主動抗浮技術(shù)在新建建筑場地應(yīng)用

【摘 要】結(jié)合實例開展詳細的場地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)條件調(diào)查，對排水卸壓式主動抗浮技術(shù)進行實踐應(yīng)用。研究成果表明：建筑基底為弱透水性地層，分組團不同抗浮設(shè)防水位范圍為420.35～422.35 m，地下水年度水位變化幅度3～5 m，主要受降雨影響較為顯著。項目工期緊張，采用“卸壓”為主的地下室抗浮方法，其理念是在底板開設(shè)卸壓孔使地下水流動，通過泄排適量地下水主動式來減小或消除水浮力，并輔以觀測及自動控制措施，實現(xiàn)抗浮目的。通過該工程監(jiān)測結(jié)果地下水流量及水頭可控，運行效果良好。相較傳統(tǒng)技術(shù)，成本降低超40%、工期節(jié)省超60%。

【關(guān)鍵詞】主動抗浮技術(shù); 新建建筑; 弱透水層； 排水卸壓

【中圖分類號】TU475+.9【文獻標(biāo)志碼】A

0 引言

建筑工程建設(shè)過程不可避免面臨工程抗浮安全性的關(guān)鍵技術(shù)問題。如若抗浮措施不當(dāng)或地下水作用預(yù)估不足，建筑物因抗浮措施失效便會事故頻發(fā)。既有建筑抗浮措施采用較多的方法是工藝成熟的抗拔樁、抗拔錨桿或壓重措施［1］，抗浮水位一般取至室外地坪標(biāo)高［2］。但現(xiàn)有抗浮措施存在技術(shù)單一、價格貴、材料與能源消耗高等問題，不利于可持續(xù)發(fā)展［3］。而隨著全球氣候變化引發(fā)的城市極端降雨事件的增加以及中國快速城市化進程，諸多城市尤其是大城市內(nèi)澇事件頻發(fā)，觸發(fā)地下水位突升，使得既有（或在建）建筑抗浮失效，引發(fā)了新的城市巖土工程問題［4］。頻繁的建筑抗浮失效事故發(fā)生表明：（1）設(shè)計概念中的抗浮設(shè)防水位并不是基于區(qū)域環(huán)境條件或預(yù)測峰值地下水位而確定的［5-6］；（2）抗浮措施中抗拔樁或抗拔錨桿等被動措施限于筋材本身的屬性不能大幅提高其抗拔能力，反而常因施工撿底、節(jié)點處理和注漿效果等質(zhì)量問題造成承載力的喪失［7］?；谏鲜鲋T多事故和問題，學(xué)者采用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等手段針對不同類型場地提出了具有針對性的抗浮設(shè)計計算方法［8］；并結(jié)合地下結(jié)構(gòu)所在的地層的強、弱透水特性及地層組合情況提出了主動式抗浮技術(shù)［9-10］。

在基巖弱透水性場地進行工程建設(shè)，地下水匱乏，受降雨條件影響顯著，如采用被動抗浮措施按歷史罕遇最高地下水位開展抗浮設(shè)計則會使工程造價大幅上升，且其抗浮作用也不能得到充分利用。本文以成都東部新區(qū)天府國際健康服務(wù)中心新建工程為例，綜合考慮場地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)條件，開展排水卸壓式主動抗浮技術(shù)在該項目的設(shè)計實踐，輔以觀測及自動控制措施對其工程應(yīng)用效果進行驗證。研究成果是對抗浮設(shè)計理念的一次拓展和嘗試，亦是此類工程提供抗浮設(shè)計的借鑒。

1 工程概況

天府國際健康服務(wù)中心位于成都市東部新區(qū)草池街道集體村，是提升城市疫情防控功能的重要功能性建筑，是成都重要的入境防疫服務(wù)保障場所，是機場口岸防疫工作的新防線。擬建項目總建筑面積39.9萬m2，共分為11個組團（圖1），包含隔離觀察用房、醫(yī)護宿舍、辦公用房、中央廚房、核酸檢測及地下車庫等。項目施工工期僅為4個月，涉及抗浮工程的組團分別為1、3、5、6、7、8、9、10、11共9個組團。

2 場地條件

2.1 工程地質(zhì)條件

場地地貌單元為剝蝕淺丘地貌，地形起伏較大，測得鉆孔標(biāo)高為402.68～452.16 m，相對高差約49.49 m。場地處于大地構(gòu)造四川東部地臺區(qū)，新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶四川沉降褶皺帶中部偏西的川中褶皺帶內(nèi)，構(gòu)造形跡展布方向為北偏東向?qū)儆邶埲綌囫迬Ш屯h輻射狀構(gòu)造特征區(qū)域，見圖2。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動不發(fā)育，場區(qū)大地構(gòu)造單元穩(wěn)定。根據(jù)已有的地震地質(zhì)研究成果和本次勘察查明的場地地層結(jié)構(gòu)特征等綜合分析可知，無論從區(qū)域地震地質(zhì)背景還是場地的工程地質(zhì)總體特征而言，場地穩(wěn)定性良好。

圖2 區(qū)域構(gòu)造示意

場地在勘察深度范圍內(nèi)的地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）和下伏中生代侏羅紀(jì)上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）泥質(zhì)砂巖組成。建筑物地下室底板位于泥質(zhì)砂巖中，中厚層-厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，RQD為70～90，巖質(zhì)較軟，裂隙中充填少量風(fēng)化物，局部地段巖芯為破碎，沿水平結(jié)構(gòu)面夾薄層強風(fēng)化。巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。應(yīng)力擴散角約25°。屬軟巖。地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 水文地質(zhì)條件

場地附近僅有一條絳溪河支流（圖3），距離較遠，無直接補給關(guān)系。地下水類型為上層滯水及下部基巖裂隙水。大氣降水和區(qū)域地下水為其主要補給源，水量較豐富，水位變化主要受季節(jié)控制。場地內(nèi)局部地段的填土中賦存上層滯水，受大氣降水和地表水補給，水量較小，水位埋深淺，無統(tǒng)一地下水位，對地基基礎(chǔ)施工影響較小。

地下水靜止水位埋深為4.5～30.3 m，相應(yīng)標(biāo)高為395.73～421.16 m。地下水年度水位變化幅度3～5 m，該地下水略具承壓性。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及相關(guān)資料，以及相關(guān)類似工程經(jīng)驗、肥槽回填影響和最不利工況，本場地抗浮水位以室外地坪標(biāo)高為準(zhǔn)，分組團不同抗浮設(shè)防水位范圍為420.35～422.35 m。

3 主動抗浮設(shè)計

3.1 排水卸壓主動抗浮措施

排水卸壓主動抗浮措施是在建筑底板開設(shè)卸壓孔，使地下水自然流動起來，將地下室底板所受的靜水壓力轉(zhuǎn)化成流動水的動力勢能。施工時，利用排水管將地下水與集水井進行聯(lián)通，卸壓點鄰近集水坑布置，綜合考慮地下室結(jié)構(gòu)，不影響地下室原有功能使用，構(gòu)造措施見圖4。布置卸壓點的集水坑外設(shè)置濾水井，井內(nèi)填充無砂透水混凝土，能通暢地排出滲透水流。并安裝智能排水卸壓裝置。通過排水卸壓裝置對地下水壓力的實時監(jiān)測和信號傳輸實現(xiàn)卸壓閥門的智能開啟或關(guān)閉，從而實現(xiàn)建筑底板水壓力的實時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)節(jié)，保證建筑物的安全。

排水卸壓主動抗浮施工分為三個施工階段：濾水井制作及管道預(yù)埋，泄水管道安裝，智控箱安裝及調(diào)試（圖5）。

3.2 抗浮設(shè)計與計算

據(jù)規(guī)范JGJ120-2012《建筑基抗支護技術(shù)規(guī)程》、DBJ51/T140-2020《四川省不透水土層地下室排水卸壓抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》確定主要設(shè)計參數(shù)：

（1）計算暴雨工況下，場地的總匯水量見式（1）。

Qp=φSpF（1）

（2）計算運營期，肥槽回填封閉后的肥槽入滲流量見式（2）。

Q1=λyφSPF（2）

（3）計算施工期，肥槽未回填封閉時的肥槽入滲流量見式（3）。

Q2=λsφSPF（3）

（4）A水量計算見式（4）。

Q=KA（4）

（5）排水卸壓點的數(shù)量見式（5）。

n≥ 1.4Q1/q（5）

（6）單個卸壓點有效卸壓半徑見式（6）。

h=（H-h0）ln（r/rw）ln（R/rw）（6）

上述各式參數(shù)釋義及取值見表2。

主動抗浮考慮抵抗設(shè)計抗浮設(shè)防水位，從而得到：場地總水量Q為681.78 m3/d；卸壓點數(shù)量n≥9；有效卸壓半徑為13 m；單點計算卸壓水量為75.75 m3/d。

主動抗浮措施布置示意見圖6。前述9個組團的抗浮設(shè)計方案見表3。

4 實施效果分析

4.1 效果分析

根據(jù)第三節(jié)分析結(jié)果，卸壓點布設(shè)如圖6所示。施工分為排水卸壓孔成孔，引流管道安裝，智控箱安裝及調(diào)試。

自2022年4月施工完畢，當(dāng)水壓力超過0.5 m時（地面±0.00 m以下），啟動排水卸壓，控制板底水壓力，使其始終保持在1.2 m極限水位以下。該系統(tǒng)一直穩(wěn)定運行，期間對卸壓孔（1#、2#、3#、6#、9#）底板壓力水頭保持觀測（圖7）。監(jiān)測結(jié)果顯示各點位水頭低于設(shè)計抗浮設(shè)防水位，主動抗浮措施處置效果顯著。其他組團水浮力控制效果見表4。

4.2 經(jīng)濟性分析

針對天府國際健康服務(wù)中心項目的抗浮工程，就常規(guī)抗浮措施（抗浮錨桿）與主動抗浮措施的工程造價及工期進行對比，進一步說明本技術(shù)的優(yōu)越性。

4.2.1 抗浮錨桿方案

獨立基礎(chǔ)區(qū)域采用抗浮錨桿方案（為1、3、5、6、7、8、9、10、11組團）。設(shè)計取抗浮錨桿單根拉拔力特征值280 kN，單根錨桿長度9 m，錨桿布置間距2.2～3 m，錨桿總延米為53 750 m，合價費用約1 400萬元。錨桿施工工期超過3個月，影響總工期超過1個月。

4.2.2 主動抗浮技術(shù)方案

設(shè)置排水卸壓點103處。每個卸壓點安裝1套智能排水卸壓系統(tǒng)；每個卸壓點配套1個集水坑及相應(yīng)強排系統(tǒng)。排水卸壓主動抗浮方案中的土建、卸壓設(shè)備、強排系統(tǒng)及后期運營維護合計880萬元。實際施工中土建施工僅為1個月，未占用主序工期。

總體上，主動抗浮技術(shù)較抗浮錨桿技術(shù)措施節(jié)約成本約40%，工期提升近60%，且施工過程中不占用主序工期。

5 結(jié)論

本文以天府國際健康服務(wù)中心為例，綜合考慮場地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)條件，開展排水卸壓式主動抗浮技術(shù)在該項目的設(shè)計實踐，結(jié)果表明：

（1）研究區(qū)地下水靜止水位埋深為4.5～30.3 m，地下水年度水位變化幅度約3～5 m，該地下水略具承壓性。分組團不同抗浮設(shè)防水位范圍為420.35～422.35 m。

（2）通過底板卸壓孔泄排適量地下水主動式來減小或消除水浮力地下室抗浮方法進行主動排水卸壓抗浮設(shè)計，抗浮加固效果明顯。

（3）主動抗浮技術(shù)較抗浮錨桿技術(shù)措施節(jié)約成本約40%；土建施工僅為1個月，未占用主序工期，整體工期提升近60%。

參考文獻

［1］ 于貴， 李星， 舒中文，等. 高層建筑地下室上浮變形特征及處置措施研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報， 2020， 16（1）：215-222.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 476-2019 ［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

［3］ 朱東風(fēng)， 曹洪， 駱冠勇，等. 截排減壓抗浮系統(tǒng)在抗浮事故處理中的應(yīng)用［J］. 巖土工程學(xué)報， 2018， 40（9）： 1746-1752.

［4］ 王海東， 羅雨佳. 超大地下室施工期抗浮破壞機理分析與應(yīng)對思考［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2019， 16（10）：158-166.

［5］ 崔虎群， 李文鵬， 康衛(wèi)東，等. 黑河中游不同灌溉方式下地下水入滲補給特征研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2022， 49（3）：22-28.

［6］ 張晨晨，黃翀，何云，等. 黃河三角洲淺層地下水埋深動態(tài)與降水的時空響應(yīng)關(guān)系［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2020， 47（5）：21-30.

［7］ 黃俊光， 李健斌， 秦泳生. 超深地下工程抗浮技術(shù)的探索［J］. 建筑結(jié)構(gòu)， 2020， 50（10）：43+134-139.

［8］ Xiao Y ， Cao H ， Luo G ， et al. Modelling seepage flow near the pipe tip［J］. Acta Geotechnica， 2020， 15（2）：1953-1966.

［9］ 駱冠勇，馬銘駿，曹洪，等. 臨江地下結(jié)構(gòu)主被動聯(lián)合抗浮方法及應(yīng)用［J］. 巖土力學(xué)， 2020， 41（11）：228-237.

［10］ 朱東風(fēng). 地下結(jié)構(gòu)截排減壓抗浮法滲控關(guān)鍵問題研究［D］. 廣州： 華南理工大學(xué).2019.

［作者簡介］黃鵬（1979—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑工程項目管理、設(shè)計管理工作。