm×80mm，2 000mm×200mm×80mm，2 000mm×100mm×80mm，1 000mm×1 000mm×80mm等非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的混凝土預(yù)制板，對(duì)無(wú)法鋪設(shè)混凝土預(yù)制板的位置，四周砌120mm墻然后現(xiàn)澆C15混凝土，現(xiàn)澆補(bǔ)充的混凝土面與鋪設(shè)的預(yù)制鋼筋混凝土板面相平，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)制板成品的切割浪費(fèi)，使整體的觀感效果及質(zhì)量更佳。

2)地下室側(cè)壁邊

針對(duì)預(yù)制蓋板與側(cè)壁的連接位置，首先按照排版圖進(jìn)行放線定位，放出磚胎模的定位線，然后進(jìn)行C15混凝土回填，最后拼裝預(yù)制板(見圖4)。

圖4 外側(cè)壁邊緣現(xiàn)澆混凝土填補(bǔ)示意

3)基坑支護(hù)格構(gòu)柱

在格構(gòu)柱的區(qū)域，格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)混凝土鑿平至預(yù)制板面標(biāo)高，沿格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)四周邊砌120mm墻磚模，磚模內(nèi)側(cè)采用現(xiàn)澆回填C15素混凝土(混凝土面平預(yù)制板面標(biāo)高)，磚模外側(cè)采用20mm厚1∶2水泥砂漿抹平，各格構(gòu)柱磚模的寬度及深度按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸。

4)獨(dú)立柱基礎(chǔ)承臺(tái)

在柱獨(dú)立承臺(tái)的區(qū)域，首先進(jìn)行測(cè)量放線，放出整板后，根據(jù)每個(gè)格構(gòu)柱的不同截面在周邊進(jìn)行磚胎模放線，然后回填C15混凝土。針對(duì)個(gè)別預(yù)制板尺寸不符的情況，現(xiàn)場(chǎng)采用切割機(jī)進(jìn)行切割處理。針對(duì)柱子周邊的磚胎模寬度最少砌筑240mm墻，主要為防止混凝土澆筑后磚胎模倒塌。

6 其他措施

6.1 預(yù)制板板縫處理

為確保混凝土預(yù)制板板縫密實(shí)不漏漿，板縫貼100mm寬丙綸布。施工順序?yàn)椋喊蹇p位置涂刷200mm寬水泥漿1道→粘貼100mm寬丙綸布→丙綸布面上涂刷200mm寬水泥漿保護(hù)層1道。

6.2 預(yù)制板裁切

在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)板安裝現(xiàn)場(chǎng)施工難以保證鋪裝質(zhì)量的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采取先鋪裝標(biāo)準(zhǔn)板塊，再利用切割機(jī)進(jìn)行裁切的方式，保證了預(yù)制板鋪裝的質(zhì)量和美觀。

6.3 排水架空層分區(qū)封堵

本工程底板靜水壓力釋放層需要分區(qū)分段進(jìn)行施工，為防止已完成的排水架空層涌入雜物，使用防汛砂袋對(duì)已安裝預(yù)制板的區(qū)域進(jìn)行封堵。

7 實(shí)施效果

7.1 實(shí)施效果

在本工程地下室后澆帶全部封閉后，項(xiàng)目經(jīng)過(guò)近半年的使用及數(shù)據(jù)收集，統(tǒng)計(jì)分析得到靜水壓力釋放層排水量約為16.05m3/h，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)對(duì)整個(gè)地下室底板進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)地下室底板出現(xiàn)開裂、變形及梁柱損壞等異常情況，能夠滿足地下室正常使用要求，抗浮效果良好。但在施工過(guò)程中，需不斷對(duì)釋放層進(jìn)行抽排水，除部分應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用水以外，其余需排至市政管網(wǎng)中，無(wú)法充分重復(fù)利用，造成資源浪費(fèi)。

7.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)設(shè)置架空層的辦法替代了傳統(tǒng)的底板抗浮錨桿設(shè)計(jì)，大大減少了鋼筋混凝土的成本投入。在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制板加工，現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝，節(jié)約了人力、材料，保證了安裝精度，而且節(jié)約了工期；將靜水壓力釋放層中釋放的水從基坑下的集水井中抽到沉淀池集中，經(jīng)過(guò)沉淀之后用作項(xiàng)目施工用水及生活區(qū)廁所用水等。此過(guò)程極大程度地節(jié)約項(xiàng)目用水，達(dá)到節(jié)省項(xiàng)目成本的目的。

7.3 節(jié)能和環(huán)保效益

工程采用工廠化預(yù)制PC板，為現(xiàn)場(chǎng)節(jié)約了施工空間，有利于提高工程質(zhì)量和加快施工進(jìn)度，而且減少了施工現(xiàn)場(chǎng)加工和焊接所產(chǎn)生的光污染、有害氣體污染，符合建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)和節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念。

8 結(jié)語(yǔ)

靜水壓力(巖層)釋放技術(shù)作為一種改良式的排水抗浮技術(shù)，利用“截”和“放”的原理在基礎(chǔ)下方建構(gòu)有過(guò)濾、導(dǎo)水、集水、出水功能的人工排水層，與利用抗拔樁、配重法等傳統(tǒng)抗浮技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)。

1)在不影響結(jié)構(gòu)安全的情況下，降低了基礎(chǔ)底板厚度，減少了基礎(chǔ)底板的鋼筋混凝土用量及基坑開挖深度，縮短了施工工期；基礎(chǔ)底板以及靜水壓力釋放層施工速度快，遠(yuǎn)快于抗拔樁和錨桿等傳統(tǒng)工藝。

2)不會(huì)由于地下水的腐蝕作用而造成基礎(chǔ)底板抗浮防滲功能失效，能穩(wěn)定長(zhǎng)久使用。保證基礎(chǔ)底板抗?jié)B防水的功能永久性，給地下室提供良好的運(yùn)行環(huán)境。

3)自然滲流的地下水由集水井集中后，可以通過(guò)抽排用于綠化、沖洗、消防等二次使用，保障了綠色施工。