某公共地下建筑上浮结构检测及抗浮加固处理研究

何志锋，钱 铭，吴生祥

（甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020）

0 引言

随着城市的高速发展，地下建筑物越来越多，地下建筑物的抗浮问题也越来越突出。由于地下水浮力造成的地下结构上浮的事故越来越多。如佛山市永丰大厦地下室底板上拱达 20 cm［1-2］，采用锚杆和增厚地下室底板的方法进行永久抗浮加固，加固效果明显。深圳市宝安区某地下建筑未及时覆土而造成上浮一天内最大上浮量达 5 cm。分析以上事故，结合本实例，阐述上浮后结构的检测鉴定、上浮原因分析、解决上浮结构的处理方法，给类似工程以参考借鉴。

1 工程概况

某建筑为地下一层。该工程结构为现浇钢筋混凝土板柱—剪力墙结构。总长为 92.75 m，宽度为 58.93 m。层高为 6.55 m，顶板标高为 -0.400 m，底板顶标高为 -6.950 m。顶板厚度为 350 mm，总建筑面积为4 677.57 m2。基础型式为筏板基础+局部下柱墩，筏板基础厚度为 500 mm，下柱墩厚度为 800 mm。持力层为泥岩层。本工程场地地层自上而下依次为①杂填土，层厚 0.60～1.30 m；②粉质黏土层，厚度 3.20～4.10 m；③圆砾层层厚度 1.30～1.90 m；④泥岩层组成。地下水存于②粉质黏土层下部和③圆砾层中，地下水类型属潜水。地下水位埋深介于 4.20～4.80 m，水位标高介于 1 574.00～1 574.90 m。水位变幅 1.00 m。抗浮水位1 575.90 m。

2 地下室上浮结构检测

2.1 结构上浮变形观测

采用经纬仪对地下结构上浮变形进行观测，从观测结果可知，建筑物最大上浮量为 229 mm。地下室上浮状态中间大、四周小，呈现“锅底”状。上浮情况如图 1 所示。

图1 地下室柱上浮变形分布图（单位：mm）

2.2 结构损伤检测

该工程在主体完工停止降水后出现整体上浮，上浮最高点达到 229 mm，造成结构构件出现裂缝。通过对结构进行检测，发现结构损伤主要有如下几个方面。

1）框架柱柱底、柱顶和柱帽出现水平裂缝、斜向裂缝（见图 2～3）。裂缝最大宽度为 1.8 mm，已超过 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》（2015 版）规定的最大裂缝宽度 0.3 m m 的限值要求，已大于 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鉴定标准》规定的混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度 1.05 mm 的限值。

图2 框架柱顶裂缝

图3 柱帽裂缝

2）部分填充墙体出现通常斜裂缝。

3 地下室上浮分析

3.1 原地下室抗浮设计调查

本工程基础形式为筏板基础+局部下柱墩，抗浮采用结构自重和上部的覆土来抵抗地下水浮力。筏板厚度为 500 mm，筏板下为 60 mm 厚保护层（40 mm 厚混凝土保护层 +20 mm 厚水泥砂浆保护层），保护层下为 200 mm 厚混凝土垫层，地下室顶板厚度为 350 mm，覆土厚度为 500 mm。

3.2 地下室施工情况调查

地下室施工在初始阶段有基坑支护、止水、降水措施，基坑内基本无水。地下室主体结构施工和侧壁回填完成后，原有降水措施已基本失效。仅余 2 个降水井可以使用，但未进行降水工作。

事故发生时，工程所属区域正处于降水量较为丰富的丰水期，连续多次降雨，地下水位急剧上升，且地下室内部荷载和顶部覆土等荷载没有完成，致使地下室水浮力超过结构实际自重。

3.3 地下室整体抗浮验算

根据 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［3］第 5.4.3 条规定，建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定验算，一般情况下抗浮稳定安全系数取 1.05。2009 JSCS－2－3《全国民用建筑工程设计技术措施——结构》（地基与基础）进行设计荷载和现场实际荷载两种工况下的结构整体抗浮稳定安全性验算，验算结果如表 1 所示，工况 Ⅰ 和 Ⅱ 的整体抗浮稳定安全性系数均不满足规范要求，必须采取抗浮加固措施。

3.4 地下室上浮原因分析

设计阶段抗浮设计考虑不足，未能考虑丰水期地下水位变化情况，地下室结构自重和覆土自重小于水浮力，导致地下室出现不同上浮起拱变形。

表1 工况 Ⅰ、Ⅱ 整体抗浮稳定安全性验算

施工阶段，在地下室主体结构完成后，地下室侧壁已回填，原有降水措施已基本失效，未进行降水工作，丰水期地下水位上升，引起地下室出现不同上浮起拱变形。

4 地下室抗浮加固处理

4.1 应急抗浮处理措施

为降低上浮对该地下室的影响并预防其进一步发展，现场启用剩余 2 个降水井进行降水。为减轻地下室结构构件的应力，防止构件的进一步破坏，现场在地下室底板上开孔放水，减小地下室底板的水压力。

4.2 抗浮加固措施

抗浮常用的措施有：①增加结构配重法抗浮。包括增加覆土荷载、增加结构自重和边墙荷载等 3 种方式。通过增加结构配重，使得结构荷载大于水浮力。该方法一般用于埋深较浅、上浮力较小的情况，或用于自重与上浮力相差较小的情况。②抗浮锚杆法。抗浮锚杆依赖于土层与锚固体之间的粘结强度提供抗拔承载力，抵消水浮力。③设置抗拔桩抗浮。抗拔桩主要靠土体与桩侧壁摩阻力提供的抗拔力，从而克服水浮力。④基础底板下释放水浮力抗浮。在基底下方设置静水压力释放层，使基底下的部分水浮力释放。

从上面的分析可以看出，解决本工程上浮的方法有以下 3 种。

1）采用增加固结构配重法进行抗浮加固，经计算，单纯采用增重法加固，需要增加约 850 mm 钢筋混凝土板，加在地下室顶板，会导致原有顶板承载力不足，且加固难度较大，费用较高；加在底板顶面，则影响底板承载能力，且减小了地下室净空，破坏了建筑原有功能。

2）采用抗浮锚杆法进行加固，能够将地下室结构上浮部位拉回原位，对建筑物的使用空间和功能没有影响，且加固原理简单明确，原结构地下一层层高较高，施工条件较好，施工难度不大。但抗浮锚杆布置过密，钻孔会对筏板承载能力产生影响，底板上的孔洞难以封堵，锚头会渗水。

3）采用抗拔桩法进行加固。由于地下室结构顶板已经施工完毕，施工机械难以进入展开作业。

因此，经过上述分析及综合考虑使用性、经济性、工期等因素，并结合本工程特点。本工程加固以抗浮锚杆加固为主，增重法为辅的做法，即通过抗浮锚杆加固抵消大部分水浮力，然后在筏板顶部新增叠合层，抵消小部分水浮力，且不影响原结构承载力，并起到封闭锚杆端头的作用。

4.3 地下室永久抗浮加固措施

本工程首先采用抗浮锚杆对地下室进行抗浮加固。锚杆杆体选用φ32 螺纹钢筋，锚杆孔直径 110 mm，锚杆浆体采用 M30 水泥砂浆，锚杆锚固段有效锚固长度为 7.5 m，锚杆自由段长度 5.26 m。总共设置 430 根抗浮锚杆。在原结构地下室底板顶面新增设 300 mm 厚钢筋混凝土叠合层，凿毛原底板表面，满铺 φ12@200 钢筋，并采用梅花状φ10@800 锚筋进行连接。抗浮加固做法如图 4 所示。

图4 锚杆加固详图

4.4 抗浮加固整体稳定安全性验算

根据 GB 50086－2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》第 11.2.4 条整体抗浮稳定安全性验算，并对局部抗浮稳定安全性进行验算。采用抗浮锚杆和增重法整体加固后，地下室整体抗浮稳定安全性系数 K 为 3.01，局部抗浮稳定安全性系数 K 为 1.44，K＞1.05，符合规范要求，验算结果如表 2 所示。

表2 抗浮稳定安全性验算

5 受损结构构件加固处理

根据现场损伤情况，对裂缝宽度较小的的砌体填充墙采用封闭裂缝后挂钢丝网抹水泥砂浆进行加固。对裂缝宽度较大的砌体填充墙采用钢筋网水泥砂浆面层法进行加固。对地下室柱帽、柱顶及柱底裂缝宽度 ＞0.30 mm 的裂缝采用注射结构胶法进行修补，并结合粘贴碳纤维布法进行加固。加固做法如图 5～6 所示。

图5 柱顶及柱帽加固详图（单位：mm）

图6 柱底加固详图（单位：mm）

6 结论

本工程进行抗浮加固和地下室构件维修补强后，在经历几个丰水期后，未发现地下室出现上浮、变形、裂缝及渗水等现象，加固效果良好，能够满足建筑物永久抗浮和安全使用的要求，取得了较好的经济和社会效益［4］。通过本实例，总结设计、施工、应急处理、检测和加固处理方面的经验及建议，供类似工程参考。

1）设计方面。验算地下水对结构的上浮作用时，原则上按照勘察报告提供的设防水位计算水浮力，但还应根据当地水文观测资料或丰水期最高稳定水位情况。综合考虑和调整抗浮设防水位。

2）施工方面。在施工的初期阶段应严格按照设计和规范要求采取降水措施，在主体结构完工后，其余荷载未完全加载完成前，应保留降水措施，并对地下水位及主体结构进行监测。在所有施工全部完成，并停止降水后，还需对建筑物进行沉降变形监测。防止由于天气突变引起地下水位变化或原设计对抗浮水位不足等原因，造成结构上浮破坏事故。

3）应急处理方面。地下结构出现上浮后，应根据结构实际变形、损坏情况，立即采取相应的应急抗浮处理措施，并应控制好结构的归位速度和地下水位的下降速率，避免造成结构二次损伤。

4）检测方面。应对上浮结构进行全面、详细的检测，对结构上浮情况、构件受损部位、损伤程度进行准确检测和评价，为结构后续处理提供可靠的技术依据。

5）加固处理方面。上浮结构的加固处理需要考虑上浮结构的复位、结构永久抗浮加固及受损构件加固等方面。制定加固方案时，在保证安全可靠的前提下，还应考虑对原结构损伤和改变较小，加固方案的经济性、建筑物的使用性等方面。考虑采用两种及以上的方式综合抗浮，提高可靠度。