永久性地下室底板抗浮技術(shù)研究

王君歡 王建召

寧波市建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 浙江 寧波 315000

1 概述

改革開放后，我國城市對地下空間的利用需求越來越大，主要包括地下停車場、地下商場、地鐵、地下隧道、地下綜合管廊等，種類繁多的地下結(jié)構(gòu)如同一只只“鋼筋混凝土大船”時(shí)刻受到地下水浮力的作用。近年來，國內(nèi)許多高層建筑內(nèi)部地下室上浮事故時(shí)有發(fā)生，特別是大面積地下室的不均勻上浮，導(dǎo)致地庫柱子、墻體開裂、底板局部隆起等，造成了嚴(yán)重的社會影響和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。

1.1 地下室上浮原因分析

地下室上浮事故按照造成的結(jié)果可分為兩類，一類為地下室整體上浮，表現(xiàn)為地下室底板與地基持力層全部或部分脫離，整體浮起；另一類為地下室局部上浮，表現(xiàn)為地下室底板隆起、開裂、滲水[1-2]?，F(xiàn)實(shí)中發(fā)生的地下室上浮事故多為第2類，即局部上浮事故，究其原因，主要包括以下幾類：

1）只對項(xiàng)目整體進(jìn)行了抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算，地庫等薄弱部位未進(jìn)行局部抗浮設(shè)計(jì)，導(dǎo)致抗浮力分布不均。

2）地下室實(shí)際地質(zhì)水文情況勘察不清，導(dǎo)致設(shè)計(jì)抗浮水位與實(shí)際水位差異大，抗浮安全度不足。

3）施工期間地下室后澆帶封閉后，沒有及時(shí)回填地下室頂板覆土及降排水，導(dǎo)致地下室水浮力大于結(jié)構(gòu)負(fù)重。

4）排水設(shè)施不暢，暴雨期間地表積水快速下滲，導(dǎo)致地下水位急劇上升。

1.2 地下室底板抗浮措施

地下室抗浮破壞帶來的后果是極其嚴(yán)重、不可逆轉(zhuǎn)的，在設(shè)計(jì)階段即要根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)、水文特點(diǎn)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，以提高建筑物地下室的穩(wěn)定性和抗浮作用，地下室抗浮措施主要包括以下兩類，即剛性抗浮和柔性抗浮措施。

1.2.1 剛性抗浮措施

剛性抗浮措施即是在建筑物體上增加與浮力方向相反的作用力，用以對抗地下水浮力，從而達(dá)到作用力平衡，避免結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)作用力的施加部位不同，主要分為以下3種做法：

1）壓重法。是通過增加地下室自重來抵抗水浮力的抗浮設(shè)計(jì)方法，在地下室頂板、底板、側(cè)壁外挑結(jié)構(gòu)上增加覆土、砂石、混凝土等荷載，此做法設(shè)計(jì)與施工相對簡單，受環(huán)境及地質(zhì)條件影響較小，適用于建筑物自重與浮力相差較小的情況，若是相差較大，則將大幅增加填載工程量，不宜采用。

2）結(jié)構(gòu)抗拔法。是通過增加底板或結(jié)構(gòu)剛度，或利用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)增加豎向抗力，或連接荷載大的結(jié)構(gòu)等措施形成整體抗浮結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)自身抗拔承載力，適用于抗浮力分布較小區(qū)域、地下結(jié)構(gòu)底板剛度分布不均的工程，有效作用范圍不大[3]。

3）錨固抗浮法。是通過在建筑內(nèi)增設(shè)抗浮構(gòu)件，如抗浮錨桿或抗拔樁，提供抗拔力來抵抗水浮力的抗浮方法，可根據(jù)上部荷載分布情況采用集中設(shè)置或分散設(shè)置，加固受力合理，不影響建筑功能，但造價(jià)相對較高，適用于水浮力較大，單一方法無法滿足抗浮要求的工程[4]。

1.2.2 柔性抗浮措施

柔性抗浮措施是通過設(shè)置集水井、排水溝、盲管、泄壓孔等降排水系統(tǒng)，阻止或引導(dǎo)地下水滲流、匯集，以達(dá)到防止地下水浮力產(chǎn)生或降低浮力值的目的，此種措施施工過程操作簡便、成本較低，但需要長期監(jiān)測和維護(hù)管理，適用于透水性好、水量相對較大的區(qū)域。

通過上述研究對比，剛性抗浮措施無需后期維護(hù)管理，適用范圍更廣，但成本相對較高；而柔性抗浮措施，施工中操作更加簡便、成本較低，但需長期管理維護(hù)。本文通過運(yùn)用柔性抗浮措施中的浮力消除法，闡述一種永久性地下室底板抗浮泄壓做法，在施工過程中安裝預(yù)埋，施工期間、交付運(yùn)營后均可連續(xù)發(fā)揮作用。同時(shí)，通過裝置內(nèi)水壓力監(jiān)測表、自動警報(bào)器，實(shí)現(xiàn)自動泄壓、排水。

2 工程概況

2.1 建筑概況

寧波杭州灣新區(qū)文旅宜居項(xiàng)目1#-2地塊工程，位于寧波市杭州灣新區(qū)，總建筑面積為11.03萬 m2，其中地下室建筑面積為2.56萬 m2，為地下1層停車場；地上建筑面積為8.47萬 m2，共計(jì)塔樓9幢，其中7幢位于地下室上方，分別為1幢4層酒店、1幢10層酒店、1幢18層酒店、4幢20～22層住宅（圖1、圖2）。±0 m相當(dāng)于1985黃海高程5.35 m，室外地坪標(biāo)高為－0.15 m，地下室底板底標(biāo)高為－5.45 m。

圖1 項(xiàng)目整體效果圖（紅色圖框?yàn)榈叵率覅^(qū)域塔樓）

圖2 地下室區(qū)域塔樓分布平面示意

2.2 結(jié)構(gòu)概況

本工程純地下室及4層酒店為框架結(jié)構(gòu)，高層酒店、住宅均為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室底板類型為無梁筏板，筏板厚度400 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，底板墊層為厚100 mm的C20素混凝土，車庫頂板覆土厚度1.2 m，地下室抗浮設(shè)計(jì)水位為－1.0 m。

2.3 水文地質(zhì)概況

工程所在地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充足，多年平均降水量為1 344.7 mm，雨水時(shí)空分布不均，有明顯的雨季和旱季，汛期（4～10月）降水量占全年降水量73.3%。場地地下水位埋深較淺，勘察期間（2020年3～4月）實(shí)測地下水位為－3.08～－2.36 m。土體類型為砂質(zhì)粉土，透水性較好，水量相對較大。

綜合上述建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況、水文地質(zhì)情況可知，本工程地下水位埋藏較淺，地下水位高于地下室基礎(chǔ)底板較多，對地下室基礎(chǔ)底板的浮托力較大，需采取相應(yīng)的抗浮措施。

3 地下室底板抗浮泄壓裝置的優(yōu)化方案

3.1 臨時(shí)性抗浮泄壓孔做法利弊分析

在以往高層建筑施工過程中，地下室底板防上浮措施主要分為2個(gè)階段，前一階段是在地下室底板后澆帶封閉之前，地下水上浮力通過后澆帶釋放，上浮風(fēng)險(xiǎn)低；后一階段是在地下室底板封閉后，至頂板覆土荷載未達(dá)到設(shè)計(jì)值期間，不確定因素多、地下室上浮風(fēng)險(xiǎn)大，采取的抗浮措施通常為在底板后澆帶內(nèi)埋設(shè)一定數(shù)量的PVC管或止水套管，作為底板抗浮泄壓孔，待頂板覆土完畢后，將高出底板結(jié)構(gòu)面部分割除，洞口采用高一個(gè)等級的膨脹混凝土封堵密實(shí)即可，地下室底板臨時(shí)性泄壓孔做法如圖3所示。

圖3 地下室底板臨時(shí)性泄壓孔做法示意

上述方法操作簡單，滿足了工程在施工期間底板抗浮泄壓需求，但缺陷也較為突出，即開放式泄壓孔無法確定地下水壓力，往往在釋放地下水的過程中，土體也會隨著一同流失，且在工程后期需要封閉，無法繼續(xù)發(fā)揮作用。

3.2 抗浮泄壓裝置的改進(jìn)、優(yōu)化

針對臨時(shí)性抗浮泄壓孔土體流失、無法持續(xù)發(fā)揮抗浮泄壓問題，通過分析研究其作用原理，提出一種改進(jìn)的永久性地下室底板抗浮泄壓方案。此方案由3部分構(gòu)成，分別是濾水系統(tǒng)、水壓力監(jiān)測系統(tǒng)和泄壓系統(tǒng)，即地下水通過濾水系統(tǒng)多重過濾后，經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測水壓力，水壓一旦超標(biāo)即自動警報(bào)，由泄壓系統(tǒng)進(jìn)行釋放，最后由地下室集水井內(nèi)自動式潛水泵抽排至市政管網(wǎng)，既解決了臨時(shí)開放式泄壓孔地下水土流失的問題，又解決了項(xiàng)目竣工投產(chǎn)后無法持續(xù)發(fā)揮作用的問題。地下室底板永久性抗浮泄壓裝置如圖4所示。

圖4 地下室底板永久性抗浮泄壓裝置示意

3.2.1 濾水系統(tǒng)

為防止地下土體流失和泄壓管堵塞，濾水系統(tǒng)共包含3重過濾。第1重過濾為波紋管外側(cè)的雙層尼龍網(wǎng)，第2重過濾為波紋管內(nèi)粒徑20～40 mm的碎石或卵石，第3重過濾為泄壓管底部的雙層尼龍網(wǎng)。同時(shí)，為滿足透水泄壓需要，在波紋管側(cè)壁開設(shè)孔徑10 mm、間距100 mm的濾水孔，在泄壓管底部焊接3 mm厚穿孔鍍鋅鋼板，孔徑5 mm、間距50 mm。地下壓力水經(jīng)過波紋管外雙層尼龍網(wǎng)過濾后，通過波紋管上濾水孔進(jìn)入波紋管內(nèi)，再經(jīng)過碎石層和泄壓管外側(cè)尼龍網(wǎng)過濾后，最后穿過穿孔鍍鋅鋼板進(jìn)入泄壓管，完成整套過濾。濾水系統(tǒng)多重過濾結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 濾水系統(tǒng)多重過濾結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 水壓力監(jiān)測系統(tǒng)

水壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要是由水壓力表、水位自動報(bào)警器等構(gòu)成。由于本工程所處地域具有明顯的豐水期和枯水期，汛期降雨量大，水位上升快，通過水壓表可以時(shí)刻掌握地下水壓力情況，為是否需要泄壓及泄壓量提供依據(jù)。

3.2.3 泄壓系統(tǒng)

泄壓系統(tǒng)包含球閥、2臺自動抽排潛水泵、開關(guān)箱等。

3.3 抗浮泄壓裝置工藝流程及操作要點(diǎn)

3.3.1 工藝流程

地下室磚胎模及墊層→打降水管井→填筑碎石→安裝泄壓管→底板鋼筋綁扎→隱蔽工程驗(yàn)收→集水井支模→澆筑底板混凝土→養(yǎng)護(hù)、拆模、清理→安裝水壓表→安裝球閥→安裝自動式潛水泵及開關(guān)箱

1）地下室磚胎模及墊層。地下室土方分層開挖至底板墊層面，改用人工修土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，澆筑集水井底板墊層，砌筑集水井側(cè)壁磚胎模至上墊層，澆筑上墊層混凝土，此時(shí)應(yīng)將打設(shè)降水井的位置留出，避免二次打鑿。

2）打設(shè)降水井。對降水管井打設(shè)位置進(jìn)行定位，使用高壓水槍向下鉆孔至設(shè)計(jì)深度，控制水槍水壓和泥漿相對密度，防止坍孔，在波紋管外側(cè)安裝雙層尼龍網(wǎng)并綁扎牢固，將制作好的濾水管向下投放至鉆孔內(nèi)，臨時(shí)固定后將管井與底板墊層之間空隙用素混凝土澆筑、修補(bǔ)平整。

3）填筑碎石。將碎石過篩，篩出粒徑為20～40 mm的碎石，用清水沖洗干凈后填筑至波紋管內(nèi)，并振搗密實(shí)，至墊層面標(biāo)高以下100 mm。

4）安裝泄壓管。泄壓管由1根直徑200 mm的鍍鋅鋼管和1根直徑100 mm的鍍鋅鋼管組成，直徑200 mm鍍鋅鋼管端部連接3 mm厚穿孔鍍鋅鋼板，為防止砂石進(jìn)入管內(nèi)，穿孔板外側(cè)包裹雙層尼龍網(wǎng)用于過濾。將制作完成的泄壓管放入管井內(nèi)，對泄壓管進(jìn)行支撐固定后，在鍍鋅鋼管與波紋管之間空隙灌注細(xì)石混凝土，嵌填密實(shí)。

5）底板鋼筋綁扎。安裝集水井及地下室底板鋼筋，并對泄壓管四周設(shè)置加強(qiáng)鋼筋。

6）集水井支模。對穿過集水井側(cè)壁鋼管位置進(jìn)行測量定位，在模板上按照定位尺寸預(yù)先開孔，安裝完成后，用玻璃膠將鋼管與模板之間空隙封堵密實(shí)。

7）澆筑底板混凝土。泄壓管周邊混凝土需振搗密實(shí)，振搗時(shí)與泄壓管保持一定距離，防止劇烈觸碰引起偏位。

8）將泄壓管外露端頭清理干凈，安裝水壓表及水壓超標(biāo)警報(bào)器。

9）安裝球閥及水龍頭。

10）安裝自動式潛水泵、電源、開關(guān)箱。

3.3.2 注意事項(xiàng)

1）去除集水井側(cè)壁厚度400 mm、磚胎模厚度240 mm及鉆孔所需富余空間，降水管井打設(shè)位置與集水井之間凈距應(yīng)≥800 mm。

2）為保證地下水充分進(jìn)入到管井內(nèi)，同時(shí)為防止波紋管過長折斷，宜將管井打設(shè)深度設(shè)為1～2 m。

3）為防止底板混凝土漏水，泄壓管豎向鍍鋅鋼管側(cè)壁需設(shè)置止水片，厚度≥3 mm，寬度≥50 mm。

4）為方便后續(xù)水壓表、球閥安裝，泄壓管出集水井側(cè)壁宜≥100 mm。

5）項(xiàng)目正式投入使用后，應(yīng)移交物業(yè)單位維修管理，枯水期時(shí)一般處于關(guān)閉狀態(tài)，豐水期時(shí)需安排專人定期巡查水壓情況，超出指標(biāo)時(shí)進(jìn)行排水泄壓。

6）當(dāng)排出的水體內(nèi)含有較多泥砂時(shí)，說明濾水系統(tǒng)可能已經(jīng)失效，需及時(shí)對泄壓管進(jìn)行割除、封堵。

3.3.3 日常監(jiān)測與維護(hù)

1）對集水坑進(jìn)行定期清理，防止水泵堵塞、失效。

2）自動式潛水泵及電源應(yīng)進(jìn)行定期保養(yǎng)維護(hù)，及時(shí)修復(fù)受損的設(shè)施設(shè)備。

3）地下水壓超標(biāo)警報(bào)器連接至值班室，一旦警報(bào)響起，值班人員需采取相應(yīng)緊急措施。

4）汛期需制作地下水壓記錄表，記錄地下水壓。

4 結(jié)語

地下水環(huán)境受氣候、季節(jié)、地域、地質(zhì)等多重因素影響，難以精準(zhǔn)預(yù)測，不確定性較大，且地下室上浮帶來的危害極其嚴(yán)重。通過對多種地下室抗浮措施分析對比，提出一種永久性地下室底板抗浮泄壓方案，在地下室底板結(jié)構(gòu)施工期間安裝預(yù)埋，施工期間即可使用，項(xiàng)目交付投產(chǎn)后仍可繼續(xù)發(fā)揮作用，操作簡便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本項(xiàng)目在此套裝置體系安裝完成后投用，已正常運(yùn)行2年時(shí)間，效果良好，能為后續(xù)類似工程提供一種有效的地下室抗浮思路。