建筑工程載水減浮新技術(shù)探索

黃俊光，李健斌，李偉科，李 磊，張 恒

（1、廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620；2、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

0 引言

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市土地資源的利用需求增大，臨江濱海的建筑工程項(xiàng)目增多。對(duì)于濱江（海）建筑工程，地下水浮力是其設(shè)計(jì)施工需要重點(diǎn)考慮的因素，重視建筑結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)以避免過(guò)大水浮力對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞，換而言之，合理的結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)是確保濱江（海）建筑工程安全的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)抗浮方法按抗浮方式可分為2 類：①增加結(jié)構(gòu)抗力，即以“抗”為主的方法［1］，如設(shè)置抗浮樁（錨桿）等，如表1 所示。目前此類方法在工程中應(yīng)用最為廣泛，然而隨著地下結(jié)構(gòu)深度和廣度的增大，地下水荷載劇增，項(xiàng)目成本、工期均顯著提高。同時(shí)此類抗浮設(shè)計(jì)措施保障下仍發(fā)生地下室上浮的情況時(shí)有報(bào)道，如深圳寶安中旅大酒店地下室最大隆起160 mm［2］、廣東佛山永豐大廈塔樓與裙樓內(nèi)庭地下室頂板最大上拱213 mm［3］、江蘇利港電廠廢水處理滯留池上浮263.5 mm［4］、海口市夢(mèng)幻園商住小區(qū)裙樓地下室基礎(chǔ)上浮4 500 mm［5］等。②以“排”為主的主動(dòng)排水減壓抗浮方法［6-9］，如表1所示。此類方法通過(guò)排水降低設(shè)計(jì)水位，減小作用在結(jié)構(gòu)底板上的水荷載。水位降低常通過(guò)底板下設(shè)置疏水層、減壓井、地下結(jié)構(gòu)四周設(shè)置排水廊道等手段實(shí)現(xiàn)。相比于以“抗”為主的抗浮方法，以“排”為主的方法降低了作用在底板下的水壓力，可一定程度上取消或減少抗浮樁（錨桿）、減少側(cè)墻和地下室底板的厚度和配筋，其成本低且工期短。隨著對(duì)排水減壓抗浮方法認(rèn)識(shí)的加深，越來(lái)越多的地下結(jié)構(gòu)采用此類抗浮方案。如廣州保利世界貿(mào)易中心［10］（地處廣州海珠區(qū)，位于珠江與黃埔涌之間），設(shè)2 層地下室，占地面積約7.5 萬(wàn)m2，場(chǎng)地主要地層為砂層，與外江（珠江或黃埔涌）相通?？垢》桨覆捎?5口直徑1.0 m 的減壓井，用管連通各井，地下室內(nèi)地下水位降至底板底，并由水泵抽走。新加坡環(huán)球影城［11-12］和深圳福田綜合交通樞紐南北配套設(shè)施［4，13］均采用礫（碎）石疏水層+盲溝+集水井的方式實(shí)現(xiàn)排水減壓。

表1 結(jié)構(gòu)抗浮方法及適用情況Tab.1 Structural Anti-floating Method and Its Application

需要指出的是，現(xiàn)有主動(dòng)排水減壓抗浮方法多將地下室內(nèi)地下水位降至底板底，其所需排水量大，對(duì)排水系統(tǒng)長(zhǎng)久性能可靠性的要求較高，排水結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)因大流量沖蝕損壞的情況，同時(shí)地下水的大量排泄不利于對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，且結(jié)構(gòu)自身的抗浮能力未得到較好的發(fā)揮。針對(duì)濱江（海）透水砂層低層建筑，自身難以滿足抗浮設(shè)計(jì)要求，但其結(jié)構(gòu)荷載相對(duì)較低，且基底地層的承載性較好，傳統(tǒng)抗浮樁（錨桿）設(shè)計(jì)方案成本高，實(shí)際上一旦解決了抗浮問(wèn)題，就具備取消灌注樁基礎(chǔ)的條件。從工程安全和成本的角度綜合考量，考慮既有施工條件倘若適當(dāng)降低地下室抗浮設(shè)計(jì)水位，減小地下水荷載，減少甚至取消用于抗浮、承載的樁基礎(chǔ)，直接利用天然地基是否能滿足工程設(shè)計(jì)要求？這樣既能保證工程安全，又能較好地控制成本、縮減工期，同時(shí)也可為工程提供更加靈活機(jī)動(dòng)的施工組織方案。

基于此，本文借鑒前人的研究成果，首創(chuàng)“載水減浮”地下結(jié)構(gòu)抗浮技術(shù)，搭建集地下水疏導(dǎo)、排泄、觀測(cè)等功能的“載水減浮”系統(tǒng)。借助疏水、泄水等技術(shù)自主控制水位自溢泄流消除部分水浮力，充分利用主體結(jié)構(gòu)自重、覆土自重等有利荷載，抵抗超出部分水浮力；利用支護(hù)結(jié)構(gòu)的止水系統(tǒng)，控制整個(gè)底板下方保持恒定抗浮水位，以達(dá)到地下結(jié)構(gòu)載水條件下大幅減少浮力的效果；同時(shí)結(jié)合自溢泄壓、正負(fù)壓沖洗、健康監(jiān)控系統(tǒng)，“載水減浮”新技術(shù)最大程度實(shí)現(xiàn)依靠結(jié)構(gòu)自身抵抗地下水浮力的目標(biāo)，滿足安全可靠、環(huán)境保護(hù)的要求，貼合綠色建造、高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略思想。相關(guān)研究成果將為后續(xù)類似建筑工程的抗浮設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，具有重要的工程指導(dǎo)意義和推廣價(jià)值。

1 載水減浮新技術(shù)設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原則

①滿足抗浮穩(wěn)定性的要求；②地下室底板不應(yīng)發(fā)生強(qiáng)度破壞；③控制降水引起的地基沉降，不應(yīng)對(duì)鄰近建筑物或重要管線造成使用安全事故；④截水設(shè)計(jì)應(yīng)控制因滲漏而引起的水土流失；⑤抗浮結(jié)構(gòu)使用期限為50年。

1.2 載水減浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

載水減浮系統(tǒng)由“截、堵、疏、泄、排、感、修”七部分組成，包含止水帷幕、疏排水結(jié)構(gòu)、連接管、集（排）水井、水位觀測(cè)管、排水泵等。①截：通過(guò)在地下結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置止水帷幕以形成截水系統(tǒng)，降低涌水量，減少排水對(duì)周邊環(huán)境的影響；②堵：對(duì)地面、肥槽等進(jìn)行密封堵塞，阻止外部雨水下滲至主體結(jié)構(gòu)抗浮區(qū)域；③疏：通過(guò)在結(jié)構(gòu)底板下滿鋪強(qiáng)透水碎石疏水層及縱橫盲溝疏導(dǎo)底板下地層滲水；④泄：通過(guò)在特定區(qū)域均勻設(shè)置泄水點(diǎn)，降低地下水水頭，減小作用在底板的上水荷載，實(shí)現(xiàn)對(duì)底板的均勻泄壓；⑤排：通過(guò)泄水管道穿過(guò)底板引出排水盲溝中流通的有壓水，由室內(nèi)管線的布置高度控制整個(gè)系統(tǒng)的抗浮水位（該水位高度較開(kāi)挖降水水位高），繼而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定減壓，自溢排至室內(nèi)集（排）水井，集（排）水井結(jié)合主體布置，無(wú)需占用多余位置，通過(guò)井內(nèi)傳感器配合自動(dòng)控制柜啟停潛水泵將水抽離地下室，形成疏排水系統(tǒng)；⑥感：配備智能健康監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底板下的水壓力分布，以辨識(shí)疏排水管道的淤堵情況；⑦修：搭配正負(fù)壓反沖洗保養(yǎng)系統(tǒng)，確保整體的耐久性和可修復(fù)性。

2 載水減浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 綜合抗浮系統(tǒng)的創(chuàng)新

首先，驗(yàn)算地層的承載力和結(jié)構(gòu)的抗浮能力，結(jié)合計(jì)算分析和抽水試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)水位、抽水量觀測(cè)數(shù)據(jù)等，探究施工引起濱江（海）透水地層基坑滲流場(chǎng)的變化、止水帷幕的截水效果及各地層中地下水的聯(lián)通情況；綜合考慮抗浮、人防、可修復(fù)等要求，設(shè)計(jì)布置疏水、泄水管網(wǎng)，載水減浮系統(tǒng)如圖1、圖2 所示，具體工序如下：

圖1 綜合抗浮系統(tǒng)剖面Fig.1 Section of Integrated Anti-floating System

圖2 綜合抗浮系統(tǒng)平面布置Fig.2 Layout Plan of Comprehensive Anti-floating System

⑴ 開(kāi)挖至設(shè)計(jì)基底標(biāo)高后，采用人工再超挖450 mm土體，按設(shè)計(jì)圖紙預(yù)留并設(shè)置集水井；

⑵鋪設(shè)級(jí)配碎石疏水層和排水盲溝

①沿坑底地基土表面整體連續(xù)鋪設(shè)過(guò)濾地下水的土工布（透水性≥0.25 L/s）；鋪設(shè)連續(xù)的碎石疏水層，厚度為300 mm；

②碎石墊層鋪設(shè)過(guò)程中，按平面設(shè)計(jì)圖鋪設(shè)排水盲溝，在盲溝中埋設(shè)盲管形成完整的排水系統(tǒng)，通過(guò)不銹鋼導(dǎo)管將盲管中的地下水引至集（排）水井中；排水盲溝分主盲溝和次盲溝兩種，盲管采用鋼塑管，也可考慮曲紋網(wǎng)狀PE硬式透水管。

（3）碎石層上鋪設(shè)厚150 mm 的中粗砂層，中粗砂與素混凝土墊層接觸面間設(shè)土工薄膜，以上步驟施工完成后，進(jìn)行底板墊層施工；

⑷墊層上面鋪設(shè)厚700 mm 的C35 結(jié)構(gòu)底板及厚150 mm 的建筑面層；按設(shè)計(jì)圖在集水井預(yù)留位置澆筑集水井，水泵位于集水井內(nèi)，各集水井之間通過(guò)面層明溝連接。集水井兼為檢修井，井內(nèi)設(shè)檢查梯，井口設(shè)井蓋；

⑸設(shè)計(jì)布置抽排水管道的走線，經(jīng)自溢排水裝置流向集水井，為減少“虹吸”效應(yīng)的影響，泄壓管道上方開(kāi)通氣管；

⑹通過(guò)集（排）水井內(nèi)的傳感器及自動(dòng)控制電路掌握水壓變化，當(dāng)井內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)，排水泵啟動(dòng)排出井內(nèi)的水，直至水位回落至安全值時(shí)停止排水；

⑺為實(shí)時(shí)掌握底板下的水壓力情況，在不影響使用的部位設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置透明的φ20 mm 水位觀測(cè)管，水位觀測(cè)管一般緊貼柱或墻。地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控泄水減壓效果，出現(xiàn)問(wèn)題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2.2 綜合抗浮系統(tǒng)成本對(duì)比

①取消或減少抗浮樁（錨桿）及承載的樁基礎(chǔ)，減少地下室底板、側(cè)墻厚度和配筋，減少基坑開(kāi)挖深度；②減少工期；③增加筏板費(fèi)用；④增加肥槽封閉費(fèi)用；⑤增加排水措施費(fèi)用；⑥增加排水監(jiān)測(cè)措施費(fèi)用；⑦可能增加部分地基處理費(fèi)用（旋噴樁）；⑧可能增加部分抗浮錨桿費(fèi)用。

2.3 綜合抗浮系統(tǒng)探討

針對(duì)采用創(chuàng)新綜合抗浮系統(tǒng)仍不足以較好解決抗浮問(wèn)題的情況，可考慮組合抗浮法和局部地基加固的結(jié)合，通過(guò)局部地基加固，并將載水減浮新技術(shù)與以“抗”為主的被動(dòng)措施（抗浮錨桿）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)抗浮措施功能互補(bǔ)，降低成本的同時(shí)，提高工程安全度和可靠度。

3 結(jié)論及建議

⑴集地下水疏導(dǎo)、排泄、觀測(cè)等功能的載水減浮系統(tǒng)，最大程度依靠結(jié)構(gòu)自身抵抗地下水浮力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和安全的平衡，建議廣泛推廣至各類地層，特別是對(duì)于濱江（海）透水砂層低層建筑，其解決了濱江（海）強(qiáng)透水環(huán)境下造價(jià)高工期長(zhǎng)不耐久的抗浮難題。

⑵載水抗浮設(shè)計(jì)可自主控制水位自溢泄流消除部分水浮力，利用主體結(jié)構(gòu)自重、覆土自重等有利荷載，抵抗超出部分水浮力，一般保留負(fù)一層底板高度的水壓力，所需排水量小，對(duì)排水系統(tǒng)長(zhǎng)久性能可靠性有保障，且有利于對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)。

⑶綜合抗浮系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)抗浮樁（錨桿）方案，其成本低、工期短；相較于一般主動(dòng)排水減壓抗浮方法，其環(huán)境影響小、可靠性和耐久性高，且可修復(fù)性；特殊情況下，可考慮組合抗浮法和局部地基加固結(jié)合使用。