超深超大地下室靜水浮力釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
——以福州倉山區(qū)某工程為例

陳 翔 黃典宏 胡賢忠

(福州國(guó)偉建設(shè)設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著城市用地緊張，建設(shè)單位為充分利用土地，如解決停車場(chǎng)所、地下用作商鋪等，地下室普遍做得很大很深。按照福建省《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(DBJ13-07-2006)第10.6.5條，抗浮水位一般取場(chǎng)地整平標(biāo)高埋深0.5m考慮，地下室部位抗浮問題十分突出。地下室豎向平均荷載不大，很大部分基礎(chǔ)處于超補(bǔ)償狀態(tài)，這樣一個(gè)類似大船的結(jié)構(gòu)座落于含水層，抗浮穩(wěn)定性自然成為設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)鍵的問題。此類問題一般做法有增加配重、增設(shè)抗浮錨桿(或抗拔樁)，明顯帶來土建造價(jià)和建設(shè)工期等問題，特別是地下室埋深較深時(shí)(如超過9m)，抗拔樁數(shù)量明顯增長(zhǎng)，底板厚度也明顯加厚。

福州地下室開挖范圍內(nèi)土基本是滲透系數(shù)很小的淤泥或淤泥質(zhì)土，為此可利用上層滯水滲透到地下室底板時(shí)間長(zhǎng)的特性，可采取一定的措施將地下室底板靜水壓力予以釋放，可有效降低地下室抗浮水位，從而少布或不布抗拔樁，減少地下室底板厚度。這將會(huì)節(jié)約造價(jià)，減少施工工期，并且收集的地下水可二次利用，是一個(gè)很好的綠色技術(shù)設(shè)計(jì)。

1 靜水浮力釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

此釋放系統(tǒng)尤其適用于：

①地下室圍護(hù)結(jié)構(gòu)有止水帷幕時(shí)，止水帷幕設(shè)計(jì)應(yīng)符合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)[1]及相關(guān)規(guī)定，基礎(chǔ)下方必須有厚度大于2.0m且滲透系數(shù)k≤10-5cm/s的粘性土層、粉質(zhì)粘性土層；

②地下室圍護(hù)結(jié)構(gòu)無止水帷幕設(shè)計(jì)時(shí)，室外地面至底板下方2m必須全部為滲透系數(shù)k≤10-5cm/s的粘性土層、粉質(zhì)粘性土層。計(jì)算的滲流水量Q必須小于等于0.03m3/m2/d。

此靜水浮力釋放系統(tǒng)工作原理[2]：地下水通過鋪設(shè)在碎石層以下土工布的過濾層進(jìn)入碎石層，碎石層與底板之間也鋪設(shè)防水層，碎石層中地下水通過包在PVC濾水管外的土工布進(jìn)一步過濾，然后進(jìn)入濾水管順著管子流入集水井，最后通過抽水泵將地下水排出基礎(chǔ)底板之外。這樣地下水產(chǎn)生的上浮力對(duì)基礎(chǔ)底板的壓力被大大地釋放減弱，基礎(chǔ)底板處于動(dòng)態(tài)平衡之中。

本文以福州某實(shí)際工程為例，探討此釋放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 釋放系統(tǒng)示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

該工程位于福州市倉山區(qū)蓋山鎮(zhèn)，上部為5層的商業(yè)樓，地下為滿鋪地下室3層，地下建筑面積約120萬m2，基礎(chǔ)面位于約建筑標(biāo)高-13.9m。地下室底板座落于第③-B層淤泥夾薄層粉細(xì)砂層(其滲透系數(shù)1.5×10-6cm/s)，如圖2所示。

圖2 地下室周邊止水帷幕、回填隔水

地下水主要為賦存于雜填土內(nèi)的上層滯水。按“地勘”所提的抗浮水位，結(jié)構(gòu)物承受較大水浮力及基礎(chǔ)底板承受較大的水壓力，壓力達(dá)到125.5kPa。為合理解決地下水浮力可能帶來的問題，地下室周邊均采用隔水材料，擬采用“靜水浮力釋放系統(tǒng)”。

2.2 確定基坑周邊止水帷幕插入基坑深度

根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)圖紙，取止水帷幕插入地下室底板底4m。水頭高度為羅零5.5m，底板底標(biāo)高為羅零-7.15m。進(jìn)行FDM計(jì)算分析如表1所示。

合理利用止水帷幕，考慮地下水水平和豎向滲流，延長(zhǎng)地下水滲透路徑長(zhǎng)度，可有效降低底板抗浮水位。地下室底板設(shè)計(jì)時(shí)在此分析的基礎(chǔ)上取2倍安全系數(shù)，即按2m水頭作為抗浮水位。

2.3 基坑滲流水量計(jì)算

2.3.1參照“基坑規(guī)程[1]“按大井降水進(jìn)行計(jì)算

Q1=Q/A=0.0001m3/m2/d

2.3.2經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)下室外墻與地下室側(cè)壁范圍間的環(huán)形空間范圍內(nèi)儲(chǔ)存的地下水量進(jìn)行估算，其最大涌水量可按0.10倍的環(huán)形空間體積進(jìn)行估算。滲流量在此基礎(chǔ)上按20%考慮[3]。

Q1=0.004512m3/m2/d

2.3.3FDM仿真分析

最大單位面積滲流量Q1=0.0022m3/ m2/d，計(jì)算如圖3～圖5所示。

表1 FDM分析確定止水帷幕深度和底板水壓力

2.3.43種分析均符合最大單位面積滲流量≤0.03m3/ m2/d的設(shè)計(jì)要求

2.4 靜水浮力釋放后基坑外圍地下水泄降影響分析

該項(xiàng)目所在地層幾乎均為弱透水地層及近似不透水地層，依據(jù)細(xì)顆粒土壤地層建筑物基底降水影響，基底外圍影響范圍可依據(jù)Sichart Method進(jìn)行分析，水位泄降面可依據(jù)Hyperbolic Model進(jìn)行模擬[2]。

圖3 分析用斷面

依據(jù)等效地層選用斷面進(jìn)行分析，在止水帷幕及隔水材料確實(shí)施工條件下，采用靜水壓力釋放系統(tǒng)解除地下水浮力時(shí)，外圍地下水位影響水平距離27.62m，離開挖面3m位置水位泄降高度<10cm ，小于勘察期間最高水位高程與近3～5年最高水位高程變化量3.0m，可視為對(duì)于區(qū)塊外圍地下水位高度沒有影響。

2.5 顆粒流動(dòng)淤積分析

基底為第③-B層淤泥夾薄層粉細(xì)砂層，組成顆粒粒徑以5μm～425μm 為主。依據(jù)以Stokes’s law計(jì)算0.01mm的土壤顆粒自然沉降速度約為0.09mm/s；勘察透水試驗(yàn)所得地下水動(dòng)態(tài)滲流壓等化流速6×10-5cm/s=6×10-4mm/s，小于土壤顆粒自然沉降速度，不會(huì)造成流動(dòng)淤積情形。

2.6 疏排水系統(tǒng)和應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述計(jì)算的滲水流量，結(jié)合地下室集水井位置，疏排水系統(tǒng)按以下原則[2]進(jìn)行設(shè)計(jì)，①透水系統(tǒng)過濾層滲透系數(shù)應(yīng)≥10倍基底土層的滲透系數(shù)，②透水系統(tǒng)導(dǎo)水層最大流量應(yīng)≥10倍×透水系統(tǒng)過濾層入滲水量，③集水系統(tǒng)的流量應(yīng)≥10倍×總?cè)霛B水量，④出水系統(tǒng)最大流量應(yīng)≥10倍×設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估的總?cè)霛B量。具體做法如圖6～圖9所示。每1000m2在靠近建筑墻處設(shè)置水位測(cè)管(圖8)，在集水井處應(yīng)設(shè)置備用的反沖洗裝置，其功能為排除管路阻塞情形；這個(gè)U形監(jiān)測(cè)管具有超過一定水位后自動(dòng)泄水功能，保證地下水位在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)(圖9)。集水井水泵具有自動(dòng)啟動(dòng)裝置，且配有雙電源。

圖4 A斷面數(shù)值分析結(jié)果

圖5 B斷面數(shù)值分析結(jié)果

2.7 施工

勘探完成后對(duì)可能構(gòu)成安全隱患的勘探孔或基坑施工中的降水、減壓井，應(yīng)采用粘土球或水泥砂漿液進(jìn)行封孔[4]。土方開挖中，基礎(chǔ)底板機(jī)械開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)保留30cm左右高度的土方，采用人工開挖，以保證基坑底土層未被擾動(dòng)破壞，達(dá)到原狀土質(zhì)量；若開挖超過標(biāo)高，用碎石或砂填平、振實(shí)，不能用松土回填。

圖8 測(cè)管大樣

圖9 基坑內(nèi)泄水管與反沖洗設(shè)備

土工織物[5-6]鋪設(shè)時(shí)，①當(dāng)基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)基坑及盲溝表面進(jìn)行拍實(shí)處理(拍實(shí)工具可用自制工具進(jìn)行)；②土工織物鋪設(shè)時(shí)，基底內(nèi)不得有積水，避免在雨天施工且做好施工組織設(shè)計(jì)，保證土工布隨用隨鋪及時(shí)覆蓋，防止紫外線照射。

施工碎石濾層時(shí)，注意以下2點(diǎn)：①碎石在基坑內(nèi)平面駁動(dòng)時(shí)，必須在設(shè)置的腳手板上行走，不得在碎石上直接拉車行走；②碎石鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)用手推振動(dòng)器來回振平、振實(shí)。

澆搗混凝土前，在碎石層上部鋪蓋聚乙烯保護(hù)膜后澆搗混凝土墊層，防止混凝土中漿水流入碎石層，堵塞地下水流通道，現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)施工照片

3 結(jié)語

該項(xiàng)目竣工投入使用多年，地下室運(yùn)營(yíng)正常，地下水實(shí)際滲流量小于計(jì)算值。在低滲流量的土層中采用靜浮力釋放系統(tǒng)，可有效節(jié)約造價(jià)和加快施工進(jìn)度，且收集的地下水可作為綠化澆灌使用，屬于一種合理的綠色技術(shù)設(shè)計(jì)。釋放系統(tǒng)在建筑物設(shè)計(jì)使用周期內(nèi)主要滿足以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：

(1)合理確定基坑止水帷幕插入深度，用FDM計(jì)算分析確定底板水壓力；

(2)合理確定地下水滲流量、疏排水布置、基坑泄水管和反沖洗的應(yīng)急措施等；

(3)設(shè)計(jì)文件應(yīng)明確施工注意事項(xiàng)。