地下工程抗浮設(shè)防水位的取值及設(shè)防措施探析

楊 明

(閩武長(zhǎng)城建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350013)

0 引言

地下工程是指深入地面以下，為開(kāi)發(fā)利用地下空間資源所建造的地下土木工程，包含地下房屋、地下構(gòu)筑物、地下鐵道、公路隧道等。此類(lèi)工程開(kāi)展期間，必定涉及開(kāi)挖作業(yè)，由此產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題——地下土層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是土層中地下水的存在，很可能對(duì)工程的進(jìn)展以及后續(xù)使用造成影響?；诖耍仨殗@抗浮設(shè)防水位等參數(shù)的取值進(jìn)行科學(xué)論證，以確保施工過(guò)程中及竣工運(yùn)營(yíng)后的安全。

1 地下工程抗浮設(shè)防水位的內(nèi)涵分析

1.1 進(jìn)行抗浮設(shè)防水位確定作業(yè)時(shí)的注意事項(xiàng)

抗浮設(shè)防水位一般是指在地下工程中，位于地下結(jié)構(gòu)埋深內(nèi)起主導(dǎo)作用的地下水層在建筑物運(yùn)營(yíng)期內(nèi)能夠達(dá)到的最高水位[1]。多年以來(lái)，因暴雨季節(jié)，連續(xù)強(qiáng)降水，地下水位臨時(shí)上升，導(dǎo)致很多工程(包含地面、地下工程)地下結(jié)構(gòu)受到較為嚴(yán)重的破壞，甚至引發(fā)重大安全事故。比如江西南昌某地產(chǎn)項(xiàng)目地下室出現(xiàn)底板隆起，造成結(jié)構(gòu)柱變形，墻體開(kāi)裂事故；貴州某醫(yī)院地下停車(chē)場(chǎng)曾因水位上漲而出現(xiàn)部分墻柱裂開(kāi)的事故；山東某市某住宅小區(qū)地下室底板隆起、開(kāi)裂、積水過(guò)多，導(dǎo)致建筑體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。由此可見(jiàn)，科學(xué)界定抗浮設(shè)防水位取值至關(guān)重要。進(jìn)行抗浮設(shè)防水位取值確定作業(yè)時(shí)注意事項(xiàng)為：第一，若已經(jīng)掌握一個(gè)地區(qū)長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料后，可根據(jù)地下水實(shí)測(cè)最高水位、工程開(kāi)展期間地下水位的實(shí)際變化情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定；若缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)資料，則應(yīng)將勘察期間實(shí)測(cè)到的最高水位作為主要參考，并結(jié)合工程所在地的地形地貌、地下水補(bǔ)給情況、排泄條件等諸多因素進(jìn)行綜合確定；若工程所在地在我國(guó)臨河、臨海，抗浮設(shè)防水位可取河道最高洪水位與最高潮水位。第二，若施工地區(qū)場(chǎng)地有承壓水(充滿(mǎn)兩個(gè)隔水層之間的含水層之中的地下水)時(shí)，應(yīng)對(duì)承壓水水位進(jìn)行套管隔離實(shí)際測(cè)量，判斷其承壓水頭值，并充分考慮對(duì)抗浮設(shè)防水位取值產(chǎn)生的影響。第三，若施工場(chǎng)地處于地勢(shì)低洼地段，場(chǎng)地可能出現(xiàn)淹沒(méi)情況，抗浮設(shè)防水位應(yīng)高于室外地坪標(biāo)高。第四，若工程場(chǎng)地位于殘丘山地，項(xiàng)目分不同標(biāo)高建設(shè)，應(yīng)結(jié)合山地地形地貌、匯水面積、規(guī)劃標(biāo)高及周邊路網(wǎng)標(biāo)高等因素，綜合分區(qū)確定項(xiàng)目抗浮水位。第五，若工程所在地地下土層環(huán)境復(fù)雜程度并不高，只需圍繞施工期間的抗浮設(shè)防進(jìn)行考慮時(shí)，水位的取值可以按照一個(gè)水文年的最高水位進(jìn)行確定。第六，需要掌握的資料主要包含：①工程所在地附近區(qū)域的氣象資料、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)背景資料；②地下水的補(bǔ)給與排泄關(guān)系、賦存狀態(tài)與滲流規(guī)律；③地下水位的長(zhǎng)期觀測(cè)資料；④基于長(zhǎng)期觀測(cè)資料與地下水補(bǔ)給、排泄關(guān)系，經(jīng)過(guò)縝密、系統(tǒng)性的分析之后，得到各項(xiàng)資料相互之間產(chǎn)生的影響；⑤影響工程所在地地下水位發(fā)生變化的主要因素；⑥場(chǎng)地周邊路網(wǎng)及排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀或規(guī)劃情況。

1.2 影響地下水位和抗浮設(shè)防水位確定的相關(guān)因素

地下水活動(dòng)的三要素為補(bǔ)給、徑流、排泄。其中，影響地下水位確定的主要影響因素集中在兩個(gè)方面：第一：地下水的補(bǔ)給，包含雨雪河湖等地表水下滲、側(cè)向徑流補(bǔ)給、上下層地下水的滲流補(bǔ)給、人類(lèi)活動(dòng)(人工注水)等。第二：排泄因素，包含側(cè)向排泄、上下層地下水的滲流排泄、人類(lèi)活動(dòng)(抽取地下水)等?？傮w而言，當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給量超過(guò)排泄量時(shí)，地下水位呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，反之，則呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。若一段時(shí)間之內(nèi)，一個(gè)地區(qū)地下水的補(bǔ)給、排泄較為均衡且量級(jí)相近，則地下水位會(huì)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。通常情況下，抗浮設(shè)防水位的確定與地下水位之間存在一定的關(guān)聯(lián)，但還需注意大氣降水、地下水開(kāi)采、其他水系之間聯(lián)系等其他影響因素。

2 某地下工程抗浮設(shè)防水位的取值分析

2.1 工程概況

福州市某地產(chǎn)高層小區(qū)住宅，地上建筑共11層，地下1層停車(chē)庫(kù)。工程設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高±0.00(羅零高程9.40 m)。地下室底板標(biāo)高羅零高程3.35 m，本工程建筑體擬采用框剪結(jié)構(gòu)，并使用樁筏基礎(chǔ)。場(chǎng)地四周情況：北側(cè)為排洪渠，渠底標(biāo)高約4.0 m～5.5 m，渠頂標(biāo)高約8.0 m～9.0 m，西側(cè)為已建道路，路面標(biāo)高約8.5 m，東側(cè)為規(guī)劃道路，規(guī)劃標(biāo)高約8.5 m，南側(cè)已建小區(qū)，地坪標(biāo)高為9.5 m。

2.2 抗浮設(shè)防水位確定作業(yè)期間的要素梳理

2.2.1 土層資料簡(jiǎn)析

根據(jù)上文所述，若要準(zhǔn)確確定抗浮設(shè)防水位，需對(duì)工程所在地的地下土層結(jié)構(gòu)、水文條件、地形地貌等條件進(jìn)行綜合考量。其中，巖土設(shè)計(jì)參數(shù)建議值是極其重要的參考依據(jù)。在本工程中，高層商用建筑體工程所在地周邊地形整體處于相對(duì)平整狀態(tài)，無(wú)起伏地段，且地勢(shì)較為開(kāi)闊?？辈炱陂g，勘測(cè)點(diǎn)測(cè)定的孔口地面高程大部分界于9.0 m～10.0 m之間。具體的土層資料分布情況如下：

①雜填土：雜色，松散～稍密，干～稍濕，未經(jīng)專(zhuān)門(mén)壓實(shí)處理，呈欠固結(jié)狀態(tài)，主要由建筑垃圾(碎石、砼塊、磚塊等)、黏性土及風(fēng)化土組成，層厚0.30 m～6.70 m。

②中細(xì)砂：灰黃色，褐黃色，稍濕～飽和，松散～中密，該層以中細(xì)砂為主，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，形狀多呈次渾圓狀，充填物主要為黏土；層厚4.10 m～15.90 m，層頂埋深0.90 m～6.70 m(標(biāo)高3.62 m～10.80 m)。

③粉質(zhì)黏土：褐黃,可塑,濕,切面光滑,稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng),干強(qiáng)度與韌性中等,以粉黏粒為主，含鐵錳氧化物，大部分地段有分布，層厚1.60 m～10.80 m，層頂埋深11.10 m～21.20 m(標(biāo)高-10.40 m～-0.53 m)。

④中砂：褐黃色、飽和、稍密～密，本層以中砂為主，砂粒礦物成份主要為石英、長(zhǎng)石,顆粒形狀多為次渾園狀,未全部揭穿，揭示層厚12.19 m～20.70 m,層頂埋深20.20 m～23.90 m(標(biāo)高-13.58 m～-9.46 m)。地層分布情況代表性剖面如圖1所示。

圖1 地層分布情況代表性剖面圖

2.2.2 場(chǎng)地地表水與地下水賦存情況分析

第一，本工程北側(cè)為排洪渠，渠寬約5.00 m，常年流水，水深約0.50 m～1.00 m， 渠內(nèi)水流量變化大，據(jù)本勘期間實(shí)際測(cè)量：即時(shí)水位標(biāo)高約為4.57 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況與堤岸浸潤(rùn)線分析，最高水位標(biāo)高約6.72 m。

第二，本工程地下水主要賦存于②中細(xì)砂層中的孔隙潛水與④中砂層中的孔隙承壓水。其中，②中細(xì)砂層中的孔隙潛水受即大氣降水與側(cè)向逕流補(bǔ)給，其富水性受季節(jié)性與一定的人為因素(廢水排放)制約；④中砂層中的孔隙承壓水，勘察期間對(duì)ZK25、ZK27采用分層止水措施(套管隔水)后測(cè)得其水頭值(靜止水位)距現(xiàn)地面分別為：19.90、20.50 m(標(biāo)高-8.64 m、-10.34 m)，高于層面2.00 m～2.50 m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)附錄W中公式:γm(t+Δt)/Pw≥1.1進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，④中砂層中的孔隙承壓水對(duì)抗浮水位取值影響不大。

表1 承壓突涌分析計(jì)算表

第三，本工程勘察期間測(cè)得的鉆孔穩(wěn)定水位標(biāo)高約4.0 m～5.0 m，但勘察期間不在豐水期。故得到的地下水位數(shù)值盡管可作為參考，但與正常值相比依然存在一定的差距。為解決該問(wèn)題，勘察技術(shù)人員通過(guò)調(diào)查歷年來(lái)地下水位的資料，最終確定，本場(chǎng)地近3～5年地下水位最高可達(dá)6.00 m(標(biāo)高)。

2.2.3 各巖土層滲透性分析

根據(jù)該項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告得到各巖土層滲透系數(shù)如下：

①雜填土：滲透系數(shù)3.0×10-3cm/s，屬中等透水層；

②中細(xì)砂：滲透系數(shù)1.9×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層；

③粉質(zhì)黏土：滲透系數(shù)2.0×10-6cm/s，屬微透水層。

2.3 抗浮設(shè)防水位分析與確定

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ476-2019)[2]中第5.3.3條款，抗浮設(shè)防水位應(yīng)取下列地下水位的最高值：①地區(qū)抗浮設(shè)防水位區(qū)劃圖中場(chǎng)地區(qū)域的水位區(qū)劃值；②水位預(yù)測(cè)咨詢(xún)報(bào)告提供的使用期最高水位；③與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)限的場(chǎng)地歷史最高水位；④與使用期相同時(shí)限的場(chǎng)地地下水長(zhǎng)期觀測(cè)的最高水位；⑤對(duì)場(chǎng)地地下水存在影響的地表水系與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)限的設(shè)計(jì)承載水位。本工程在確定抗浮設(shè)防水位具體值時(shí)參照《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，并且應(yīng)結(jié)合地形地貌、場(chǎng)地巖土層性質(zhì)、周邊路網(wǎng)規(guī)劃情況、歷史最高水位(洪水位)等因素。滿(mǎn)足上述條件之后，地下工程的抗浮設(shè)防水位取值才可被視為“具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值”。在本工程所處地段，近3～5年地下水位最高可達(dá)6.00 m(標(biāo)高)，北側(cè)排洪渠勘察期間最高水位標(biāo)高6.72m。但該數(shù)值并非實(shí)地測(cè)算而得，故是否直接將該數(shù)值作為抗浮設(shè)防水位取值，尚存疑慮。在結(jié)合本地區(qū)近年的自然氣候變化規(guī)律，調(diào)查排洪渠歷年最高洪水位標(biāo)高為7.70 m，本場(chǎng)地歷史最高水位標(biāo)高亦取7.70m。最終抗浮設(shè)防水位的注重取值設(shè)定為7.70 m(標(biāo)高)。總體而言，該取值的確定過(guò)程具備科學(xué)性，可滿(mǎn)足抗浮要求。

2.4 抗浮技術(shù)措施的比選與建議

本工程抗浮水位標(biāo)高7.70 m，設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高9.40 m，地下室底板標(biāo)高(含板厚)3.35 m，地下室凈高4.75 m，底板厚度0.50 m，頂板厚度0.20 m，頂板上覆土厚度0.6 m，水重度10 kN/m2，覆土重度17 kN/m2，鋼筋混凝土重度27 kN/m2(含地下室內(nèi)墻體、柱)。簡(jiǎn)易計(jì)算地下結(jié)構(gòu)單位面積浮力與抗力如下：

純地下室部分單位面積浮力：G×h=10×(7.70-3.35)=43.5 kN/m2

純地下室部分單位面積抗力：

G土×h+G砼×h=17×0.6+27×(0.5+0.2)=29.1 kN/m2

29.1 kN/m2÷43.5 kN/m2=0.669<1.10(抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw)，故應(yīng)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

2.4.1 常用的抗浮措施及特點(diǎn)

壓重抗浮法：即增加基礎(chǔ)底板及結(jié)構(gòu)荷載，設(shè)置重型混凝土等壓重、填充材料等方式，實(shí)現(xiàn)抗浮力增大的方法。本方法適用于抗浮力與浮力相差較小的情況，但由于壓載會(huì)使建(構(gòu))筑物的設(shè)計(jì)空間與使用功能受到一定的影響，且本工程單位面積抗浮力與浮力相差14.4kN/m2，故此方法不適應(yīng)本工程使用。

結(jié)構(gòu)抗浮法：即增加底板或結(jié)構(gòu)剛度和抗拔承載力；利用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)增加豎向抗力；連接荷載大結(jié)構(gòu)形成整體抗浮結(jié)構(gòu)。本方法主要適用于抗浮力分布較小區(qū)域地下結(jié)構(gòu)底板剛度不均的工程，有效作用范圍不大。但本工程純地下室面積較大，采用結(jié)構(gòu)法造價(jià)較大，故本工程不適宜采用此種方法。

錨固抗浮法：即抗浮錨桿、抗浮樁。該方法不影響建筑結(jié)構(gòu)使用功能，后期維護(hù)簡(jiǎn)單，且較易實(shí)現(xiàn)抗浮效果。以抗浮錨桿為例：設(shè)計(jì)參數(shù)取值：錨固體直徑150 mm，錨桿長(zhǎng)度6.0 m(其中穿越②中細(xì)砂5.0 m、③粉質(zhì)黏土1.0 m)，組合系數(shù)γF=1.00,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.10,土體與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsia:②中細(xì)砂取55 kPa、③粉質(zhì)黏土取45 kPa，錨固體抗拔安全系數(shù)K=2.0。

單根錨桿承擔(dān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

Nt=πdqsiala/K=3.14×0.15×(55×5.0+45×1.0)/2=75.36 kN

單根錨桿荷載設(shè)計(jì)值：

N=Nt/(γF×γ0)=75.36/(1.00×1.10)=68.51 kN

單位平米浮力與抗浮力差值：43.5×1.1-29.1=18.75 kN/m2

錨桿布置面積S<68.51kN/18.75kN/m2=3.65 m2

故本工程抗浮錨桿間距采?。?.90 m×1.90 m=3.61 m2<3.65 m2，即可滿(mǎn)足抗浮設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 CMC靜水壓力釋放技術(shù)

CMC靜水壓力釋放技術(shù)屬于排水抗浮法的一種，其主要特點(diǎn)為：通過(guò)在基礎(chǔ)下方設(shè)置具有過(guò)濾、導(dǎo)水、集水、出水功能的靜水壓力釋放層，使基底以下的壓力水通過(guò)該釋放層中的透水系統(tǒng)，之后經(jīng)過(guò)給水系統(tǒng)，在無(wú)需外力作用的情況下，自動(dòng)流至出水系統(tǒng)排除，最終達(dá)到控制靜水壓力的目的[3]。

當(dāng)排除地下室底板地下水遠(yuǎn)大于周邊地下水滲流補(bǔ)給時(shí)，底板將不會(huì)形成超額水壓力，從而實(shí)現(xiàn)抗浮目的。該技術(shù)與傳統(tǒng)的抗拔樁技術(shù)、增加自重等技術(shù)不同，能夠?qū)崿F(xiàn)永久抗浮，且成本投入較低。采用此種方法排除地下水壓力，無(wú)需外力作用，主要采用自然溢流方式，與基坑強(qiáng)降水措施不同，因?yàn)閷?duì)場(chǎng)地周邊地下水位變化影響也不嚴(yán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

總體而言，在地下工程施工期間，圍繞抗浮設(shè)防水位進(jìn)行取值，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析是必不可少的環(huán)節(jié)。但影響預(yù)測(cè)抗浮設(shè)防水位的因素較多，且預(yù)測(cè)抗浮設(shè)防水位存在邊界條件(一旦超出“邊界”，則預(yù)測(cè)取值的準(zhǔn)確性便無(wú)法得到保證)的。基于此，為保障取值的準(zhǔn)確程度(即保證抗浮設(shè)防水位取值的有效性)，需在勘察階段、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、后續(xù)使用階段加以重視，而后采取合理、可行、科學(xué)的抗浮技術(shù)措施，才能做到為工程負(fù)責(zé)，確保工程抗浮設(shè)防投資滿(mǎn)足既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。