大型地下工程抗浮問題的背景與研究

項蘆杰

[摘 要]自二十世紀(jì)以來，國內(nèi)外都不斷提出關(guān)于地下工程的抗浮問題，到如今，也有不小的進(jìn)步，但是，對于抗浮問題的解決，我們至今仍處于嬰兒期。不僅存在施工技術(shù)方面的問題，也存在大量財力浪費的問題，還有許多技術(shù)上未攻克的難題，本文對大型地下工程抗浮的問題做了進(jìn)一步研究，主要提出一種新的抗浮手法——泄排水抗浮方法，并對其的工作原理、計算理念進(jìn)行解釋。

[關(guān)鍵詞]地下工程;抗浮問題;泄排水抗浮方法

[中圖分類號]TU942 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 大型地下工程抗浮問題的背景

1.1 地下水浮力計算

如今，地下結(jié)構(gòu)的浮力計算方法仍是一個值得考慮的問題，而實驗過程中所測到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場所測得數(shù)據(jù)又不盡相同，故我們應(yīng)從中找出理由。目前，我國各種規(guī)范和規(guī)程關(guān)于地下水作用的荷載分類沒有統(tǒng)一，地下水壓力應(yīng)屬于永久荷載還是可變荷載仍沒有一個統(tǒng)一的說法，同時，不同規(guī)范對水浮力的荷載分類不同，導(dǎo)致水浮力分項系數(shù)取值存在不一致的問題。與我國現(xiàn)行規(guī)范相比，歐洲規(guī)范有關(guān)地下水作用考慮得更全面和細(xì)致。歐洲規(guī)范中，將水作用看做永久荷載或可變荷載，并給出其判斷準(zhǔn)則和不同情況下的荷載組合要求。

現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程中地下結(jié)構(gòu)基底浮力壓強(qiáng)的計算，大都采用基于靜水壓強(qiáng)公式，而地下水浮力的計算主要集中在如何科學(xué)確定弱透水層中水浮力折減系數(shù)和抗浮設(shè)計水頭值H，其中抗浮設(shè)計水頭值是根據(jù)抗浮設(shè)防水位確定的，抗浮設(shè)防水位一般是指建筑結(jié)構(gòu)運營過程中基礎(chǔ)所在地下水層可能出現(xiàn)的最高水位。

1.2 地下水的滲流

巖土工程所涉及的地下水滲流問題，主要是研究地下水在多孔介質(zhì)中運動的基本規(guī)律，隨著工程的發(fā)展，地下水滲流受到國際工程界和學(xué)術(shù)界的高度重視。到了20世紀(jì)，地下水滲流已逐步發(fā)展成為具有自己理論體系、方法和應(yīng)用范圍的獨立學(xué)科。目前，地下水流計算常用的數(shù)值方法為有限差分法和有限單元法。與此同時，相關(guān)地下水滲流專業(yè)分析軟件也得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中有GeoStudio軟件和三維有限差分地下水?dāng)?shù)值模擬軟件MODFLOW等。

1.3 工程抗浮措施

當(dāng)前在大型地下結(jié)構(gòu)工程上比較常用的永久性抗浮措施有：配重法、抗浮錨桿（索）、抗浮樁等，而這些措施在不同方面來看多多少少都存在一些問題，比如說：抗浮錨桿（索）容易腐蝕和蠕變;抗浮樁的施工費用較高，而且長期處于起伏狀態(tài)的地下水位以下，所以也存在耐久性問題。

二十世紀(jì)末，我國開始從國外引進(jìn)排水抗浮法的改良技術(shù)——大面積靜力釋放層的施工技術(shù)。其中在中國所總包的新加坡環(huán)球影城項目中也采用了泄水抗浮方法，此方法的組成部分主要是排水減壓子系統(tǒng)和泄壓安全控制子系統(tǒng)，并在地下室底板下設(shè)置倒濾層（沙石和土工布構(gòu)成）、高分子防水層和混凝土墊層。

雖然降排抗浮方法和措施取得很大進(jìn)展，但工程界對這種方法普遍還存在疑惑和不熟悉。因此，工程界和學(xué)術(shù)界需要對降排水抗浮方法的抗浮機(jī)理、長期工作性能和可靠性、對周圍環(huán)境的影響作深入系統(tǒng)研究，并通過大量工程實踐探索作支撐。

2 抗浮機(jī)理研究

2.1 地下水

地下水位包括歷年最高水位、最低水位、靜止水位和穩(wěn)定水位等，它是根據(jù)季節(jié)或補(bǔ)給條件而變化的。地下水位變化是一個隨機(jī)過程，受人為因素的影響很大。根據(jù)賦存狀態(tài)，一般將地下水劃分為上層滯水、潛水和承壓水。

（1）上層滯水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表淺處，它的分布范圍有限，主要是由大氣降水補(bǔ)給。

（2）潛水：指具有自由水面的地下水，通常埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上，主要是雨水滲透或河流滲入土中而得到補(bǔ)給，也因為蒸發(fā)或流入河流而排泄。

（3）承壓水：只埋藏在上下兩個隔水層之間的地下水。承壓水主要是依靠大氣降水和河湖水通過潛水補(bǔ)給的。

2.2 浮力計算問題

一個物體在液體中存在三種運動狀態(tài)的可能性：下沉、不動或上浮。當(dāng)物體浸沒在液體中靜止不動，為懸浮或漂浮，此時其重力等于其受到浮力;下沉則其重力大于其浮力;上浮則其重力小于其浮力。

所以該如何正確確定上浮力，根據(jù)阿基米德的原理為浸入液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體受到的重力。根據(jù)土力學(xué)的知識原理得基底理論靜水壓力為水的重度乘以基地面積乘以水頭高度（地下水位標(biāo)高與建筑物基地標(biāo)高之差）。在水頭作用下，工程中會遇到不穩(wěn)定的滲流問題，其中可分為①.飽和滲流與非飽和滲流;②由于土的固結(jié)作用造成的滲流;③入滲分析，即場地地表附近水的入滲情況;④污染遷移問題。各層地下水除了具有水平方向的滲流分量外，在豎向還存在越流補(bǔ)給，即存在豎向的滲流分量。而對滲流和孔隙水壓力背景場的分析常被工程師忽略。

（1）黏土地基中地下水為滯水的情況。地下水賦存形態(tài)可以有滯水、潛水和承壓水等，而很多城市最下層的地下水可能為滯水狀態(tài)，這層滯水可能是由于降水或者是其他原因形成。

（2）地下結(jié)構(gòu)外有排水設(shè)備的情況。地下結(jié)構(gòu)中的排水設(shè)備不僅可以防止向地下水內(nèi)滲水，還有防止地下水腐蝕地下結(jié)構(gòu)，甚至可以明顯減少地下室的浮力。但是如果是按地下室所排出的水的體積來算浮力無疑是偏保守的甚至是錯誤的，在設(shè)計計算中，必須充分調(diào)查黏土中滯水位及砂層土中潛水位的可能變化幅度，排水設(shè)備失效的概率，針對不同的建筑物合理選用計算浮力公式及抗浮措施。

（3）地下結(jié)構(gòu)外墻的摩擦力。在有浮力的情況下，當(dāng)其大于地下使用重力時，地基土與外墻間將表現(xiàn)出摩擦力，這在地下連續(xù)墻和沉井等做外墻時，作用尤為明顯。

3 常用抗浮方案特點比較及選用

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的自身重量不能抵抗地下水浮力時，地下結(jié)構(gòu)物會產(chǎn)生上浮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形損壞，因此需進(jìn)行抗浮設(shè)計。工程抗浮設(shè)計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結(jié)構(gòu)物不會整體上浮，但不一定能保證結(jié)構(gòu)物地板不開裂等變形情況，因此，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)物底板進(jìn)行局部抗浮驗算。

3.1 常用抗浮方案特點

（1）配重法。配重法是一種常規(guī)的抗浮措施，可以在地下室頂板上覆土或增加頂板厚度，也可以將底板延伸或增加底板厚度。這種方法雖然可以解決抗浮問題，但同時又不可避免地增加了基礎(chǔ)的埋置深度，從而相對地提高了地下室抗浮設(shè)防水位的高度，因此它不是一種效率高的方法，同時，這種方法會略增加地下室頂板框架梁的負(fù)荷，而且由于板厚有限，這種方法解決抗浮效果也是有限的。

（2）降截排水法。降截排水法是一種比較直接的方法，通過降水、排水、截水來減少地下水的不利作用。降水措施主要是在底板下設(shè)置濾水層和排水管道，匯集到排水井再用水泵抽取，使地下水位維持在某一標(biāo)高。截水措施主要是將上水帷幕（深層攪拌樁、高壓旋噴樁）進(jìn)入隔水層一定厚度，將地下建筑物范圍內(nèi)的水與外界豐富的水源截斷。但是這種措施存在風(fēng)險，如暴風(fēng)雨災(zāi)害后的長時間停電會使水泵無法工作，而這正是最需要減水壓的時候。

（3）抗浮錨桿法?？垢″^桿是近年來大量應(yīng)用的抗浮技術(shù)，一般是采用高壓注漿工藝，使?jié){液滲透到巖土體的孔隙或裂縫中，錨桿側(cè)摩阻力比樁基大，更有利于抗浮，且造價低廉，施工方便。但是普通錨桿受拉后，桿件周圍的灌漿體開裂，使鋼筋與鋼絞線極易受到地下水的侵蝕，直接影響耐久性。同時，國內(nèi)對抗浮錨桿的設(shè)計還不夠成熟，缺乏有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以使抗浮的研究和使用都受到了一定程度的限制性。

3.2 常用抗浮方案比較及選用

工程中常用的抗浮措施是臨時性抗?。ㄖ饕甘┕て陂g），主要采用隔水、降水和排水減法等措施;永久性抗?。ㄖ附ㄖ锸褂闷陂g）主要采用抗拔樁下拉法和錨桿（索）下拉法，采用錨桿（索）巖土錨固抗浮措施，與增加自重載法、抗拔樁等上述方法相比，具有工期短、造價低、節(jié)省材料等優(yōu)點。

當(dāng)工程樁（抗壓樁）兼做抗拔樁時，只考慮局部抗浮驗算，但需對樁本身作抗拔（抗拉）驗算，并且其受力鋼筋應(yīng)通常布置。

由于大型地下工程地下空間體積大，永久地下水浮力高，一般常用抗浮錨桿（索）、抗拔樁或排水減壓抗浮方案。

各種抗浮方案實施選擇的原則是：安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)和施工方便。還應(yīng)根據(jù)工程特點、地質(zhì)情況、場地條件和環(huán)境等因素綜合考慮，因地制宜，選一個最佳有效的抗浮方案。

4 綠色施工與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

4.1 研究背景

建筑業(yè)包括各種房屋及構(gòu)筑物的營造，設(shè)備安裝，房屋維修等，它的存在是人類發(fā)展史上不可缺少的一部分，但同時建筑業(yè)是以大量消耗自然資源并制造沉重的環(huán)境負(fù)面影響為代價的。據(jù)統(tǒng)計，人類從自然界所獲得的一半以上的物質(zhì)原料用于建造各類建筑及其附屬設(shè)備，而這些建筑物在建造和使用過程中又消耗了全球50%以上的能量;因工程建設(shè)而產(chǎn)生的空氣污染、光污染、電磁污染等占環(huán)境總體污染的34%，所產(chǎn)生的建筑垃圾占人類活動所產(chǎn)生垃圾總量的40%以上。

為了真正實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)與文明的可持續(xù)發(fā)展，務(wù)必在基礎(chǔ)建設(shè)實施過程中大力倡導(dǎo)綠色建筑，扎實推進(jìn)了綠色施工，選擇有利于生態(tài)的方法。

4.2 綠色施工的實施

美國是世界上較早提出并實施清潔生產(chǎn)的國家，在1984年通過的《資源保護(hù)與回收法——有害物和固體廢物修正案》中指出，要在可能的情況下，盡量減少廢物的產(chǎn)生;加拿大政府通過廣泛的政策協(xié)調(diào)，將清潔生產(chǎn)與污染預(yù)防緊密結(jié)合起來，并形成了有效的政策體系;德國在清潔生產(chǎn)活動中采取了務(wù)實態(tài)度，如在污染預(yù)防方面采用了基于技術(shù)的方法（稱為可獲得的最好的技術(shù)），并將經(jīng)濟(jì)可行性作為一個限制因素，為了鼓勵企業(yè)實施清潔生產(chǎn)，政府給予一定量的資金援助與扶持;韓國政府和工業(yè)界對清潔生產(chǎn)的認(rèn)識較高，非常重視清潔生產(chǎn)活動，政府的污染防治政策，包括清潔技術(shù)的使用，是通過“通知”和“法案”實施的;我國政府也十分重視清潔生產(chǎn)，1994年將清潔生產(chǎn)明確寫入《中國21世紀(jì)議程》，并具體落實在首批優(yōu)選項目之中。

4.3 地下工程施工綠色發(fā)展對策

4.3.1 施工階段對策

（1）合理選擇綠色施工方法和材料，減少施工對地下水的污染;

（2）科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃和高效管理，加快基礎(chǔ)施工進(jìn)度，有效減小地下水抽取量;

（3）綜合利用多種措施，提高施工所抽取地下水資源使用效率。

4.3.2 運營階段對策

（1）科學(xué)地規(guī)劃運營期地下水資源綜合利用開發(fā)，如將地下水進(jìn)行軟化、純化等措施，使其直接做成飲用礦泉水;

（2）綜合利用多種措施，防止運營期城市生活污水、固體垃圾及地下水資源的污染。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 毛超熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

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[3] 吳斌.地下結(jié)構(gòu)物抗浮設(shè)計初探[D].廣州：華南理工大學(xué)，2003.