地下空间可持续发展——深圳益田村地下停车库抗浮问题的优化设计

刘卡丁

(深圳地铁集团有限公司，广东 深圳 518172)

地下空间可持续发展
——深圳益田村地下停车库抗浮问题的优化设计

刘卡丁

(深圳地铁集团有限公司，广东 深圳 518172)

以深圳益田村地下双层停车库工程为例，指出该工程结构抗浮存在的主要问题，通过对比分析3种结构抗浮设计方案(锚杆抗浮、钻(冲)孔灌注桩抗浮及泄水引流抗浮)，最终决定采用泄水引流抗浮方案，即利用动水压力小于静水压力的原理，通过渗流、滤水措施排泄一部分地下水、控制底板下的动水压力，从而减小结构受到的浮力，解决抗浮问题。该方案缩短了工期、减少了投资、减少了建筑材料的用量、使地下水得到循环利用，符合节能、环保、可持续发展的方向。

地下停车库；结构抗浮；锚杆抗浮；钻(冲)孔桩抗浮；泄水引流抗浮；可持续发展

0 引言

根据联合国国际能源署的最新数据显示，我国已超过美国，成为全球最大的能源消费国。2010年，中国的GDP 占全球的9.27%。中国能源、资源消费占全球消费总量的比例为：铁矿43%、铜25%、煤炭43.4%、钢材47.7%、铝32%、水泥超过53%、原油9.7%。据国内报道，再过21年，我国煤矿蕴藏量将消耗殆尽。国际能源总署预测，再过28年，我国煤矿告罄(一般煤矿需要上亿年的时间形成)。而哥本哈根全球气候会议对我国的评价显示，我国是环境污染大国、资源消耗大国及高成本国家。2009年单位GDP能耗统计显示：我国单位GDP能耗相当于世界平均水平的3倍；每万元GDP耗水量是世界平均水平的4倍；我国GDP相当于日本的49%，而能耗则是日本的3倍；我国用水总量与美国相当，但GDP仅为美国的1/8。可见，节约能源和资源势在必行。在针对地下空间可持续发展利用的整体规划、全局把握和模式研究方面，已经有不少专家、学者作了很多研究，如文献[1]在节能减排、环境保护方面提出面向低碳经济，实现城市可持续发展；文献[2]结合通州国际新城运河新商务区地下空间的规划研究,提出可持续发展的城市地下空间发展模式；文献[3]主要认为应在加强地下空间使用的立法方面来确保地下空间开发的可持续发展；文献[4]主要从地下空间总体结构布置方面论述地下空间规划的编制过程中应该着重注意以人为本、减少消极空间、适当超前兼顾现实和注重衔接突出重点4个问题；文献[5]探讨了各个城市发展面临的共同问题，分析了现今低碳城市的发展模式，不同地区地下空间的研发方向。可见，隧道及地下工程的节能、减排、可持续发展问题已日益受到重视。

随着城市化进程的加快，可用的城市土地资源越来越少，地下空间的开发日渐成为城市发展的主要方向之一，大型地下停车库、地下商业城、地下枢纽工程越来越多。受各方面因素影响，这类地下结构工程有时未规划设计地面结构或上部荷载较小，使得地下结构抗浮问题特别突出。如何在既节约资源、能源，又对周边环境影响小的前提下，解决结构抗浮问题，是大力发展地下空间必需面对的重要问题之一。目前，大部分地下结构工程是靠增加结构抗拔荷载或增加结构自身及上部荷载等方法来解决抗浮问题。在工程抗浮研究方面，文献[6-7]介绍了锚杆作为地下工程抗浮措施的设计、施工和试验的方法；文献[8-9]介绍了抗拔桩在地下工程抗浮中的应用。在GB 50157—2003《地铁设计规范》[10]条文说明中，对地下结构使用阶段的永久抗浮措施的第4条为“在底板下设置反滤层泄水引流”。可见，泄水引流抗浮法早已被提出并写入规范。但是，在实际工程中采用泄水引流抗浮，特别是采用控制水位的工程案例却不多见。该方法对地下水位较高、上部荷载较小、抗浮问题比较突出的大型地下工程或大型下沉式广场具有比较实际的借鉴意义。本文以深圳益田村中心广场地下停车库工程为例，重点介绍、分析超大浅埋地下结构泄水减压抗浮设计。与锚杆抗浮和抗拔桩抗浮相比，该工程达到了节能、节资的目的，是可持续发展的地下工程的典范。

1 工程概况

深圳市益田村中心广场地下车库位于小区居住区的中部，南面为高层住宅，东西面均为多层住宅，北面为空地，周边紧邻小区的主要车行道。地下车库为二层，负一层的层高为5.5 m，负二层为4 m，覆土为1.3 m；总建筑面积为58 218.1 m2,停车位1 498个，其地面为小区休闲广场。上部荷载较小、地下水位高，结构抗浮问题突出。

图1是地铁益田站平面布置图，地下停车库中部是地铁益田站折返线，其上部即为该社区二层地下停车库空间。占地面积约3.56万m2，周边为高层、多层高密度住宅区。图2是益田村双层地下车库效果图，图3是地铁益田站原设计剖面图。

图1 地铁益田站平面布置

图2 益田村双层地下车库

(a)1-1剖面

(b)2-2剖面

本工程场地属海冲积平原地貌，地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。本工程地质自上而下为：人工素填土、海冲积淤泥质土、黏土、砂层及残积黏土，下伏基岩为燕山期花岗岩。基坑底板大部分位于黏性土及全风化花岗岩中，局部位于淤泥、淤泥质土及中、粗砂中。工程地质情况见图4。水文地质情况见图5。

图4 工程地质条件

为了减少对周边环境的影响，克服场地紧张的情况，围护结构采用地下连续墙方案。基坑深度12.5 m，围护结构插入底板以下6 m，主要在全风化花岗岩以及黏性土内。本工程采用中心岛法开挖；先施工围护结构、周边逆作段钢管柱及顶板，再放坡开挖中心岛土方并施工该部分车库结构，最后在顶板封闭后完成逆作段土方及车库结构。

2 结构抗浮存在的问题

1)该地下停车库上部荷载较小，地面为小区休闲广场，没有规划高层建筑，上方局部只有2座三层建筑，顶板覆土只有1.3 m。

2)东西两侧有采光带、中部有采光井。

3)地下水位较高(设计水位为-1.5 m)，水浮力较大，对钢筋有中等腐蚀性，扣除结构及覆土荷载后仍有90 kN/m2的浮力。

可见该地下停车库结构抗浮问题比较突出。

图5 工程水文地质条件

3 抗浮方案比选

3.1 锚杆抗浮

采用φ180预应力锚杆，按2.1 m×2.1 m布置，抗拔设计承载力特征值为400 kN，数量约5 500根，根据地质报告计算需进入强风化岩层。由于锚杆截面小，表面积与体积之比大，施加预应力后增加了应力腐蚀的因素，容易受到腐蚀，因此在本工程的环境中，锚杆的防腐处理工作量也很大。而且由于截面小，不易振捣密实，需要采取压力灌浆等措施保证成桩质量。锚杆抗浮方案可略减底板厚度为100～200 mm，在造价上以一个柱网8.4 m×8.4 m计，需锚杆15根，锚杆长度约为20 m，一个柱网的抗浮造价约为9万元。

3.2 钻(冲)孔灌注桩抗浮

采用φ1 000钻(冲)孔灌注桩抗浮，桩按4.2 m×4.2 m布置，抗拔设计承载力特征值为1 200 kN，桩端进入全风化花岗岩不小于7 m。由于桩直径较大，相对表面积与体积之比较小，受地下水的腐蚀影响小。由于布置间距大，能比较充分地利用承压桩的抗浮能力，同时截面大，成桩质量更有保证，无需采用特别措施。从造价上看，以一个柱网8.4 m×8.4 m计，需钻孔桩3根，桩长约为15 m，一个柱网的造价约为8万元。

3.3 泄水引流抗浮

本工程地下连续墙进入了基坑底下的弱透水层并基本切断了基坑内、外的水力联系；地下水只能通过弱透水层绕流过地下连续墙到达底板下。通过在底板下设置反滤层排泄一部分地下水、控制底板下地下水的压力，使地下车库的水浮力与结构自重及覆土重达到一定的平衡，从而解决抗浮问题。不需设置抗拔桩及锚杆等结构工程，只需增加滤水、排水工程的一次性投资及后期维护成本，较锚杆及抗拔桩抗浮方案减少投资1 000多万元。同时，因施工开挖至基底时，不需施工相关锚杆或抗拔桩，减少了基底暴露时间，及时封闭底板，有利于基坑施工的安全，同时缩短了工期3～4个月。

通过上述分析可见，泄水引流抗浮方案节约了工期和成本，因此采用本方案。

4 泄水引流抗浮方案研究

4.1 方案原理

按照结构力学的计算方法[11]，浅埋、明挖法施工的地下工程在设计中可不考虑地层的侧向弹性反力，其抗浮计算为

K=Q重/Q浮≥1.0。

式中：K为抗浮安全系数；Q重为结构自重、设备及上部覆土重力之和；Q浮为地下水浮力。

大多数地下结构工程水浮力Q浮采用静水压力计算

Q浮=h静γA。

式中：h静为结构底板水位高度；γ为水的重度；A为结构地板的面积。

如果允许地下水穿过底板、流入地下结构内部的排水体系中，形成地下水在地下结构内外的渗流体系，在地下结构底板下的水压为动水压

Q浮=h动γA=(h静-h设-h损)γA

式中：h动为动水压中结构底板相对水位高度；h设为动水压中的初始降低设计水头；h损为动水压中的水头损失。

可见，针对同一埋深地下结构的动水压力要小于净水压力。泄水引流的抗浮方案主要就是利用这一原理。

4.2 h动的确定

动水压力中的h动由h静、h设、h损3个因素控制。其中，h静为固定值，地下水位明确后便可稳定；h损是在h设稳定后、利用达西定律通过有限元数值模拟或经验公式计算得出；h设是确定h动的关键，可通过多次设定，使动水压力产生的水浮力与结构自身及上部荷载的总和基本相同，并综合考虑泄水量引起的投资变化、地面沉降对周边环境的影响等因素方可确定。

如果h设设定越大，使得地下结构内外水压越大，地下水的渗流流速越大，结构周边土体中的微小颗粒被地下水带走得越多，引起周边地面沉降越大，对周边环境影响越大；同时，由于地下水的渗流流速增大，使得结构内部的排水系统设备投资及后期运营成本加大，也与泄水引流抗浮方案的设计初衷不符。

如果h设设定太小，结构底板所受动水压力就大，水浮力Q浮也大，可能还需增加一部分抗拔桩或抗浮锚杆等措施，增大了工程投资，也与泄水引流抗浮方案的设计初衷不符。

针对该工程的实际情况，经过多次有限元模拟试算，最终确定了本工程的h设为4.5 m。

在本工程中，通过控制地下车库内部与反滤层、盲沟连通网管中的立管高度h立(h立=h静-h设)，来实现对h设的设定。当底板下的水压力超过了设计的h动，渗流进立管的地下水水头大于立管高度h立时，立管里的水自动进入水平管内，流入设置在车库两侧的蓄水池中。

4.3 对周边环境影响评估

不论采用哪种抗浮方式(锚杆、抗拔桩、泄水引流)，周边地面及建筑物的最大沉降量，应该出现在施工结构底板期间；此时，基坑内设置了降水井，其底部的水压为零，基坑内外水压力差值最大。短期来讲，不论采用哪种抗浮方式，最大沉降量应该是一样的。

当然，从长期来看，考虑到土体固结的时间效应，泄水抗浮对周边环境的影响，施工期间与运营使用期间有叠加效应。这是因为这种抗浮方案需在运营使用期间不断地抽排地下水。但是在运营期间，地下水的流动穿过了弱透水层以及反滤层，全程是通过渗流的方式到达塑料盲沟内的，水的流速也是比较慢的，土层内颗粒的流动、流失比较少(从目前阶段的泄水量也可以看出来)，对周边沉降影响不大。

通过多次的有限元模拟试算可以得知，当h设=3.4 m时，连续墙外侧浸润线(地下水位线)的最大降深为2.8 m，距离围护结构15 m处(周边房屋位置)的长期沉降在10 mm内；当h设=5.7 m时，连续墙外侧浸润线(地下水位线)的最大降深为4.9 m，距离围护结构15 m处的长期沉降在16.5 mm内。最终本工程确定的h设值为4.5 m，距离围护结构15 m处的长期沉降推算约为13 mm。

目前，该工程地下土建部分已全部完成，地面已覆土，经测量得到的周边房屋及地表最大沉降约10 mm，与有限元模拟计算的结果基本吻合。

在确定了h动后，通过有限元模拟计算可以得到运营期本工程的泄水量约为400 m3/d；但施工底板期间的整个基坑内排水量只有200 m3/d。这样看来，运营使用期间的停车库泄水量应小于200 m3/d，周边永久沉降可能要小于预测值。

也有可能，在枯水季节(地下水位较雨水期低)底板以下的渗透地下水压力小于原设计h动，使得立管里面的水不能流到水平管网内，泄水量几乎为零，对后期周边沉降几乎没有影响。

5 具体措施

通过底板的土工布反滤层，地下水进入了碎石层内的塑料盲沟，塑料盲沟将地下水汇集到底板周边的8处取水口内，有压的地下水在水压的作用下进入立管。水位高时，立管里的水进入了水平管内，流入水池中，故渗流的地下水压力不会超过立管顶的水压。通过水泵，将水池内的水抽到地面的蓄水池内，或用于绿化。

底板反滤层设计见图6，泄水管网系统工作原理见图7，地下水存储净化装置见图8。

该方案充分利用了淤泥质土和粉质黏土形成的天然隔水层,渗透系数k≤0.002 m/d,为弱透水层；充分利用静水压力和动水压力的不同特性；采用该方案泄水减压、抗浮，达到了低碳环保、节能节资的目的。

图6 底板反滤层设计

图7 泄水管网系统工作原理

图8 地下水存储净化装置

建成后的双层地下停车场见图9。

(a)

(b)

6 结论与思考

1)当地下水的渗透系数≤0.1 m/d，且无承压水，排水量较小时，泄水减压是非常有效的抗浮措施。

2)充分利用水流的原生态，降低有害压力，减少建材的使用，减少环境污染，节约工程投资。

3)地下水实现就地循环，中水利用。

虽然，泄水引流抗浮法也存在“运营使用期间排水系统失效而引起抗浮失效、泄水量或周边房屋沉降大于预期”等问题，但这些问题可以通过更多的工程实例进行研究、解决。在今后的工作中，应进一步研究泄水引流抗浮法中“使用期间的排水量、地下水绕流连续墙渗透到排水立管中的水头损失、基坑外水位变化曲线、周边建筑沉降”等问题，总结工程经验、建立实用的计算体系，以利于该方案的推广。

全世界每年要消耗数以亿吨的煤电来生产混凝土、钢筋，对环境造成了不可估量的污染；土木工程在保证安全使用的条件下应尽量减少钢筋、混凝土的用量，实现土木工程界的可持续性发展。泄水引流抗浮法通过“疏导”而不是通过抗拔桩、锚杆等“堵”的方案解决水浮力问题，减少了建筑材料的使用，既减小了环境污染、净化了地下空间，又减少了投资，同时地下水也可以实现循环利用。该方法符合国家提倡的节约、环保、可持续发展的政策，应该大力推广。

[1]孙钧.面向低碳经济城市地下空间/轨交地铁的节能减排与环保问题[J].隧道建设，2011，31(6)：643-647.(SUN Jun. Energy saving,carbon emission reduction and environment protection in underground space/rail transit works in urban area[J].Tunnel Construction,2011,31(6): 643-647.(in Chinese))

[2]张健，姜阳，胡斌，等.城市地下空间可持续发展模式初探——以通州新城核心区地下空间规划研究为例[C]//低碳经济与土木工程科技创新——2010中国(北京)国际建筑科技大会论文集.北京：中国土木工程学会，2010.

[3]陈文瑞.城市地下空间使用权和可持续发展探讨[J].现代商贸工业，2010(2)：200-202.

[4]邵继中.杭州临平新城地下空间规划案例研究[J].城市环境与城市生态，2013(3)：26-29.

[5]王欣婷.地下交通、物流、商业街道等地下空间开发与城市可持续发展——地下空间的通用规划模式研究[C]//低碳经济与土木工程科技创新——2010中国(北京)国际建筑科技大会论文集.北京：中国土木工程学会，2010.

[6]袁正如，颜海春.中空锚杆在地下工程抗浮中的应用[J].施工技术，2007(S1)：68-69.(YUAN Zhengru,YAN Haichun. Application of hollow anchor in underground engineering anti-floating[J].Construction Technology,2007(S1): 68-69.(in Chinese))

[7]俞晓，罗明星，管洪生.地下人防工程抗浮优化设计分析[J].武汉科技大学学报，2013(3)：233-236.

[8]吴竞.地下结构抗浮设计中抗拔桩的应用研究[D].南昌：南昌大学建筑工程学院，2010.

[9]陈天虹，王伟堂.抗拔桩在建筑基础设计中的应用[J].浙江建筑，2005(1)：34-35.

[10]GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[11]李志业.地下结构设计原理与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

渤海海峡或建世界最长海底隧道

发改委2014年1月29日公布的2014年交通发展改革工作重点中，渤海海峡跨海通道研究项目被再次提上日程，将结合“十三五”重大交通问题进行前期研究。据项目参与人士透露，经过前期实地调研，渤海海峡跨海通道战略规划研究项目报告将于近期上报国务院，渤海海峡跨海通道有望在10年内正式建成通车。

20多年的跨海梦想就要照进现实

建设渤海湾海底隧道的念头始于1992年。首先，要修建烟台到大连的铁路轮渡，实现两大半岛“软连接”；其次，修建从蓬莱至长岛的试验工程，以小通道带动大通道；最后，修建蓬莱到旅顺的跨海大桥和海底隧道。

1993年，一个由科技部、交通部、原铁道部、山东省、辽宁省等相关各方组成的课题组成立。在此后的21年里，关于建设跨海通道的努力，一直没有停止过。

2013年7月，中国工程院院士王梦恕披露，他已与其他8名院士乘坐轮渡，在大连、烟台之间开展实地调研。渤海海峡跨海通道最终方案即将定稿，渤海海峡跨海通道战略规划研究项目已经完成，包括一个总报告、九个分报告，将于近期上报国务院。

全隧道方案入口设在旅顺、蓬莱

此前曾有专家提出“先隧后桥”的方案。2012年在实地考察和各种会议的研究讨论后，正式否定了这个方案，定为深埋的全隧道方案。王梦恕院士认为深埋方案最大的好处就是抗风险。

据王梦恕院士介绍，跨海通道全程123 km，平均深度20～30 m，最深约70 m，以火车为主要运输方式，时速200 km。隧道建成后将远超日本青函海底隧道(约54 km)，成为世界最长的海底隧道。

在即将上报的方案中，跨海通道两端入口分别设在大连旅顺和烟台蓬莱。跨海通道先从大连旅顺附近定一个入地点，蓬莱有一个登陆点，然后到达烟台。设计为3条平行隧道，两侧为2条上下行铁路隧道，中间一条为服务隧道。上下行都是单线，按照现有技术，可以保证每6 min通行一趟列车。客运车辆时速在200 km左右，0.5 h就能从大连到烟台。货运车辆速度会慢一点，不过时速也会保证在120～140 km。汽车可以搭载在平板货车上，人也不用下车，通过隧道后，再把车开下来。

针对跨海通道的技术难度一直存在争议，鲁东大学副校长、渤海海峡跨海通道课题组负责人柳新华解释说，根据国内外已有的工程来看，技术已经不是问题。我国已完全具备和掌握独立建设大型跨海工程的能力。

渤海南北两岸物流瓶颈将被打破

由于渤海海峡的阻隔，往来于山东和东北地区的铁路、公路只得绕行山海关，路程均在1 600 km以上，增大了运输成本。因此，两地之间起支配作用的运输方式为海上运输，尤其是烟台到大连的航线，更是承担了绝大多数的客货运输量。但海上运输每年有1个多月的时间因风浪影响不能通航，且存在一定的交通安全隐患。

渤海跨海通道的建成将缩短原先往来的运输时间和费用，大大提高物流效率与经济效益。

王梦恕院士认为，总投资2 600亿元的跨海通道，货运盈利前景非常可观。按照每年返利8%来计算，12年就差不多能收回成本，之后就是纯收益了。

柳新华也认为，项目建成以后，即使保守测算，通行收费也能高达130亿元/年，若加上各种管线收费、土地增值、旅游开发、节约燃油与材料等综合社会效益则会成倍增加。跨海公铁通道2 000多亿元的投资，10～15年即可收回成本，投资回报率大大高于一般的大型工业投资项目。

(摘自 中国土木工程学会网 http://www.cces.net.cn/guild/sites/tmxh/read_zhxw_39317.html 2014-02-13)

SustainableDevelopmentofUndergroundSpaceCaseStudyonOptimizedDesignofAnti-floatingofUndergroundParkingGarageofYitianVillageinShenzhen,China

LIU Kading

(ShenzhenMetroCorporation,Shenzhen518172,Guangdong,China)

Main anti-floating problems of the two-storey underground parking garage of Yitian village in Shenzhen are presented. Three anti-floating methods,i.e.,anti-floating by anchor bolts,anti-floating by punching piles and anti-floating by water drainage,are compared and the water drainage method is adopted for the project. The mentioned method uses the theory of “the hydrodynamic pressure being larger than the hydrostatic pressure”,and it can reduce the floating of the structure by controlling the hydrodynamic pressure under the floor. The method used has achieved good effects in the project.

underground parking garage;structural anti-floating;anchor bolt;punching pile;water drainage;sustainable development

2013-09-05;

2013-11-28

刘卡丁(1957—)，男，重庆人，1982年毕业于西南交通大学，隧道及地下铁道专业，教授级高级工程师，博士生导师。现任深圳地铁集团有限公司首席规划师，享受国务院特殊津贴专家。主要从事城市轨道交通的规划、设计、科研与建设管理等工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.02.009

U 455.43

A

1672-741X(2014)02-0140-07