房建大规模地下结构抗浮施工技术研究

文／郑小东 中交路桥北方工程有限公司 北京 100024

引言：

随着我国经济的快速发展、城市建设规模的日益扩展，地下空间的开发利用日渐增多，高层建筑地下室、地下车库单体面积日益增大，尤其是地下车库长度不断扩大，地下室的平面布置越来越大，有些甚至达到或超过200～300米，然而由于结构物自重及上部荷载重量小于地下水向上的浮力，使得这些地下结构往往处于补偿或超补偿状态，在浮力作用下引起结构内应力重分布，结构可能失稳或破坏，或由于不同程度上浮造成外墙开裂、底板开裂甚至断裂等质量和安全问题，造成巨大的损失。

近年来，由于在地下结构设计与施工过程中低估了场地内的地下水，水压力实测与理论相差较大，或是采取的抗浮措施不当，导致地下结构上浮破坏的事故并不少见。大多设计地下车库时主要考虑的是车库建成后使用期间的正常使用极限状态和承载能力极限状态，对施工期间的抗浮施工技术缺少关注。因此，开展房建大规模地下结构抗浮施工技术理论和实践研究，对指导抗浮设计和施工，在确保结构安全可靠的同时降低工程造价，具有重要的科学意义和工程应用前景。

1、项目工程施工概况

本工程为泰安市东平县东平街道古台寺村城市棚户区改造项目一期（简称“古台寺一期项目”），其位于东平县东平街道古台寺村，在建开源公馆南邻，毗邻飞云溪、大清河、东平县人民医院（西院），总建筑面积115965.29m2，占地面积68.62亩，分为1#～6#住宅楼、1#换热站、25#公建、地下车库。主楼与地下车库整体大开挖，基坑整体呈长方形，基坑东西长约219m，南北宽约180m，基坑开挖深度5.0m，筏板基底高程为38.50m，自然地坪标高43.50（见下图1）。

图1 深基坑环境平面图

1.1 场地地层及其工程特征

⑴层1耕土(Qpd)：黄褐色，松散，稍湿，主要成分为黏性土，含少量植物根系。场区内分布普遍，该层层底深度0.40～7.00m，层底标高42.56～43.53m，总层厚0.40～7.00m。

⑵层2粉质黏土：（Q4al）：褐黄色，可塑，含少量氧化铁条纹，无摇震反应，稍具光泽反应，干强度及韧性中等。场区内分布普遍，层底深度2.50～10.00m，层底标高38.44～41.15m，总层厚2.00～4.60m。

⑶层2-1粉土：（Q4al）：褐黄色，稍密，湿～很湿，含少量云母片，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度及韧性低。场区内局部分布，厚度0.90～3.50m。

⑷层3黏土：（Q4al）：灰褐色，可塑，含少量有机质，无摇震反应，具光泽反应，干强度及韧性高。场区内分布普遍，层底深度5.00～12.30m，层底标高36.00～38.83m，层厚0.80～3.50m。

⑸层4粉质黏土：（Q4al）：褐灰色～灰黄色，可塑，无摇震反应，稍具光泽反应，干强度及韧性中等，含少量氧化铁条纹及砂粒，局部相变为黏土。场区内分布较普遍，层底深度6.00～18.20m，层底标高31.55～37.68m，层厚0.50～6.70m。

⑹层5中细砂：（Q4al）：褐灰～灰黄色，中密，饱和，含少量黏性土，砂粒成分为石英、长石，级配较好，分选性较差。场区内分布较普遍，层底深度10.80～21.50m，层底标高27.73～32.85m，层厚2.20～9.00m。

1.2 地形、地貌及地下水

⑴建筑场地地形起伏不大，较平坦，场地东北角堆有周边工地近期基坑开挖形成的渣土，测得勘探点地面高程为43.06～50.12m。场地地貌单一，属冲积平原地貌单元。

⑵勘探期间，稳定水位埋深2.65～10.02m，稳定水位标高39.93～40.60m。场地下水类型为第四系潜水，含水岩组为5层中细砂、6层中粗砂，渗透性强，富水性好。

⑶根据调查及搜集的有关资料，场地正常水位变化幅度约3m，历史最高水位及丰水期水位标高可参考43.00m考虑。

2、浮力与施工期间抗浮水位的定义

《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)的2.1.11条对“浮力”解释为：“静水压力渗流水压力及承压水压力等对地下结构底板产生抬升作用的竖向压力”；由于地下结构底板埋置深度与承压水层位置关系千变万化，有时甚至对地下结构底板因其上有覆盖一定厚度土层的存在而不出现浮力作用，浮力大小需结合具体状态计算确定。

《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)的2.1.12条对“抗浮水位”解释为：“建筑工程在施工期间内满足抗浮设防标准时可能遭遇的地下水最高水位，或建筑工程在施工期间内满足抗浮设防标准最不利工况组合时地下结构底板底面上可能受到的最大浮力按静态折算的地下水位”；岩土工程勘察规范(GB50021-2001) 要求“尚应提供用于计算地下水浮力的设防水位”，先有水文地质勘探才能设计结构基础，即: 地下结构抗浮水位值需有严格详细的岩土勘探数据支撑。

3、确定抗浮水位、浮力值

3.1 抗浮水位的确定方法

一般地质勘探报告中都只会提及常年最高水位，以及勘探时期地下水和水位可能出现的深度范围。然而地下结构抗浮设计水位往往与勘探期间实测的稳定水位和最高水位有区别，需要根据勘探期水位、历史最高水位、每年出现的最高水位，结合地层下的水类型、含水层最高水位出现的深度以及地下水的外来流入、排泄等，按照工程的特点的相应要求，综合考虑确定一项工程的抗浮水位。

设计院人员在设计建筑工程地下结构时，根据以往经验取工程所在地稳定水位作为抗浮水位是不合适的，它仅仅是早起勘探单位在勘测期间实测的某一天或者某个时辰内的水位，没有考虑季节和气候变化，比如：雨季和冬期、高温和低温、雨雪等变化影响；可以这么认为，如果这时处于干旱季节，测得的水位一般是偏低的，一旦下雨出现汛期则会出现上浮现象；由于人力、物力、工期、成本的因素，勘探单位很难长时间持续观测水位，因此，在不利条件下地下水最高水位取值按下述办法确定：

⑴对于有成熟研究技术成果或经验的发达地区，可以参考相应研究技术或经验综合确定地下水最高水位；

⑵对于无其他可借鉴经验和研究成果时，可参照下列方法确定：

①当建筑场地附近有与地下水存在水力联系的地表水体时，应专门建立渗流模型，考虑到地下水水位动态的主要影响因素的变化，进行渗流分析，获取相应含水层地下水的远期最高水位。渗流模型应经现场水位监测数据的验证；

②当建筑场地远离其他水力边界时，可以根据当地数据观测结果进行数据统计分析，并结合当地现有施工经验对比取值；

③有条件的情况下，可以在区域地质及水文地质分析的基础上，建立工程所在的水文地质单元的地下水渗流模型，并根据最新的预测条件进行远期水位预测，然后结合建筑物场地的具体地层及地下水条件进行综合取值。弱透水层中不利条件下最大孔隙水压力可以通过上、下相对稳定含水层中不利条件下最高水位作为边界，进行垂向一维渗流分析获得。

④地下结构四周的肥槽选用附近粘性土回填，施工时采用机械配合人工分层回填夯实，夯实过程不能破坏主体结构，但队伍施工时往往在管理人员不注意时参入杂土，这样很容易出现肥槽土体密实度不够、渗透水严重，一旦出现强降水天气的话，势必把肥槽泡软，土体含水量加大，出现沉降，而且排水困难，对主体结构造成安全隐患，因此，假定按照实际水位为抗浮水位。

⑤本项目靠近东平大清河，属于河沿岸项目，大清河地下水位至南向北流动，地下水与基坑底存在相互流通关系，按照最不利工况考虑，抗浮水位值可以到达河最高水位。据当地资料记载，大清河洪水位经常高于地面，受地形影响，地下雨水长时间聚集在附近2公里范围内，导致本工程常年处于低洼处，雨水汇集的情况，因此，这个时候的抗浮水位宜取至室外地坪标高。

3.2 抗浮水位值

查看设计施工图可知，本工程的地下结构筏板基底标高为38.5m，基础持力层处于层3黏土中。勘探为期20天左右，无施工场地长期观测孔位数据，所以地下结构的抗浮水位取值确定原则是: 着重考虑地下第四系潜水的水位变化。主要从以下几方面去考虑:⑴考虑地下结构施工初期的年最高水位，即抗浮水位为40.0m；⑵勘探期间平均稳定地下水位变化幅度在3m左右，且流向为南北方向；⑶勘察作业为9月份，东平地区的地下水非常丰富，此时建筑场地丰水期水位标高接近于地表标高，变化幅度可忽略不计，最高水位为:40.0+3.0= 43.0；⑷本深基坑采用自然放坡1:0.5开挖，属于大规模土方开挖，肥槽填土量较大，存在地表水通过回填土抬升或意外补给地下水位可能，最高水位:43.0+0.5=43.5m。综合以上分析，本项目地下结构的抗浮水位取值为43.5m。

3.3 水浮力值的计算方法

浮力值计算原理根据阿基米德原理来计算：

那么推算出地下结构单位面积的浮力为：

式中：p-单位面积承受的浮力值；A-地下结构物底面积；γw-水的重度；H-计算位置水头；ψ计算位置处高程；h-水头高度。

3.4 水浮力值

本工程抗浮工程设计等级为乙级，施工期间抗浮稳定安全系数 为1.0，施工图要求地下车库覆土层厚度在1.0～1.6m之间，密肋顶板厚230mm，外墙厚250mm，筏板后厚550mm，垫层厚100mm,覆土容重不大于18kN/m3，车库顶施工过程中最大荷载为5kN/m3，混凝土重度取25kN/m3。

结构覆土重：Q1=1.6m×18kN/m3=28.8KN/m2

结 构 自 重：Q2=（0.23m+0.25m+0.55m+0.1m）×25kN/m3×1.1=31KN/m2

（系数1.1为考虑地下结构墙、柱、柱帽及建筑面层等的自重）

结构上部重量：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

抗浮稳定性验算：Q/ =59.8/45=1.33＞1.0，满足抗浮施工技术要求。

4、采用“主动抗浮施工措施”控制地下水位

4.1 施工目的

确保水位降到基坑底以下0.5m，使深基坑在开挖期间无水作业，从而有利于提高土方开挖进度。

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”的管井和排水盲沟降水施工方式。

4.3 具体施工措施

⑴基坑开挖前首先在开挖线外1.5m范围设置降水井40眼，根据地下室筏板基础施工后地质情况好坏再确定是否设置梳干井，计划在基坑内适当位置设置梳干井24眼，全部采用旋挖钻施工（见下图2）。降水井、梳干井采用无砂混凝土滤管，管外径为φ500mm，成孔直径φ700mm，井深约为13.0m。滤管接头处须用竹片及铁丝绑扎结实，必要时接头处包纱网。

图2 基坑管井和排水盲沟施工平面图

⑵滤管安置后需保持垂直和居中滤料必须沿四周均匀填入，滤料为2～7mm砾石，井口下1～2m四周用粘土填实封死。

⑶成井后必须马上进行洗井工作，做到一边打一边洗，施工过程不得搁置时间过长或成孔后集中洗井。

⑷坡顶设置挡水台，坑底设置排水盲沟，规格为300×300mm，开挖后及时用碎石充填（见下图3）。每隔30～50m设置一个集水井，井深为0.8m（见下图4），用潜水泵随时抽排水。

图3 排水盲沟立面图（单位mm）

图4 排水盲沟大样图（单位mm）

4.4 施工效果

深基坑施工降水井水位和基坑边坡的监测委托了有资质的第三方根据施工现场进行了布置量测，从6个月监测的结果来看，本工程地下水位长时间保持在基底以下1.3m左右、边坡变形值为2mm，完全符合设计和施工图纸要求，地下水位满足地下结构抗浮要求。

结束语：

⑴目前的技术和方法很难合理确定抗浮设防水位值，它牵涉到工程的安全质量、成本控制问题，本文具体分析了各种影响抗浮水位因素，如建筑场地附近有与地下水存在水力联系的地表水体、建筑场地远离其他水力边界、季节气候变化、临近江河以及地下室回填土的质量等等，综合考虑了各种最不利条件下，确定地下构筑物的抗浮水位。这里对勘探做出了很高的要求，不仅要完善岩土工程系列管理内容，而且在勘察报告内容上，具体化分析抗浮水位，论证得当正确，要体现出专业性，结果准确。

⑵在进行工程的抗浮设计施工时，要采取主动抗浮措施即满足整体抗浮和局部抗浮验算。本项目采用的管井和排水盲沟施工措施，可以永久性且有效地降低抗浮水位，这一施工技术推广符合当前倡导的建筑环保的需求以及降低施工成本目的。因此，采用主动抗浮施工措施能很好对比传统的“被动抗浮措施”设计施工方法，实现以“隔水、排水、泄水”代“抗”的管井和排水盲沟降水施工方式及时控制施工时的地下水位以满足地下结构抗浮要求，总结出了一套房建大规模地下结构抗浮施工技术，期待研究成果为相应的单位提供类似抗浮施工技术参考依据，且不失为一种可行的抗浮施工技术。