泄水减压技术在地铁车辆地下停车场结构抗浮设计中的应用

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(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 环境与设备设计处，陕西 西安 710043；2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266045)

地铁车辆停车场是保障地铁正常运营的后勤基地，承担车辆的运用整备和日常维修保养工作[1]。停车场的占地面积较大，在城市建设用地日趋紧张的情况下，停车场的用地获取也越来越困难。利用地下空间设置停车场，集约化地利用城市土地资源，成为地铁建设的新模式[2]。

地铁车辆地下停车场其上部荷载较小，基础埋置较深，地下结构抗浮问题特别突出。如何在既节约资源又对周边环境影响小的前提下,解决此类大面积地下结构物的抗浮问题，是大力发展地下空间必须面对的重要问题[3]。青岛地铁13号线灵山卫停车场结构抗浮设计中采用了泄水减压技术。本文对此进行分析，为类似工程提供参考。

1 工程概况

青岛地铁13号线灵山卫地铁车辆停车场为全地下停车场，采用框架结构，地下结构面积近5万m2。根据停车场不同区域的功能要求，结合地形，停车场分为层高8，9，10 m 3个区域。建成后盖板绝对高程16.62～18.62 m。基坑开挖采用明挖法施工，基坑深度7.0～17.4 m，基础采用柱下独立基础+防水底板。停车场的平面布置如图1所示。

图1 停车场平面布置示意

2 抗浮技术方案比选及泄水减压抗浮技术的适用性分析

2.1 抗浮技术方案比选

地下建筑抗浮技术方案分为主动的和被动的2大类。主动抗浮技术方案是通过减小水浮力的方法实现地下建筑的抗浮稳定，主要是泄水减压。被动抗浮技术方案是通过提高地下建筑的抗浮能力从而达到地下建筑的抗浮稳定，包括超挖配重、设置抗拔桩等[4]。

超挖配重是通过适当加大基础埋深、增加建筑自重来抵抗浮力。加大基础埋深会增加基坑开挖量、基坑支护深度、地下结构高度和室内回填量。由于配重的重量会被增加的水头浮力抵消一部分，故其效率较低，适用于自重与浮力相差较小的工程，本工程不适用。设置抗拔桩是利用桩体自重和桩侧摩擦阻力来提供抗拔力，是一种常用的抗浮方案[5]，适用于非岩石地基的工程。由于抗拔桩受裂缝控制，其与地基土的抗拔摩擦阻力不能充分发挥作用，效率不高，工期长，无法满足本工程的工期要求。

泄水减压是利用永久性降水和排水的方法来使基坑底部的水位始终处于预定的标准之下，能够有效地减少地下水对建筑物的浮力，进而使建筑物具有抗浮的作用。在周边环境允许的情况下，泄水减压施工过程较方便，并且成本低廉。鉴于本工程地形特点，该技术适合本工程，但要重点考虑可能出现的淤堵情况。

2.2 泄水减压抗浮方案的适用性分析

停车场所处地形为东高西低，南高北低，项目所处地段具备泄水减压实施条件。

泄水减压技术对地下室土体的要求较高。要求地下室周围土体为渗透性较差的黏土，地下水类型主要是上层滞水、潜水[6]。该地区地下水补给来源主要是大气降水和上游山体径流水。主要排泄方式是蒸发和径流排泄。根据工程地质勘察报告，本场区地下水类型多且分布不均匀，不是主要的水源地。坑底位于基岩中，不会发生突涌水。工程及水文地质条件适合采用泄水降压技术。

3 泄水减压抗浮系统设计

3.1 泄水减压抗浮原理

泄水减压抗浮原理是通过盲沟排水主动降低地下室抗浮水位，从而释放部分或全部地下水浮力[7-8]。盲沟排水分为完全依靠地下水静止水压力主动排水和主要依靠地下水静止水压力排水并辅以机械排水2种方式[9-10]。结合本工程地质及环境情况，在基坑侧壁外和底板下开挖泄水盲沟，盲沟采用碎石填充，内埋软式透水管。通过盲沟将渗入基坑侧壁和底板下的地下水汇集在汇水井中，再通过排水管排泄至场区西侧蓄水池中，以便将抗浮水位控制在结构自身的抗浮能力之内，达到泄水降压的目的。

3.2 基坑涌水量

泄水减压抗浮系统设计要重点考虑场地内长期存在地下连续墙等挡水结构，地下水的每日抽排量和场地周围地下水流场变化，以及排水对周围环境的影响[11]。

场地地质情况复杂，各地段渗透系数差异较大。为准确计算基坑涌水量，参考全场区天然交变电场物探结果，将基坑划分为10个小区进行计算。各小区地下水类型及水文地质条件类似。基坑涌水量计算时假定将地下水降至坑底设计标高以下1 m，计算无挡水结构时涌水量。极端情况下基坑各小区涌水量计算结果见表1。

表1 极端情况下基坑各小区涌水量 m3/d

为保证工程安全，基坑涌水量取表1中各小区坑壁、坑底涌水量之和，确定为473.8 m3/d。

3.3 盲沟布置及泄水能力计算

在主体结构以外沿建筑周边设置1圈排水盲沟，盲沟内设置软式透水管，构成环形排水系统，用于排泄肥槽中地下水。在坑底设置盲沟，盲沟以从东向西排水为主，在南北向设置盲沟与东西向盲沟连通，达到将东西向各条盲沟互为备用的目的。东西向排水盲沟间距20～40 m，在水量较大或集中出水点应加密布置或加大管径。南北向盲沟间距30～50 m。将盲沟与集水井相连，使地下水汇聚在集水井中，然后通过排水管排入蓄水池中。坑底盲沟布置分为A,B,C 3个区，如图2 所示。

图2 坑底盲沟平面布置示意

C区即表1中的Ⅶ，Ⅷ，Ⅸ，Ⅹ区。由表1可以算出极端情况下C区坑底涌水量为106.6 m3/d。根据盲沟布置要求，C区拟布置8～12条纵向排水盲沟。由于地下水矿化度较高，进行泄水抗浮设计时应充分考虑盲沟的堵塞及其造成的影响。对其泄水能力作适当折减，盲沟直径取100 mm。C区坑底地下水位在7.7～8.2 m，对盲沟泄水量进行计算，最小泄水量为150.8 m3/d，大于C区极端情况下涌水量106.6 m3/d。计算结果满足要求。

B区即表1中的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ区。由表1可以算出极端情况下B区坑底涌水量为182.8 m3/d，加上C区涌水量106.6 m3/d，则总涌水量为289.4 m3/d。 B区拟布置4条纵向排水盲沟，对其泄水能力作适当折减，盲沟直径取150 mm。B区坑底地下水位在7.7～8.2 m，对盲沟泄水量进行了计算，最小泄水量为308.9 m3/d，大于B区和C区总涌水量289.4 m3/d。计算结果满足要求。

A区即表1中的Ⅰ，Ⅱ区。由表1可以算出极端情况下A区坑底涌水量为48.9 m3/d，加上B区和C区总涌水量289.4 m3/d，则总涌水量为338.3 m3/d。C区拟布置3条纵向排水盲沟，对其泄水能力作适当折减，盲沟直径取200 mm。A区坑底地下水位在7.7～8.2 m，对盲沟泄水量进行了计算。最小泄水量为524.1 m3/d，大于3个区总涌水量338.3 m3/d。计算结果满足要求。

由表1可以算出，极端情况下坑壁总涌水量为135.5 m3/d。肥槽中拟布置1条纵向排水盲沟，对其泄水能力做适当折减，盲沟直径取250 mm。肥槽中地下水位在8.2～8.7 m，对盲沟泄水量进行了计算。最小泄水量为161.5 m3/d，大于坑壁总涌水量135.5 m3/d。计算结果满足要求。

3.4 水位监测

为监测坑底水位情况，场区共布置了5个水位监测点(见图2)，每个监测点设置液位计，另在西侧集水井内设置液位传感器及水泵。

场地抗浮设防水位绝对标高最低为13.0 m，最高为21.0 m，中间位置按等差计算取值，每米水头浮托力按10 kPa考虑[12]。

地下室地面标高8.1 m，防水板底标高6.3 m。分别计算结构顶板、防水板、覆土、挡土墙等自重，得出结构自身在满足整体抗浮安全要求的情况下抗浮水位为14.9 m，局部抗浮水位为9.7 m。结构自身抗浮极限水位由局部抗浮水位控制，取9.7 m。泄水减压将地下水水位控制在9.5 m以下能保证结构安全。

当集水井中水位在7.0 m以下时为正常水位。当水位达到起泵水位7.5 m或玻璃液位计中水位达到警戒水位9.0 m时，应自动开启1台水泵进行排水。当水位达到报警水位8.0 m或玻璃液位计中水位达到最高水位9.5 m时，应自动同时开启备用水泵进行排水，并应及时通知相关人员采取下一步应急预案。当集水井中水泵损坏丧失排水能力时，应在玻璃液位计中水位达到9.5 m前启用应急水泵进行降水。

4 对周边环境的影响及需要采取的防护措施

4.1 对周边环境的影响

泄水减压抗浮方案成功与否主要取决于 2 个因素：①泄水减压系统的可靠性和耐久性；②泄水减压对周边环境的影响[13]。

采用泄水减压抗浮方案后，场地地下水位的变化对周边环境的影响主要有以下4点：

1)场地的地下水补给主要来源是滨海大道南侧的山体。由于有滨海大道的阻隔，并采取一定的技术措施，场地地下水位的降低不会对滨海大道南侧山体地下水造成大的影响。

2)场地东北侧地势低于本场地。采用泄水减压抗浮方案后，场地地下水位的降低对东北侧的地下水补给将产生一定的影响。由于基坑设置了止水帷幕，隔断了基坑内外地下水的联系，场地地下水位的降低不会造成基坑外地下水位的大幅下降。

3)场地西侧地面标高低于本工程基坑底部标高，故采用泄水减压抗浮方案后不会对相关建筑物及市政管网造成影响。

4)降水对基坑周边50 m以外的地下水影响非常弱，不会引起基坑周边50 m以外地面沉降[12]。但对基坑附近地面会产生一定影响，在基坑支护设计中应引起足够重视。

4.2 防护措施

防护的主要措施是对地下水源的控制与疏导。针对不同地下水源，分别采取如下措施：

1)地表雨水排放

对地表雨水进行有组织排放。为防止雨水垂直渗透，在基坑肥槽内适当位置增加阻水层，以减少雨水沿肥槽向坑底渗透。

2)基坑四周裂隙水控制及疏导

本工程裂隙水水量不大，渗透系数为0.054～0.140 m/d[12]。基坑回填后，基坑四周的裂隙水将汇入肥槽内，通过相应的盲沟汇入集水井内，通过排水管排入蓄水池中。

3)坑底裂隙水排放与控制

在坑底独立基础之间设置碎石盲沟，使坑底裂隙水自东向西排出，汇入集水井中。

4)黏土区域地下水排放与控制

局部基础处于黏土层，为防止地下水对基础持力层的不利影响，在黏土区域的盲沟设计中增加反滤层，反滤层由土工布、反滤砂层、碎石层等组成。

5)坑底防水

坑底增设防水底板可有效提高防水防潮效果，保证室内环境不受地下水的影响，并且防水底板使结构具有一定的抗浮能力，可以承担一定的水压。在极端情况下也能使地下水的排放由无压自流状态变为有压泄流，增强盲沟的泄水能力。

5 结论

本工程目前已实施完成，泄水减压抗浮技术应用效果较好。该技术适用于地下水位较高、上部荷载较小、抗浮问题比较突出的大型地下工程。通过本工程的实践，得出主要结论如下：

1)工程场地地下水的排放，将引起一定范围内地下水水位降低，但对周边环境造成的影响较小，可以通过工程措施加以控制。

2)坑底盲沟的布置要纵横连接，同时适当增加盲沟的数量和加大盲沟直径。施工中要确保排水系统的质量，确保系统的耐久性、可靠性和安全性。

3)须做好系统的水位监测。设计时要在合理位置布置水位监测点，设置相应水位监测及应急排水设施。定期巡视检查，及时掌握地下水位变化情况。若发现有地下水位急剧变化、地面开裂、塌陷等现象，应及时查明原因，消除隐患。