排水減壓抗浮技術(shù)在大型基坑的應(yīng)用

李湛鈞

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510630）

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑地下結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)深度不斷增加，相同水位下其底板水壓力也隨之增大，由于地下結(jié)構(gòu)的自重荷載一般小于土層自重，這就要求地下結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的抗浮設(shè)計(jì)[1]。如果不采取可靠的抗浮措施，地下結(jié)構(gòu)底板將會(huì)由于無(wú)法承受水壓力，發(fā)生隆起開(kāi)裂，甚至?xí){到上部建筑結(jié)構(gòu)的安全。案例基坑工程項(xiàng)目由于處于停建狀態(tài)，而且現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)自重不足以抵抗現(xiàn)有水壓力，如果直接進(jìn)行肥槽回填，將很可能造成地下室的抗浮不安全。綜合考慮該工程的水文以及地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有排水條件，選擇采用鉆孔排水的方法使其地下水位下降。由于項(xiàng)目場(chǎng)地的南邊緊鄰地鐵，所以需要分析排水減壓引起的周邊位移沉降，判斷排水減壓是否會(huì)對(duì)該地鐵造成結(jié)構(gòu)安全影響。

1 排水減壓法在地下結(jié)構(gòu)抗浮的應(yīng)用

1.1 地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)的重要性

在有明顯雨季的地區(qū)，若遇極端暴雨天氣，當(dāng)?shù)亟ㄖY(jié)構(gòu)的實(shí)際地下水位可能超出設(shè)計(jì)最大水位，這就對(duì)其地下結(jié)構(gòu)抗浮提出了更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。有部分抗浮結(jié)構(gòu)由于地下水位過(guò)高導(dǎo)致抗浮失效。如防城港市某工程地下室由于暴雨導(dǎo)致水位高出地表0.7m，地下室底板翹起最大值為82.5mm；廣東佛山永豐大廈塔樓地下室地面由于抗浮結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致地表上浮213mm；江西贛州某員工宿舍因?yàn)槎嗥鸨┯陮?dǎo)致地下室頂板最高被抬起292mm等。地下結(jié)構(gòu)抗浮的失效，不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)給地上建筑帶來(lái)結(jié)構(gòu)上的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此進(jìn)行可靠的抗浮設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1.2 排水減壓法的優(yōu)勢(shì)

目前，傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)抗浮方案有抗拔錨桿、抗拔樁、增加地下結(jié)構(gòu)配重等方法，這類(lèi)方案有成熟的理論體系，并在工程中得到廣泛的應(yīng)用。但隨著地下結(jié)構(gòu)規(guī)模的不斷增加，傳統(tǒng)抗浮方案的工程成本以及施工工期也急劇增加。同時(shí)，抗浮失效的事故多是由于地下水位過(guò)高引起。要想解決抗浮問(wèn)題，要從問(wèn)題源頭，也就是從降低地下水位入手才是最有效的。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗浮方案，排水減壓法具有工期短，成本低的特點(diǎn)。它可以大幅減少抗拔樁以及錨桿的使用，通過(guò)減壓井、排水廊道等方式，主動(dòng)進(jìn)行排水，以起到水位降低的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，排水減壓系統(tǒng)的耐久性問(wèn)題在一定程度上得到技術(shù)上的解決。但同時(shí)，排水減壓法相對(duì)傳統(tǒng)抗浮法，需另外分析對(duì)周邊環(huán)境的影響是否能滿足設(shè)計(jì)要求，即水位下降是否會(huì)影響周邊結(jié)構(gòu)的安全。

1.3 排水減壓法在地下結(jié)構(gòu)抗浮中的應(yīng)用

排水減壓法已在多個(gè)工程項(xiàng)目得以應(yīng)用，如在橫琴口岸及綜合交通樞紐開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目，通過(guò)設(shè)置止水帷幕以及在周邊布置敞口式大直徑無(wú)砂混凝土減壓井排水，降低水頭，減小作用在結(jié)構(gòu)底板上的荷載。采用排水減壓技術(shù)后，正常條件下，對(duì)應(yīng)地下結(jié)構(gòu)的底板的抗浮水位從5.4m最低降至-8.5m；在龍灘庵泵站工程，通過(guò)雙層地基減壓井，使得水位低于建基面0.5m，滿足所要求的降水深度。以上排水減壓技術(shù)均在永久性地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行，并且都是在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上新設(shè)置排水結(jié)構(gòu)或者止水帷幕進(jìn)行排水。

2 工程案例

案例工程為臨時(shí)性基坑工程，且在施工完地下室頂板并回填地下室南北兩側(cè)壁后停工緩建。項(xiàng)目場(chǎng)地的南邊緊鄰地鐵，基坑長(zhǎng)期不回填也可能對(duì)其安全造成一定的影響。但現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)自重不足以抵抗現(xiàn)有水壓力，肥槽回填很可能造成地下室的抗浮不安全。在這種情況下，該項(xiàng)目采用排水減壓方式進(jìn)行處理，并在確保結(jié)構(gòu)抗浮安全的同時(shí)，保證地鐵的安全。

項(xiàng)目場(chǎng)地所在地為沖積平原地貌，現(xiàn)場(chǎng)地形比較平坦，整體呈現(xiàn)北東高，西南低的地勢(shì)。據(jù)鉆孔揭露，場(chǎng)地地層在鉆探深度內(nèi)按成因自上而下可分為：第四系人工填土層、第四系沖積層、第四系坡積層、第四系殘積層及震旦系混合花崗巖。

地下結(jié)構(gòu)占地面積32101.6m，長(zhǎng)116.1m,寬276.5m；場(chǎng)地平均高程13.0m，地下室底板面標(biāo)高為+1.0m，底板厚0.6m，地下室底板在砂層。實(shí)測(cè)地下穩(wěn)定水位埋深為2.50~5.00m，平均埋深3.72m，標(biāo)高為6.00~8.95m，平均標(biāo)高為7.63m。地下室負(fù)一層南側(cè)與地鐵合建連接通道。現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

目前，三層地下室已經(jīng)施工完成，南北兩側(cè)的肥槽也已經(jīng)回填。地下底板的后澆帶尚未澆筑，但后澆帶下澆筑有鋼筋混凝土墊層與素混凝土墊層。后澆帶及肥槽分布如圖2所示。按設(shè)計(jì)復(fù)核，要滿足目前的結(jié)構(gòu)抗浮安全，地下水位必須控制在負(fù)一層底板以下（+8.10m），如圖3所示。

圖2 后澆帶肥槽分布圖

圖3 抗浮減壓目標(biāo)

3 排水減壓方案設(shè)計(jì)

3.1 排水減壓方案

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程情況，結(jié)合現(xiàn)有建筑以及周邊水文地質(zhì)情況，當(dāng)前已有排水條件為地下室后澆帶以及東西側(cè)肥槽。后澆帶底下澆筑了混凝土墊層，為使其排水通暢，需將混凝土墊層鉆穿，沿各后澆帶走向，每隔10m進(jìn)行鉆孔，孔直徑150mm，孔底進(jìn)入砂層不小于0.5m，排水孔平面布置圖如圖4所示。

圖4 后澆帶排水孔布置

通過(guò)正常使用和暴雨工況兩種情況對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行有限元滲流分析。其中，將該工程在投入使用的大部分時(shí)間里，其所在區(qū)域較為穩(wěn)定的地下水位的狀態(tài)稱(chēng)為正常工況；將部分天數(shù)的降水量急劇增加導(dǎo)致劇增的地下水位的狀態(tài)稱(chēng)為暴雨工況。

一般情況下，正常工況下的計(jì)算水位取自工程勘察時(shí)的水位；暴雨工況下，根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潘到y(tǒng)運(yùn)行情況取淹沒(méi)至地表為計(jì)算水位。

3.2 計(jì)算模型與參數(shù)

依據(jù)地形特點(diǎn)，通過(guò)擬合水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，經(jīng)多次反復(fù)試算，確立如圖5所示的計(jì)算邊界：出口邊界為BC段，正常工況水頭取為6m，暴雨工況取為8m。DFE段作為入滲段；AF 段測(cè)定水頭為11m，模擬北邊高地的供水。西側(cè)AB 段與東側(cè)CD 段近似垂直于BC 段，地下水流向平行于該線，故作為不透水邊界。

圖5 計(jì)算模型邊界示意

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，場(chǎng)地地層自上而下可分為：雜、填土層、粉土層、中粗砂及礫層、全風(fēng)化巖層以及強(qiáng)風(fēng)化巖層。場(chǎng)地基坑采用咬合樁支護(hù)，周邊地鐵結(jié)構(gòu)以連續(xù)墻作為邊界，最終確定滲流的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土層滲透系數(shù)率定值

本次設(shè)計(jì)所使用的分析流程為4步:數(shù)據(jù)前處理→生成有限元矩陣單元網(wǎng)格→后處理運(yùn)算→數(shù)據(jù)分析處理。首先進(jìn)行鉆孔信息的前處理，完成土層的建模；隨后將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Gmsh有限元軟件中，并建立基坑、排水孔、周邊坡地以及地鐵的模型，形成有限元矩陣單元網(wǎng)格；接著建立材料工程參數(shù)、土層物理組分類(lèi)，抗浮水頭設(shè)定等數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行后處理運(yùn)算；最終將運(yùn)算結(jié)果以plot文件的形式進(jìn)行分析處理。其中有限元建模如圖6所示。

圖6 有限元模型圖

3.3 計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度，需進(jìn)行模型驗(yàn)證。其具體做法是，在已有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)的情況下，使用有限元模型模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)的工況條件，得到計(jì)算的水頭降，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)水頭降結(jié)果對(duì)比，如圖7所示。由圖7可知，計(jì)算水頭降與實(shí)測(cè)水頭降的最大誤差僅在0.3m 左右，計(jì)算結(jié)果良好。說(shuō)明計(jì)算模型有效。

圖7 實(shí)測(cè)與計(jì)算水頭降對(duì)比

最終計(jì)算結(jié)果如圖8所示，在正常工況下，地下底板最大水頭為+1.50m，滿足+8.10m的抗浮要求。出水量方面，正常工況下為640m3/d，與實(shí)測(cè)流量相當(dāng)。理論上如果能夠保證后澆帶排水能力（全敞開(kāi)），由于后澆帶之間的距離比較小且分布均勻，減壓效果會(huì)比理論計(jì)算更好。而實(shí)際上，由于每隔10m 鉆孔排水，其排水能力相對(duì)于后澆帶全部完全敞開(kāi)情況差，其實(shí)際的出水量會(huì)減少，底板的水壓力會(huì)有所上升，但仍低于+8.10m的減壓抗浮要求。暴雨工況下，底板最大水頭為+1.81m，同樣滿足抗浮要求。其出水量方面為1121m3/d，相比正常工況下的出水量增加約500m3/d，建議按此抽水量的2倍配置抽水設(shè)備，以更好地達(dá)到降低水位的作用。

圖8 2種工況下砂層部分水頭分布圖

4 基坑排水減壓方案的影響

4.1 對(duì)工程南側(cè)方向的地鐵隧道的影響

暴雨工況下，地下水位是上升的，排水減壓不會(huì)造成對(duì)周邊環(huán)境的影響問(wèn)題。但不能忽視正常工況下排水減壓排水造成的水位下降對(duì)周邊環(huán)境的影響。

該基坑工程周邊多為坡地，在正常工況下，最需要留意的是該工程南側(cè)方向的地鐵隧道。根據(jù)監(jiān)測(cè)方報(bào)告分析，需將施工過(guò)程誘發(fā)的最大豎向沉降控制在6.0mm內(nèi)。由于在相同條件下，排水減壓對(duì)周邊環(huán)境的影響的大小取決于排水量，排水量大引起基坑周邊的水頭降就大。從基坑開(kāi)挖期間水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及鄰近地鐵位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，基坑開(kāi)挖到底引起地鐵周邊的變形最大不超過(guò)3mm，不到控制6mm的一半。另一方面因基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵環(huán)境的影響是降水和基坑支護(hù)變形疊加的影響，單純降水的影響應(yīng)該更少。所以，排水減壓對(duì)環(huán)境影響應(yīng)該小于基坑挖到底時(shí)的工況。加之基坑降水在前，排水減壓在后，相當(dāng)于進(jìn)行了加載預(yù)壓，排水減壓引起后期的環(huán)境影響應(yīng)該是可控的，且相對(duì)比較小。另一方面，在正常工況計(jì)算中，沒(méi)有考慮平常降雨補(bǔ)給地下水的情況。如果考慮，排水減壓引起的水頭降會(huì)更小，對(duì)環(huán)境的影響會(huì)更小。

4.2 砂層敏感性分析

將中粗砂及礫層的滲透系數(shù)變?yōu)?0倍以后，即8×10-1cm/s,計(jì)算兩種工況下其鉆孔排水量也增加了400%以上，屬于敏感性因素，變?yōu)?/10后排水量也急劇減小。因此可以推斷，在排水減壓抗浮設(shè)計(jì)中，必須將孔或者排水結(jié)構(gòu)打到底板下相對(duì)強(qiáng)透水層內(nèi)，這樣才能有效提高排水效率。如果在底板下沒(méi)有強(qiáng)透水層，可在底板下?lián)Q填一層厚度大于50cm的碎石疏水層，如圖9所示。

圖9 疏水層示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)抗浮法，排水減壓法具有工期短，成本低的特點(diǎn)。但需分析其對(duì)周邊環(huán)境的影響是否能滿足設(shè)計(jì)要求，即水位下降是否會(huì)影響周邊結(jié)構(gòu)的安全。而案例工程的排水減壓方案，本文的研究認(rèn)為：無(wú)論正常還是暴雨工況，水頭降深均滿足抗浮要求；對(duì)于鉆孔排水量來(lái)說(shuō)，砂層的滲透系數(shù)屬于敏感性因素，因此在排水減壓抗浮設(shè)計(jì)中，必須將孔或者排水結(jié)構(gòu)打到底板下相對(duì)強(qiáng)透水層內(nèi)，這樣才能有效提高排水效率。