超深超大地下室静水浮力释放系统设计研究——以福州仓山区某工程为例

陈 翔 黄典宏 胡贤忠

(福州国伟建设设计有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着城市用地紧张，建设单位为充分利用土地，如解决停车场所、地下用作商铺等，地下室普遍做得很大很深。按照福建省《建筑地基基础技术规范》(DBJ13-07-2006)第10.6.5条，抗浮水位一般取场地整平标高埋深0.5m考虑，地下室部位抗浮问题十分突出。地下室竖向平均荷载不大，很大部分基础处于超补偿状态，这样一个类似大船的结构座落于含水层，抗浮稳定性自然成为设计一个关键的问题。此类问题一般做法有增加配重、增设抗浮锚杆(或抗拔桩)，明显带来土建造价和建设工期等问题，特别是地下室埋深较深时(如超过9m)，抗拔桩数量明显增长，底板厚度也明显加厚。

福州地下室开挖范围内土基本是渗透系数很小的淤泥或淤泥质土，为此可利用上层滞水渗透到地下室底板时间长的特性，可采取一定的措施将地下室底板静水压力予以释放，可有效降低地下室抗浮水位，从而少布或不布抗拔桩，减少地下室底板厚度。这将会节约造价，减少施工工期，并且收集的地下水可二次利用，是一个很好的绿色技术设计。

1 静水浮力释放系统设计原理

此释放系统尤其适用于：

①地下室围护结构有止水帷幕时，止水帷幕设计应符合《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[1]及相关规定，基础下方必须有厚度大于2.0m且渗透系数k≤10-5cm/s的粘性土层、粉质粘性土层；

②地下室围护结构无止水帷幕设计时，室外地面至底板下方2m必须全部为渗透系数k≤10-5cm/s的粘性土层、粉质粘性土层。计算的渗流水量Q必须小于等于0.03m3/m2/d。

此静水浮力释放系统工作原理[2]：地下水通过铺设在碎石层以下土工布的过滤层进入碎石层，碎石层与底板之间也铺设防水层，碎石层中地下水通过包在PVC滤水管外的土工布进一步过滤，然后进入滤水管顺着管子流入集水井，最后通过抽水泵将地下水排出基础底板之外。这样地下水产生的上浮力对基础底板的压力被大大地释放减弱，基础底板处于动态平衡之中。

本文以福州某实际工程为例，探讨此释放系统设计，如图1所示。

图1 释放系统示意图

2 工程实例

2.1 工程概况

该工程位于福州市仓山区盖山镇，上部为5层的商业楼，地下为满铺地下室3层，地下建筑面积约120万m2，基础面位于约建筑标高-13.9m。地下室底板座落于第③-B层淤泥夹薄层粉细砂层(其渗透系数1.5×10-6cm/s)，如图2所示。

图2 地下室周边止水帷幕、回填隔水

地下水主要为赋存于杂填土内的上层滞水。按“地勘”所提的抗浮水位，结构物承受较大水浮力及基础底板承受较大的水压力，压力达到125.5kPa。为合理解决地下水浮力可能带来的问题，地下室周边均采用隔水材料，拟采用“静水浮力释放系统”。

2.2 确定基坑周边止水帷幕插入基坑深度

根据基坑支护设计图纸，取止水帷幕插入地下室底板底4m。水头高度为罗零5.5m，底板底标高为罗零-7.15m。进行FDM计算分析如表1所示。

合理利用止水帷幕，考虑地下水水平和竖向渗流，延长地下水渗透路径长度，可有效降低底板抗浮水位。地下室底板设计时在此分析的基础上取2倍安全系数，即按2m水头作为抗浮水位。

2.3 基坑渗流水量计算

2.3.1参照“基坑规程[1]“按大井降水进行计算

Q1=Q/A=0.0001m3/m2/d

2.3.2经验公式

对下室外墙与地下室侧壁范围间的环形空间范围内储存的地下水量进行估算，其最大涌水量可按0.10倍的环形空间体积进行估算。渗流量在此基础上按20%考虑[3]。

Q1=0.004512m3/m2/d

2.3.3FDM仿真分析

最大单位面积渗流量Q1=0.0022m3/ m2/d，计算如图3～图5所示。

表1 FDM分析确定止水帷幕深度和底板水压力

2.3.43种分析均符合最大单位面积渗流量≤0.03m3/ m2/d的设计要求

2.4 静水浮力释放后基坑外围地下水泄降影响分析

该项目所在地层几乎均为弱透水地层及近似不透水地层，依据细颗粒土壤地层建筑物基底降水影响，基底外围影响范围可依据Sichart Method进行分析，水位泄降面可依据Hyperbolic Model进行模拟[2]。

图3 分析用断面

依据等效地层选用断面进行分析，在止水帷幕及隔水材料确实施工条件下，采用静水压力释放系统解除地下水浮力时，外围地下水位影响水平距离27.62m，离开挖面3m位置水位泄降高度<10cm ，小于勘察期间最高水位高程与近3～5年最高水位高程变化量3.0m，可视为对于区块外围地下水位高度没有影响。

2.5 颗粒流动淤积分析

基底为第③-B层淤泥夹薄层粉细砂层，组成颗粒粒径以5μm～425μm 为主。依据以Stokes’s law计算0.01mm的土壤颗粒自然沉降速度约为0.09mm/s；勘察透水试验所得地下水动态渗流压等化流速6×10-5cm/s=6×10-4mm/s，小于土壤颗粒自然沉降速度，不会造成流动淤积情形。

2.6 疏排水系统和应急系统设计

依据上述计算的渗水流量，结合地下室集水井位置，疏排水系统按以下原则[2]进行设计，①透水系统过滤层渗透系数应≥10倍基底土层的渗透系数，②透水系统导水层最大流量应≥10倍×透水系统过滤层入渗水量，③集水系统的流量应≥10倍×总入渗水量，④出水系统最大流量应≥10倍×设计时预估的总入渗量。具体做法如图6～图9所示。每1000m2在靠近建筑墙处设置水位测管(图8)，在集水井处应设置备用的反冲洗装置，其功能为排除管路阻塞情形；这个U形监测管具有超过一定水位后自动泄水功能，保证地下水位在设计允许范围内(图9)。集水井水泵具有自动启动装置，且配有双电源。

图4 A断面数值分析结果

图5 B断面数值分析结果

2.7 施工

勘探完成后对可能构成安全隐患的勘探孔或基坑施工中的降水、减压井，应采用粘土球或水泥砂浆液进行封孔[4]。土方开挖中，基础底板机械开挖至设计标高时，应保留30cm左右高度的土方，采用人工开挖，以保证基坑底土层未被扰动破坏，达到原状土质量；若开挖超过标高，用碎石或砂填平、振实，不能用松土回填。

图8 测管大样

图9 基坑内泄水管与反冲洗设备

土工织物[5-6]铺设时，①当基坑开挖至设计标高后，对基坑及盲沟表面进行拍实处理(拍实工具可用自制工具进行)；②土工织物铺设时，基底内不得有积水，避免在雨天施工且做好施工组织设计，保证土工布随用随铺及时覆盖，防止紫外线照射。

施工碎石滤层时，注意以下2点：①碎石在基坑内平面驳动时，必须在设置的脚手板上行走，不得在碎石上直接拉车行走；②碎石铺设时，应用手推振动器来回振平、振实。

浇捣混凝土前，在碎石层上部铺盖聚乙烯保护膜后浇捣混凝土垫层，防止混凝土中浆水流入碎石层，堵塞地下水流通道，现场施工照片如图10所示。

图10 现场施工照片

3 结语

该项目竣工投入使用多年，地下室运营正常，地下水实际渗流量小于计算值。在低渗流量的土层中采用静浮力释放系统，可有效节约造价和加快施工进度，且收集的地下水可作为绿化浇灌使用，属于一种合理的绿色技术设计。释放系统在建筑物设计使用周期内主要满足以下设计内容：

(1)合理确定基坑止水帷幕插入深度，用FDM计算分析确定底板水压力；

(2)合理确定地下水渗流量、疏排水布置、基坑泄水管和反冲洗的应急措施等；

(3)设计文件应明确施工注意事项。