成套抗浮技术在地下超大深空间结构中的应用

浙江省二建建设集团有限公司 宁波 315000

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

杭州中大圣马广场项目位于杭州市主城区。项目用地面积为3.78×104m2，总建筑面积约3.35×105m2（其中：地上为1.83×105m2，地下为1.52×105m2），地上建筑分1#～7#楼7个单体，层数为17层（除3#楼为8层外），包括高层甲级写字楼和大型百货商业、SOHO公寓等。地下室为整体超大深空间结构（共计5层），开挖深度20.8 m左右，电梯井开挖深约23.8 m，地下结构单层面积约3.2×104m2；±0.00 m相当于绝对高程5.80 m。

1.2 场地土层情况

场地勘探深度内揭露的第四系地层主要为湖沼相沉积，场区可能有一隐伏断层通过，下伏基岩为砂岩和安山岩等。本场地在勘探深度范围内地层按其成因类型、物理力学性质差异可划分为8个工程地质层，细分为13个亚层。

1.3 水文地质条件

场地地下水按含水介质的不同和赋存条件的差异，可划分为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水2大类型。

孔隙潜水主要赋存于浅层的粉质黏土夹粉土、淤泥质黏土以及场地西侧碎石土层中，浅层的粉质黏土夹粉土、淤泥质黏土以大气降水入渗补给为主，径流缓慢，水量较小，蒸发是其主要排泄方式，与附近河流及地表水存在着相互补排关系[1-4]。

地下水动态与大气降水的年内关系密切，表现为丰水期接受补给水位抬升、枯水期水量消耗水位下降的动态规律，水位年变化幅度0.50～1.50 m，地下水位高程在2.97～5.42 m之间。

2 抗浮设计

杭州地区的抗浮桩普遍采用与工程桩相同的桩型，如挖孔桩、冲钻孔桩、沉管桩、预制桩等等，但这些类型的桩常不能充分发挥其抗拔力和桩身强度，且由于单桩抗拔力大，单桩间距就较大，则底板需加厚，这样才能满足由水压力产生的弯矩，因此不经济。本项目则尝试采用根据不同地质特征采取有针对性的处理措施，即建筑结构自重+抗浮锚杆+抗拔桩相结合的成套抗浮技术体系，这样可以充分发挥其各自的抗拔性能，灵活布置，使底板上的附加应力分布更均匀，有利于减小底板厚度。

根据工程地质情况及结构计算，该项目地下室自身浮力为6 723 255 kN；由于钻孔灌注桩桩端持力层根据地层情况分别为中风化安山岩和中风化粉砂岩，基岩埋深较浅的区域采用天然地基，且基础与底板分别坐落在场地⑥层粉质黏土层、中风化安山岩和中风化粉砂岩等复杂土层上，故抗浮设计按以下3种情况分别采取不同方案：

1）结构自重满足抗浮要求区域：1#～2#楼核心筒区域，4#～7#楼主楼区域。

2）结构自重加抗拔桩承载力满足抗浮要求区域：3#楼主楼区域。

3）结构自重加抗拔桩承载力不满足抗浮要求区域：采用设置抗浮锚杆措施。根据地层情况及荷载要求，分别设置不同种类、不同长度、不同间距要求的锚杆。

2.1 抗拔桩设计

1）根据场地地质情况及上部结构特点，该工程抗拔桩采用大直径钻孔灌注桩。桩径、桩长、数量、单桩抗拔力设计特征值等参数见表1。

表1 大直径钻孔灌注桩参数

2）桩纵向主筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋。桩浇筑混凝土之前，应清理孔底沉渣，其厚度应小于50 mm。桩主筋保护层厚50 mm，有效桩长为5～25 m；桩尖进入持力层深度＞1d。

2.2 抗浮锚杆设计

根据本工程抗浮设计计算，结合工程地质情况，锚杆孔φ150 mm，全长锚固，锚杆总数11 757根。锚固体与本场地⑥层粉质黏土层的极限摩阻力标准值为50 kPa，与中风化粉砂岩的黏结强度特征值为120 kPa，与中风化安山岩的黏结强度特征值为500 kPa。锚杆1布置区域为纯土层锚杆，长10 m，采用1φ32 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为130 kN），间距1.2 m×1.2 m，共2 520根，累计抗浮力为226 800 kN；锚杆2布置区域为纯土层锚杆，长10 m，采用1φ32 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为130 kN），间距1.8 m×1.8 m，共3 450根，抗浮力为310 500 kN；锚杆3布置区域为土层和岩石结合锚杆，长10 m，采用3φ25 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为280 kN），间距1.8 m×1.8 m，共1 189根，抗浮力为321 030 kN；锚杆4布置区域为土层和岩石结合锚杆，长10 m，采用2φ25 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为180 kN），间距1.5 m×1.5 m，共216根，抗浮力为38 880 kN；锚杆5布置区域为纯岩石锚杆，长10 m，采用3φ25 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为280 kN），间距1.5 m×1.5 m，共3 607根，抗浮力为973 890 kN；锚杆6布置区域为纯岩石锚杆，长10 m，采用3φ25 mmHRB400（单杆抗拔力特征值为280 kN），间距1.4 m×1.4 m，共593根，抗浮力为160 110 kN；锚杆区总抗浮力为2 031 210 kN。其平面布置如图1所示。

图1 基础锚杆分区布置示意

2.3 结构设计概况

地下室底板厚1 200 mm；其余-4F～±0.00 m层厚120 mm（局部150 mm）；地下室墙板厚度（除人防区域：-4F～-5F为600 mm；-3F为500 mm；-2F为400 mm；-1F为300 mm外）均为600 mm；上部结构1#～2#及4#～7#楼为17层，3#为8层，均为框架-剪力墙结构。

混凝土强度：独立基础、地下室底板及与之整浇的承台、地梁（包括上翻的高300 mm外墙）采用C30 P8；-5F～-3F外墙为C30 P8（内掺改性聚丙烯抗裂纤维）；-1F～-2F外墙及地下室顶板为C30 P6（内掺改性聚丙烯抗裂纤维）；地下室中间楼层及室内区域顶板梁板采用C30（人防区域的梁、板则为C35）；构造柱、圈梁混凝土强度C20。后浇带混凝土用膨胀水泥配置，混凝土强度等级为C35。地下室填充墙：采用MU10烧结页岩多孔砖，M7.5混合砂浆砌筑。

3 工程实施

3.1 工程（抗拔）桩施工

工程桩基为φ600～1 200 mm钻孔灌注桩，下伏基岩层为砂岩或安山岩等，局部岩面埋深及强度变化较大，施工难度很大；同时设计要求的垂直度、沉渣、桩位偏差等技术要求高，对施工机械和钻具要求非常高。

对于持力层为粉砂地层或桩径不大于700 mm的入中风化安山岩的桩采用11台GPS-10型钻机及3台SWDM25型旋挖钻机；对于需入中风化安山岩且桩径大于等于800 mm的桩采用14台CZ-30（Ⅱ）型CZ-30型冲击桩机；对于大直径桩成孔可采用上部钻孔下部冲击分机分段或先小径前导再扩径的成孔工艺，加快成孔速度。

质量控制：桩中箍筋及加劲箍筋均采用搭接焊，焊接长度不小于10d；桩浇筑混凝土之前，应清理孔底沉渣，其厚度应小于50 mm；桩主筋保护层厚50 mm；桩尖进入持力层深度大于1d。

3.2 抗浮锚杆施工

根据地质资料结合本工程基坑挖深大的特点，为了避免土层锚杆施工过程中锚杆孔颈缩、坍孔，土层锚杆采用锚杆钻机、气动潜孔锤配套跟管钻具全套管钻进成孔；岩石锚杆采用锚杆钻机、气动潜孔锤钻具冲击钻进成孔。循环介质为压缩空气，可有效避免冲洗液对锚杆围岩、基坑土体的不利影响。锚杆在规定长度内入岩按2倍长度计入总长，不同岩层处分界线按实际取样为准。

该工程锚杆分区块设置，终孔直径为150 mm；锚杆注浆采用水泥材料强度等级为P.O 42.5，水泥砂浆强度不小于30 MPa，细石混凝土强度不小于C30。

质量控制：锚杆定位误差不大于5 cm，垂直度偏差不大于1%，主筋与底板连接处采用刷柔性材料防腐处理，主筋需接长时，采用直螺纹套筒对接，对接后抗拉强度应不小于钢筋的抗拉强度。

3.3 结构工程质量

该项目地下室及主体工程施工过程控制严格，结构中间均一次性通过验收，并已经申报杭州市“西湖杯”结构优质工程。

4 成效检测

4.1 抗拔桩检测竖向拉拔试验

抗拔桩试验采用单桩竖向抗拔静载试验，试验数量为总抗拨桩的1%，即11根（试验时抗拔荷载逐级作用于桩顶，桩顶上拔量慢慢增大，最终可得到单根试桩荷载）；检测数据如下[试桩编号/设计抗拔特征值（kN）=实测抗拔力（kN）]：600CK/600=630；700CK/700=725；800CK/800=/820；900CK/900=910；1000CK/1000=1040；1100CK/1100=1130；1200CK/1200=1240；600AK/600=620；700AK/700=730；800AK/800=820；1200AK/900=920。根据现场试验数据结果表明，该工地抗拔桩竖向抗拔力均能满足设计要求。

4.2 抗浮锚杆竖向拉拔试验

抗浮锚杆进行了竖向抗拔试验，试验桩数581根，占锚杆总数的5%（试验采用慢速维持荷载法，利用基坑底板垫层及小钢板提供反力），具体检测数据如下：锚杆1区（实测锚杆126根）抗拔力＞195 kN；锚杆2区（实测锚杆173根）抗拔力＞195 kN；锚杆3区（实测锚杆60根）抗拔力＞420 kN；锚杆4区（实测锚杆11根）抗拔力＞270 kN；锚杆5区（实测锚杆181根）抗拔力＞420 kN；锚杆6区（实测锚杆30根）抗拔力＞420 kN。

根据现场检测数据结果，该项目抗浮锚杆单锚杆竖向抗拔力均能满足设计要求。

4.3 地下室结构体沉降测量

按设计要求设置了32个沉降观测点，在每完成一结构楼层后即对建筑沉降情况进行观测，并做好观测记录，到目前为止累计观测18次，从观测结果显示，地下室及主体结构施工期间，累计沉降量量大值为-13 mm，最小值为-8 mm，最大沉降差为5 mm，整个结构工程基本处于沉降均匀稳定状态，未出现上浮状况。

5 结语

在地下超大深空间结构工程建设时，如遇地基复杂多变、土层软硬交替、多层组合、厚度变化大、分布不均匀、地形地貌多样，且地下藏水丰富的复杂地基条件下，采用单纯结构自重或加抗拔桩等抗浮措施往往难以达到理想的抗浮效果，且造价昂贵；若充分利用抗浮锚杆布置灵活、锚固效率高、有利于底板均匀受力、可减少底板厚度等特点，依据具体的地质水文条件，综合考虑各个方案的相互影响，而采取建筑结构自重+抗浮锚杆+抗拔桩相结合的成套抗浮技术方案，方能取得多赢效果。从背景项目沉降观测结果可以看出，应用成套抗浮技术处理在复杂地基基础上的超大深地下空间结构抗浮问题是可行的[5-8]。