房建大規(guī)模地下結(jié)構(gòu)抗浮施工技術(shù)研究

文／鄭小東 中交路橋北方工程有限公司 北京 100024

引言：

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市建設(shè)規(guī)模的日益擴展，地下空間的開發(fā)利用日漸增多，高層建筑地下室、地下車庫單體面積日益增大，尤其是地下車庫長度不斷擴大，地下室的平面布置越來越大，有些甚至達到或超過200～300米，然而由于結(jié)構(gòu)物自重及上部荷載重量小于地下水向上的浮力，使得這些地下結(jié)構(gòu)往往處于補償或超補償狀態(tài)，在浮力作用下引起結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)或破壞，或由于不同程度上浮造成外墻開裂、底板開裂甚至斷裂等質(zhì)量和安全問題，造成巨大的損失。

近年來，由于在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程中低估了場地內(nèi)的地下水，水壓力實測與理論相差較大，或是采取的抗浮措施不當，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)上浮破壞的事故并不少見。大多設(shè)計地下車庫時主要考慮的是車庫建成后使用期間的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)，對施工期間的抗浮施工技術(shù)缺少關(guān)注。因此，開展房建大規(guī)模地下結(jié)構(gòu)抗浮施工技術(shù)理論和實踐研究，對指導(dǎo)抗浮設(shè)計和施工，在確保結(jié)構(gòu)安全可靠的同時降低工程造價，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用前景。

1、項目工程施工概況

本工程為泰安市東平縣東平街道古臺寺村城市棚戶區(qū)改造項目一期（簡稱“古臺寺一期項目”），其位于東平縣東平街道古臺寺村，在建開源公館南鄰，毗鄰飛云溪、大清河、東平縣人民醫(yī)院（西院），總建筑面積115965.29m2，占地面積68.62畝，分為1#～6#住宅樓、1#換熱站、25#公建、地下車庫。主樓與地下車庫整體大開挖，基坑整體呈長方形，基坑?xùn)|西長約219m，南北寬約180m，基坑開挖深度5.0m，筏板基底高程為38.50m，自然地坪標高43.50（見下圖1）。

圖1 深基坑環(huán)境平面圖

1.1 場地地層及其工程特征

⑴層1耕土(Qpd)：黃褐色，松散，稍濕，主要成分為黏性土，含少量植物根系。場區(qū)內(nèi)分布普遍，該層層底深度0.40～7.00m，層底標高42.56～43.53m，總層厚0.40～7.00m。

⑵層2粉質(zhì)黏土：（Q4al）：褐黃色，可塑，含少量氧化鐵條紋，無搖震反應(yīng)，稍具光澤反應(yīng)，干強度及韌性中等。場區(qū)內(nèi)分布普遍，層底深度2.50～10.00m，層底標高38.44～41.15m，總層厚2.00～4.60m。

⑶層2-1粉土：（Q4al）：褐黃色，稍密，濕～很濕，含少量云母片，搖震反應(yīng)迅速，無光澤反應(yīng)，干強度及韌性低。場區(qū)內(nèi)局部分布，厚度0.90～3.50m。

⑷層3黏土：（Q4al）：灰褐色，可塑，含少量有機質(zhì)，無搖震反應(yīng)，具光澤反應(yīng)，干強度及韌性高。場區(qū)內(nèi)分布普遍，層底深度5.00～12.30m，層底標高36.00～38.83m，層厚0.80～3.50m。

⑸層4粉質(zhì)黏土：（Q4al）：褐灰色～灰黃色，可塑，無搖震反應(yīng)，稍具光澤反應(yīng)，干強度及韌性中等，含少量氧化鐵條紋及砂粒，局部相變?yōu)轲ね痢鰠^(qū)內(nèi)分布較普遍，層底深度6.00～18.20m，層底標高31.55～37.68m，層厚0.50～6.70m。

⑹層5中細砂：（Q4al）：褐灰～灰黃色，中密，飽和，含少量黏性土，砂粒成分為石英、長石，級配較好，分選性較差。場區(qū)內(nèi)分布較普遍，層底深度10.80～21.50m，層底標高27.73～32.85m，層厚2.20～9.00m。

1.2 地形、地貌及地下水

⑴建筑場地地形起伏不大，較平坦，場地東北角堆有周邊工地近期基坑開挖形成的渣土，測得勘探點地面高程為43.06～50.12m。場地地貌單一，屬沖積平原地貌單元。

⑵勘探期間，穩(wěn)定水位埋深2.65～10.02m，穩(wěn)定水位標高39.93～40.60m。場地下水類型為第四系潛水，含水巖組為5層中細砂、6層中粗砂，滲透性強，富水性好。

⑶根據(jù)調(diào)查及搜集的有關(guān)資料，場地正常水位變化幅度約3m，歷史最高水位及豐水期水位標高可參考43.00m考慮。

2、浮力與施工期間抗浮水位的定義

《建筑工程抗浮技術(shù)標準》(JGJ476-2019)的2.1.11條對“浮力”解釋為：“靜水壓力滲流水壓力及承壓水壓力等對地下結(jié)構(gòu)底板產(chǎn)生抬升作用的豎向壓力”；由于地下結(jié)構(gòu)底板埋置深度與承壓水層位置關(guān)系千變?nèi)f化，有時甚至對地下結(jié)構(gòu)底板因其上有覆蓋一定厚度土層的存在而不出現(xiàn)浮力作用，浮力大小需結(jié)合具體狀態(tài)計算確定。

《建筑工程抗浮技術(shù)標準》(JGJ476-2019)的2.1.12條對“抗浮水位”解釋為：“建筑工程在施工期間內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標準時可能遭遇的地下水最高水位，或建筑工程在施工期間內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標準最不利工況組合時地下結(jié)構(gòu)底板底面上可能受到的最大浮力按靜態(tài)折算的地下水位”；巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001) 要求“尚應(yīng)提供用于計算地下水浮力的設(shè)防水位”，先有水文地質(zhì)勘探才能設(shè)計結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，即: 地下結(jié)構(gòu)抗浮水位值需有嚴格詳細的巖土勘探數(shù)據(jù)支撐。

3、確定抗浮水位、浮力值

3.1 抗浮水位的確定方法

一般地質(zhì)勘探報告中都只會提及常年最高水位，以及勘探時期地下水和水位可能出現(xiàn)的深度范圍。然而地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計水位往往與勘探期間實測的穩(wěn)定水位和最高水位有區(qū)別，需要根據(jù)勘探期水位、歷史最高水位、每年出現(xiàn)的最高水位，結(jié)合地層下的水類型、含水層最高水位出現(xiàn)的深度以及地下水的外來流入、排泄等，按照工程的特點的相應(yīng)要求，綜合考慮確定一項工程的抗浮水位。

設(shè)計院人員在設(shè)計建筑工程地下結(jié)構(gòu)時，根據(jù)以往經(jīng)驗取工程所在地穩(wěn)定水位作為抗浮水位是不合適的，它僅僅是早起勘探單位在勘測期間實測的某一天或者某個時辰內(nèi)的水位，沒有考慮季節(jié)和氣候變化，比如：雨季和冬期、高溫和低溫、雨雪等變化影響；可以這么認為，如果這時處于干旱季節(jié)，測得的水位一般是偏低的，一旦下雨出現(xiàn)汛期則會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象；由于人力、物力、工期、成本的因素，勘探單位很難長時間持續(xù)觀測水位，因此，在不利條件下地下水最高水位取值按下述辦法確定：

⑴對于有成熟研究技術(shù)成果或經(jīng)驗的發(fā)達地區(qū)，可以參考相應(yīng)研究技術(shù)或經(jīng)驗綜合確定地下水最高水位；

⑵對于無其他可借鑒經(jīng)驗和研究成果時，可參照下列方法確定：

①當建筑場地附近有與地下水存在水力聯(lián)系的地表水體時，應(yīng)專門建立滲流模型，考慮到地下水水位動態(tài)的主要影響因素的變化，進行滲流分析，獲取相應(yīng)含水層地下水的遠期最高水位。滲流模型應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證；

②當建筑場地遠離其他水力邊界時，可以根據(jù)當?shù)財?shù)據(jù)觀測結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并結(jié)合當?shù)噩F(xiàn)有施工經(jīng)驗對比取值；

③有條件的情況下，可以在區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，建立工程所在的水文地質(zhì)單元的地下水滲流模型，并根據(jù)最新的預(yù)測條件進行遠期水位預(yù)測，然后結(jié)合建筑物場地的具體地層及地下水條件進行綜合取值。弱透水層中不利條件下最大孔隙水壓力可以通過上、下相對穩(wěn)定含水層中不利條件下最高水位作為邊界，進行垂向一維滲流分析獲得。

④地下結(jié)構(gòu)四周的肥槽選用附近粘性土回填，施工時采用機械配合人工分層回填夯實，夯實過程不能破壞主體結(jié)構(gòu)，但隊伍施工時往往在管理人員不注意時參入雜土，這樣很容易出現(xiàn)肥槽土體密實度不夠、滲透水嚴重，一旦出現(xiàn)強降水天氣的話，勢必把肥槽泡軟，土體含水量加大，出現(xiàn)沉降，而且排水困難，對主體結(jié)構(gòu)造成安全隱患，因此，假定按照實際水位為抗浮水位。

⑤本項目靠近東平大清河，屬于河沿岸項目，大清河地下水位至南向北流動，地下水與基坑底存在相互流通關(guān)系，按照最不利工況考慮，抗浮水位值可以到達河最高水位。據(jù)當?shù)刭Y料記載，大清河洪水位經(jīng)常高于地面，受地形影響，地下雨水長時間聚集在附近2公里范圍內(nèi)，導(dǎo)致本工程常年處于低洼處，雨水匯集的情況，因此，這個時候的抗浮水位宜取至室外地坪標高。

3.2 抗浮水位值

查看設(shè)計施工圖可知，本工程的地下結(jié)構(gòu)筏板基底標高為38.5m，基礎(chǔ)持力層處于層3黏土中。勘探為期20天左右，無施工場地長期觀測孔位數(shù)據(jù)，所以地下結(jié)構(gòu)的抗浮水位取值確定原則是: 著重考慮地下第四系潛水的水位變化。主要從以下幾方面去考慮:⑴考慮地下結(jié)構(gòu)施工初期的年最高水位，即抗浮水位為40.0m；⑵勘探期間平均穩(wěn)定地下水位變化幅度在3m左右，且流向為南北方向；⑶勘察作業(yè)為9月份，東平地區(qū)的地下水非常豐富，此時建筑場地豐水期水位標高接近于地表標高，變化幅度可忽略不計，最高水位為:40.0+3.0= 43.0；⑷本深基坑采用自然放坡1:0.5開挖，屬于大規(guī)模土方開挖，肥槽填土量較大，存在地表水通過回填土抬升或意外補給地下水位可能，最高水位:43.0+0.5=43.5m。綜合以上分析，本項目地下結(jié)構(gòu)的抗浮水位取值為43.5m。

3.3 水浮力值的計算方法

浮力值計算原理根據(jù)阿基米德原理來計算：

那么推算出地下結(jié)構(gòu)單位面積的浮力為：

式中：p-單位面積承受的浮力值；A-地下結(jié)構(gòu)物底面積；γw-水的重度；H-計算位置水頭；ψ計算位置處高程；h-水頭高度。

3.4 水浮力值

本工程抗浮工程設(shè)計等級為乙級，施工期間抗浮穩(wěn)定安全系數(shù) 為1.0，施工圖要求地下車庫覆土層厚度在1.0～1.6m之間，密肋頂板厚230mm，外墻厚250mm，筏板后厚550mm，墊層厚100mm,覆土容重不大于18kN/m3，車庫頂施工過程中最大荷載為5kN/m3，混凝土重度取25kN/m3。

結(jié)構(gòu)覆土重：Q1=1.6m×18kN/m3=28.8KN/m2

結(jié) 構(gòu) 自 重：Q2=（0.23m+0.25m+0.55m+0.1m）×25kN/m3×1.1=31KN/m2

（系數(shù)1.1為考慮地下結(jié)構(gòu)墻、柱、柱帽及建筑面層等的自重）

結(jié)構(gòu)上部重量：Q=Q1+Q2=28.8KN/m2+31KN/m2=59.8KN/m2

水位高度：h=43.5-39.3=4.2m

水浮力： =10×4.5=45KN/m2

抗浮穩(wěn)定性驗算：Q/ =59.8/45=1.33＞1.0，滿足抗浮施工技術(shù)要求。

4、采用“主動抗浮施工措施”控制地下水位

4.1 施工目的

確保水位降到基坑底以下0.5m，使深基坑在開挖期間無水作業(yè)，從而有利于提高土方開挖進度。

4.2 施工方式

本工程的深基坑地下水控制以“隔水、排水、泄水”取代“抗”的管井和排水盲溝降水施工方式。

4.3 具體施工措施

⑴基坑開挖前首先在開挖線外1.5m范圍設(shè)置降水井40眼，根據(jù)地下室筏板基礎(chǔ)施工后地質(zhì)情況好壞再確定是否設(shè)置梳干井，計劃在基坑內(nèi)適當位置設(shè)置梳干井24眼，全部采用旋挖鉆施工（見下圖2）。降水井、梳干井采用無砂混凝土濾管，管外徑為φ500mm，成孔直徑φ700mm，井深約為13.0m。濾管接頭處須用竹片及鐵絲綁扎結(jié)實，必要時接頭處包紗網(wǎng)。

圖2 基坑管井和排水盲溝施工平面圖

⑵濾管安置后需保持垂直和居中濾料必須沿四周均勻填入，濾料為2～7mm礫石，井口下1～2m四周用粘土填實封死。

⑶成井后必須馬上進行洗井工作，做到一邊打一邊洗，施工過程不得擱置時間過長或成孔后集中洗井。

⑷坡頂設(shè)置擋水臺，坑底設(shè)置排水盲溝，規(guī)格為300×300mm，開挖后及時用碎石充填（見下圖3）。每隔30～50m設(shè)置一個集水井，井深為0.8m（見下圖4），用潛水泵隨時抽排水。

圖3 排水盲溝立面圖（單位mm）

圖4 排水盲溝大樣圖（單位mm）

4.4 施工效果

深基坑施工降水井水位和基坑邊坡的監(jiān)測委托了有資質(zhì)的第三方根據(jù)施工現(xiàn)場進行了布置量測，從6個月監(jiān)測的結(jié)果來看，本工程地下水位長時間保持在基底以下1.3m左右、邊坡變形值為2mm，完全符合設(shè)計和施工圖紙要求，地下水位滿足地下結(jié)構(gòu)抗浮要求。

結(jié)束語：

⑴目前的技術(shù)和方法很難合理確定抗浮設(shè)防水位值，它牽涉到工程的安全質(zhì)量、成本控制問題，本文具體分析了各種影響抗浮水位因素，如建筑場地附近有與地下水存在水力聯(lián)系的地表水體、建筑場地遠離其他水力邊界、季節(jié)氣候變化、臨近江河以及地下室回填土的質(zhì)量等等，綜合考慮了各種最不利條件下，確定地下構(gòu)筑物的抗浮水位。這里對勘探做出了很高的要求，不僅要完善巖土工程系列管理內(nèi)容，而且在勘察報告內(nèi)容上，具體化分析抗浮水位，論證得當正確，要體現(xiàn)出專業(yè)性，結(jié)果準確。

⑵在進行工程的抗浮設(shè)計施工時，要采取主動抗浮措施即滿足整體抗浮和局部抗浮驗算。本項目采用的管井和排水盲溝施工措施，可以永久性且有效地降低抗浮水位，這一施工技術(shù)推廣符合當前倡導(dǎo)的建筑環(huán)保的需求以及降低施工成本目的。因此，采用主動抗浮施工措施能很好對比傳統(tǒng)的“被動抗浮措施”設(shè)計施工方法，實現(xiàn)以“隔水、排水、泄水”代“抗”的管井和排水盲溝降水施工方式及時控制施工時的地下水位以滿足地下結(jié)構(gòu)抗浮要求，總結(jié)出了一套房建大規(guī)模地下結(jié)構(gòu)抗浮施工技術(shù)，期待研究成果為相應(yīng)的單位提供類似抗浮施工技術(shù)參考依據(jù)，且不失為一種可行的抗浮施工技術(shù)。