采用排水限壓法的既有工程抗浮治理研究

高明宇， 譚光宇， 方偉明， 賀 文， 陳建城， 謝 丹

(中機國際工程設(shè)計研究院有限責任公司， 長沙 410007)

0 概述

在工程實踐中，因地質(zhì)勘察單位提供的設(shè)計抗浮水位不準確，抗浮設(shè)計或施工等原因?qū)е驴垢〈胧┎粷M足要求，以及極端氣候條件下的暴雨或洪水等原因，將會導(dǎo)致地下室在建成后發(fā)生抗浮失效現(xiàn)象[1-2]。

既有工程抗浮失效分為兩類：1)地下室抗浮穩(wěn)定性失效，表現(xiàn)形式為地下室整體浮起，地下室底板與地基持力層全部或部分脫離；2)地下室局部抗浮失效，表現(xiàn)形式為地下室底板下的抗浮措施局部失效，地下室底板隆起、開裂、滲水。

既有工程抗浮措施失效且可能產(chǎn)生更進一步危害時，應(yīng)及時采取臨時搶救措施，防止危害進一步擴大，避免工程結(jié)構(gòu)造成更大的損壞，也可減少后續(xù)加固處理的難度[3]?？筛鶕?jù)項目具體情況，采取以下臨時應(yīng)急措施：1)隆起變形較大的區(qū)域，宜采取降水、泄壓措施；2)封閉地面裂縫，并設(shè)置截水、排水設(shè)施，防止地表水下滲；3)條件允許時宜增加上部荷載；4)對既有結(jié)構(gòu)進行臨時支撐。以上臨時應(yīng)急措施也可作為后續(xù)施工甚至是治理措施的組成部分，在選用時可兼顧使用。

1 既有工程抗浮治理方案

既有工程抗浮治理方案制定時，應(yīng)分析抗浮失效的原因，并考慮下列因素：1)既有工程抗浮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的開裂、變形情況；2)新增抗浮結(jié)構(gòu)與既有抗浮結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系及加固有效性；3)工程使用功能改變的合理性和施工的可行性；4)工程長期運行維護的可持續(xù)性。

對既有工程抗浮治理，可采用以下措施：1)對較大隆起變形區(qū)域的尚可利用的既有抗浮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，宜在卸壓后采取預(yù)應(yīng)力錨固措施[4]；2)對發(fā)生較大隆起變形或開裂區(qū)域，宜采用限壓法、增重法和錨固法等組合方案進行抗?。?)宜采用新增結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)共同受力的聯(lián)合體抗浮體系，并增加協(xié)同工作的輔助措施；4)既有抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件承載力不滿足要求時，宜在其鄰近位置增補協(xié)同作用的錨固構(gòu)件。

2 工程案例

2.1 工程概述

本項目地上由一棟23層、高度86.20m商業(yè)綜合體和6棟二層商業(yè)裙樓組成，地下二層?！?.000標高處的絕對標高為40.9m，地下室底板板面標高31.05m。地下室平面狹長，位于地塊地勢最低點(圖1)。地塊最高點在場地東邊，馬路東端中線標高54.42m；地塊最低點在西南角，馬路西端中線標高38.86m。

圖1 場地標高圖

地下室底板為無梁防水板，板厚400mm。塔樓基礎(chǔ)為人工挖孔樁基礎(chǔ)，樁徑900～1 600mm，樁長6～20m，混凝土強度等級C30；裙樓及地下室采用獨立柱基，獨立柱基同時滿足防水板沖切要求。裙樓及地下室不滿足整體抗浮的區(qū)域，均設(shè)置抗浮錨桿，錨桿孔徑150mm，抗拔承載力特征值168kN。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 地層及巖性特征

根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)埋藏的地層特征自上而下分敘如下：

①填土：褐黃色、黃色，稍濕，松散～稍密狀，主要由黏性土、板巖風化巖塊新近回填形成，未完成自重固結(jié)，揭露厚度0.50～7.60m。

②粉質(zhì)黏土：褐黃色，濕，可塑，局部呈硬塑狀態(tài)，揭露厚度0.8～3.5m。

③全風化泥質(zhì)板巖：褐黃色，極軟巖石，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育；場區(qū)大部分布，揭露厚度約0.60～7.70m。

④強風化泥質(zhì)板巖：褐黃色，褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚狀構(gòu)造，巖芯以塊狀為主，柱狀，角礫狀次之；全場地分布，該巖土層鉆孔揭露的一般厚度2.50～13.40m。

⑤中風化泥質(zhì)板巖：黃灰色、灰色，為軟質(zhì)巖石，巖芯呈短柱狀，大塊狀、碎塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育；本次勘察未鉆穿該層，最大揭露深度22.57m。

本項目場地典型地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2.2.2 水文地質(zhì)條件

勘察過程中，場地部分鉆孔見有零星上層滯水，主要賦存于①填土中。場地內(nèi)地下水主要由大氣降水的補給，水位變化因季節(jié)而異，水量一般不大?？辈炱陂g為枯水期，上層滯水未形成統(tǒng)一水位。地下室抗浮設(shè)計水位取37.80m。

2.3 抗浮措施及失效過程

原設(shè)計對裙樓及地下室整體抗浮或局部抗浮不滿足要求的區(qū)域，設(shè)置抗浮錨桿；塔樓區(qū)域和上部結(jié)構(gòu)自重能夠滿足抗浮要求時，則采用自重抗浮。

地下室施工完成并封閉后澆帶后，在柱跨較大的獨立柱基周邊發(fā)現(xiàn)裂縫，根據(jù)裂縫形態(tài)分析得知，這些裂縫為承載能力不足產(chǎn)生的裂縫。經(jīng)核對設(shè)計圖紙，此區(qū)域自重滿足抗浮要求，原設(shè)計未設(shè)置抗浮錨桿。但該跨因柱距較大且柱網(wǎng)不規(guī)則，地下室底板承載能力裕量較小，當實際抗浮水位超過設(shè)計抗浮水位時，首先破壞。通過增補抗浮錨桿的方式對該區(qū)域進行補強(圖3)。

圖3 局部增補抗浮錨桿示意圖

錨桿加固完成三個月后，一場暴雨使其他區(qū)域的地下室底板沿獨立柱基周邊出現(xiàn)裂縫。裂縫的再次出現(xiàn)分析其原因，并不是局部的施工質(zhì)量問題，而可能是系統(tǒng)性因素導(dǎo)致的。在裂縫原因未找到之前，僅僅針對開裂區(qū)域進行補強無濟于事。

2.4 抗浮失效原因分析

(1)對結(jié)構(gòu)專業(yè)施工圖抗浮錨桿及地下室底板進行復(fù)核，確認其設(shè)計滿足規(guī)范要求。

(2)對地質(zhì)勘察報告進行核對，地質(zhì)勘察報告建議的抗浮水位為37.80m，比±0.000標高低3.100m。初步判斷為抗浮設(shè)防水位偏低。通過對暴雨后的地下室周邊地下水的分布進行調(diào)研，確認地下水位接近地面標高。

(3)對項目周邊地勢進行調(diào)研，其北側(cè)地勢較高，比該項目±0.000標高高出13.52m。項目位于周邊地勢最低點處，大量雨水通過地表下滲，壅積到地勢低洼的地下室周邊，導(dǎo)致地下水位遠高于設(shè)計抗浮水位。該地塊一期地下室底板最低點標高41.100m，與本項目地下室緊鄰，本項目地下室底板板面標高為31.700m，高差9.4m，對地下室抗浮極為不利(圖4)。

圖4 地下室剖面高差示意圖

(4)場地巖層分布為填土、粉質(zhì)黏土、全風化板巖、強風化泥質(zhì)板巖、中風化泥質(zhì)板巖等。除填土外，其余地層均為弱透水層，地層中并無統(tǒng)一水位。但地表水下滲以后，弱透水層無排泄通道，逐日積累，導(dǎo)致地下水位壅高。

通過以上分析可知，本項目抗浮失效主要原因是地質(zhì)勘察單位提供抗浮設(shè)防水位時，對項目所處的低洼地勢以及地表水下滲的影響估計不足，導(dǎo)致其提供的抗浮設(shè)防水位偏低。

2.5 處理方案選擇

對于地下室抗浮失效，常規(guī)的方案有以下幾種：

(1)底板增設(shè)配筋面層：在地下室底板板面設(shè)置一定厚度的混凝土面層，配置單層雙向鋼筋網(wǎng)。這種方案需占用地下室凈高，適用于整體穩(wěn)定性滿足要求，但地下室底板局部抗浮不滿足要求的項目。

(2)增設(shè)錨桿法：在抗浮承載力不足之處，增設(shè)錨桿也是一種常見的處理方法[5]。但這種方法施工難度較大，地下室層高一般不高，施工設(shè)備難以展開，且需在底板開孔，錨桿施工完成后封堵孔洞，容易形成滲漏點，一般需要在底板上設(shè)置疏水層。

(3)排水限壓法：地下水具備自行排泄條件的工程可采用盲溝、排泄溝等自流排水限壓；地下水不具備自行排泄條件時，可采用盲溝、集水井、降水井等抽排水限壓。排水限壓法優(yōu)勢是經(jīng)濟性好、施工簡單；缺點是設(shè)計原始資料比較缺乏，需要對周邊地形地貌、水文地質(zhì)條件等進行大量的調(diào)研，并需要長期的運行維護和監(jiān)測。

經(jīng)分析本項目的水文地質(zhì)條件及方案實施的可靠性、便捷性等綜合因素，決定采用排水限壓法作為抗浮補救措施。原因如下：

(1)項目地質(zhì)條件好，無圓礫、細砂等強透水層。除填土層外，均為弱透水層，且土體中上層滯水并未形成統(tǒng)一水位。

(2)地下水壅積主要原因是地表水下滲，但本地塊為商業(yè)建筑區(qū)，大部分地表均做了硬質(zhì)鋪裝，地表水可通過排水管網(wǎng)排走，地表水下滲量并不大。

(3)地下室底板墊層標高31.10m，設(shè)防抗浮水位37.80m，室外地面標高40.800m，實際水位與抗浮設(shè)計水位的差值較小，采取一定的降低水位措施，能滿足設(shè)防要求。

(4)地下室單層面積3.3萬m2，采用加固措施或增設(shè)錨桿代價較大。

2.6 排水限壓法設(shè)計

本項目抗浮失效發(fā)生的時間為2015年，當時沒有規(guī)范對排水限壓法做出規(guī)定。即便是2019年版《建筑工程抗浮技術(shù)標準》(JGJ 476—2019)發(fā)布之后，也只是明確了一些方法和構(gòu)造，并沒有對計算做出規(guī)定，如地下室滲水量、盲溝、集水管、集水井的計算等。

采用排水限壓法設(shè)計，要對雨水滲流水量進行估算，并考慮區(qū)域土體的滲流量以及水泵數(shù)量計算等。

2.6.1 雨水滲流

雨水一般通過綠地、透水鋪裝地面、淺溝與洼地、淺溝滲渠、滲透管溝、入滲井、入滲池、滲透管-排放系統(tǒng)等方式入滲。

雨水滲透量可根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400—2006)[6]的公式計算：

Ws=αKJAsts

式中：Ws為滲透量，m3；α為綜合安全系數(shù)，一般可取0.5～0.8；K為土壤滲透系數(shù)；J為水力坡降，一般可取1.0；As為有效滲透面積，m2；ts為滲透時間，s。

需要指出的是，并不是區(qū)域內(nèi)的地表水都會下滲。雨水產(chǎn)生的徑流大都是有組織排水，排至雨水管網(wǎng)以及屋面、道路、硬質(zhì)鋪裝等硬化地面。因此，在計算有效滲透面積時，應(yīng)扣除有組織排水的區(qū)域范圍。

2.6.2 滲流量

區(qū)域內(nèi)雨水因場地高差會通過土體向地勢低的洼地滲流。滲流量可根據(jù)下式估算：

式中：q為滲流量，m3/s；k為滲透系數(shù)，m/s；A為滲流通道的截面面積，m2；h為地下水位差，m；L為滲徑長度，m。

應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件判斷土體的透水性，當?shù)叵率姨幱谌跬杆畬訒r，滲流通道主要是地下室肥槽及底板墊層下的擾動土體。

滲流量q與地下水位差h成正比關(guān)系。地下水位差受區(qū)域地勢的影響，難以改變；但是可以通過控制本項目的抗浮設(shè)防水位來降低水位差，以減小地下水滲流量。

2.6.3 改進的排水限壓法

通常的排水限壓法，直接在地下室底板或集水坑開孔，地下室外側(cè)的積水直接流進集水坑，通過水泵排走。這種方案簡單，但會導(dǎo)致以下問題：1)只要地下室外側(cè)有水，就需要強排，排水量較大；2)對周邊地下水位干擾較大，會形成漏斗形水位，周邊建筑、地基、路面可能產(chǎn)生沉降；3)水位降低較多，導(dǎo)致水流流速增大，進一步導(dǎo)致微細顆粒被水流帶走，形成水力通道。

針對以上問題，本項目抗浮治理采用如下措施[7]：在地下室集水坑側(cè)壁開孔，并通過倒U形管將某一設(shè)定標高以上的地下水排出(圖5)。

圖5 倒U形管大樣圖

倒U形管頂部水平段標高設(shè)置為35.00m，比抗浮設(shè)防水位37.80m低2.8m，預(yù)留一定的安全余量，防止地下水位瞬間上升，水來不及排出；倒U形管頂部水平段標高比地下室底板標高31.10m高出約4m，位于控制標高35.00m以下的地下水，仍然留存在地下室外側(cè)，使地下水位不致于下降得過低，同時也可降低滲流水位差和滲流流速，防止微細顆粒被水流帶走。

集水坑中設(shè)置兩臺潛水泵，可自動啟動，設(shè)備型號為80QW36-25-5.5，一臺正常使用，一臺備用。潛水泵排水能力滿足減壓設(shè)施全部發(fā)揮作用時的要求，抽出來的水排放至室外排水系統(tǒng)。同時配置水位自動報警系統(tǒng)，報警系統(tǒng)的信號直接連通消防控制值班室。

暴雨或洪水期地下水位快速上漲，是地下室抗浮最不利的時期。同時，暴雨或洪水期市政電源可能被破壞，導(dǎo)致區(qū)域停電。設(shè)計時考慮市政電源停電的不利影響，對集水坑的潛水泵配置應(yīng)急柴油發(fā)動機和應(yīng)急電源。

對地下結(jié)構(gòu)周邊地表進行清理，設(shè)置混凝土、硬質(zhì)鋪裝等弱透水材料組成的封閉帶或弱透水的黏土層，清理范圍擴充至基坑肥槽邊緣外1m。場地設(shè)置有組織排水的截水溝、排水溝，同時檢查給水排水管道接口處的防滲漏措施。

通過上述綜合措施，本項目已順利運營6年，效果良好。

2.7 監(jiān)測與維護

對既有工程采用排水限壓法控制抗浮水位，是比較經(jīng)濟且施工便捷的方式，且對已建工程影響??；但缺點是需要長期的監(jiān)測和維護，具體內(nèi)容如下：1)對排水限壓集水坑、自動潛水泵及電源、信號系統(tǒng)應(yīng)進行經(jīng)常性維護，設(shè)施一經(jīng)損壞必須及時修復(fù)；2)將集水坑水位自動報警系統(tǒng)連通消防控制值班室，并安排人員值班，尤其是暴雨及洪水期，對集水坑中的淤積物應(yīng)及時清淤；3)每5年應(yīng)對集水坑側(cè)壁孔洞進行透水靈敏度試驗；4)安裝自動水位記錄儀，定期觀測并記錄地下室外水壓。

3 結(jié)論

(1)對于抗浮失效的既有工程，應(yīng)結(jié)合項目特點，分析水文地質(zhì)條件、地勢地貌等多種因素，選擇針對性的解決方案。

(2)對地下水不太豐富、地表水下滲的地下室，采用排水限壓法進行地下水位控制經(jīng)濟性好，對既有工程損傷較小。

(3)在集水坑中設(shè)置倒U形管控制地下水位，并合理設(shè)置排水控制標高，可防止地下水位被大幅抽排，還可降低滲流水位差和滲流流速，防止土壤中微細顆粒被水流帶走，形成水力通道。

(4)排水限壓法應(yīng)配置應(yīng)急電源和水位自動報警系統(tǒng)，防止極度不利狀況發(fā)生。

(5)對采用排水限壓法的工程，應(yīng)定期監(jiān)測和維護。