采用排水限压法的既有工程抗浮治理研究

高明宇， 谭光宇， 方伟明， 贺 文， 陈建城， 谢 丹

(中机国际工程设计研究院有限责任公司， 长沙 410007)

0 概述

在工程实践中，因地质勘察单位提供的设计抗浮水位不准确，抗浮设计或施工等原因导致抗浮措施不满足要求，以及极端气候条件下的暴雨或洪水等原因，将会导致地下室在建成后发生抗浮失效现象[1-2]。

既有工程抗浮失效分为两类：1)地下室抗浮稳定性失效，表现形式为地下室整体浮起，地下室底板与地基持力层全部或部分脱离；2)地下室局部抗浮失效，表现形式为地下室底板下的抗浮措施局部失效，地下室底板隆起、开裂、渗水。

既有工程抗浮措施失效且可能产生更进一步危害时，应及时采取临时抢救措施，防止危害进一步扩大，避免工程结构造成更大的损坏，也可减少后续加固处理的难度[3]。可根据项目具体情况，采取以下临时应急措施：1)隆起变形较大的区域，宜采取降水、泄压措施；2)封闭地面裂缝，并设置截水、排水设施，防止地表水下渗；3)条件允许时宜增加上部荷载；4)对既有结构进行临时支撑。以上临时应急措施也可作为后续施工甚至是治理措施的组成部分，在选用时可兼顾使用。

1 既有工程抗浮治理方案

既有工程抗浮治理方案制定时，应分析抗浮失效的原因，并考虑下列因素：1)既有工程抗浮结构或构件的开裂、变形情况；2)新增抗浮结构与既有抗浮结构的受力关系及加固有效性；3)工程使用功能改变的合理性和施工的可行性；4)工程长期运行维护的可持续性。

对既有工程抗浮治理，可采用以下措施：1)对较大隆起变形区域的尚可利用的既有抗浮结构和构件，宜在卸压后采取预应力锚固措施[4]；2)对发生较大隆起变形或开裂区域，宜采用限压法、增重法和锚固法等组合方案进行抗浮；3)宜采用新增结构与既有结构共同受力的联合体抗浮体系，并增加协同工作的辅助措施；4)既有抗浮结构及构件承载力不满足要求时，宜在其邻近位置增补协同作用的锚固构件。

2 工程案例

2.1 工程概述

本项目地上由一栋23层、高度86.20m商业综合体和6栋二层商业裙楼组成，地下二层。±0.000标高处的绝对标高为40.9m，地下室底板板面标高31.05m。地下室平面狭长，位于地块地势最低点(图1)。地块最高点在场地东边，马路东端中线标高54.42m；地块最低点在西南角，马路西端中线标高38.86m。

图1 场地标高图

地下室底板为无梁防水板，板厚400mm。塔楼基础为人工挖孔桩基础，桩径900～1 600mm，桩长6～20m，混凝土强度等级C30；裙楼及地下室采用独立柱基，独立柱基同时满足防水板冲切要求。裙楼及地下室不满足整体抗浮的区域，均设置抗浮锚杆，锚杆孔径150mm，抗拔承载力特征值168kN。

2.2 水文地质条件

2.2.1 地层及岩性特征

根据钻探揭露，场地内埋藏的地层特征自上而下分叙如下：

①填土：褐黄色、黄色，稍湿，松散～稍密状，主要由黏性土、板岩风化岩块新近回填形成，未完成自重固结，揭露厚度0.50～7.60m。

②粉质黏土：褐黄色，湿，可塑，局部呈硬塑状态，揭露厚度0.8～3.5m。

③全风化泥质板岩：褐黄色，极软岩石，泥质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育；场区大部分布，揭露厚度约0.60～7.70m。

④强风化泥质板岩：褐黄色，褐红色，泥质结构，厚状构造，岩芯以块状为主，柱状，角砾状次之；全场地分布，该岩土层钻孔揭露的一般厚度2.50～13.40m。

⑤中风化泥质板岩：黄灰色、灰色，为软质岩石，岩芯呈短柱状，大块状、碎块状，节理裂隙发育；本次勘察未钻穿该层，最大揭露深度22.57m。

本项目场地典型地质剖面见图2。

图2 典型地质剖面图

2.2.2 水文地质条件

勘察过程中，场地部分钻孔见有零星上层滞水，主要赋存于①填土中。场地内地下水主要由大气降水的补给，水位变化因季节而异，水量一般不大。勘察期间为枯水期，上层滞水未形成统一水位。地下室抗浮设计水位取37.80m。

2.3 抗浮措施及失效过程

原设计对裙楼及地下室整体抗浮或局部抗浮不满足要求的区域，设置抗浮锚杆；塔楼区域和上部结构自重能够满足抗浮要求时，则采用自重抗浮。

地下室施工完成并封闭后浇带后，在柱跨较大的独立柱基周边发现裂缝，根据裂缝形态分析得知，这些裂缝为承载能力不足产生的裂缝。经核对设计图纸，此区域自重满足抗浮要求，原设计未设置抗浮锚杆。但该跨因柱距较大且柱网不规则，地下室底板承载能力裕量较小，当实际抗浮水位超过设计抗浮水位时，首先破坏。通过增补抗浮锚杆的方式对该区域进行补强(图3)。

图3 局部增补抗浮锚杆示意图

锚杆加固完成三个月后，一场暴雨使其他区域的地下室底板沿独立柱基周边出现裂缝。裂缝的再次出现分析其原因，并不是局部的施工质量问题，而可能是系统性因素导致的。在裂缝原因未找到之前，仅仅针对开裂区域进行补强无济于事。

2.4 抗浮失效原因分析

(1)对结构专业施工图抗浮锚杆及地下室底板进行复核，确认其设计满足规范要求。

(2)对地质勘察报告进行核对，地质勘察报告建议的抗浮水位为37.80m，比±0.000标高低3.100m。初步判断为抗浮设防水位偏低。通过对暴雨后的地下室周边地下水的分布进行调研，确认地下水位接近地面标高。

(3)对项目周边地势进行调研，其北侧地势较高，比该项目±0.000标高高出13.52m。项目位于周边地势最低点处，大量雨水通过地表下渗，壅积到地势低洼的地下室周边，导致地下水位远高于设计抗浮水位。该地块一期地下室底板最低点标高41.100m，与本项目地下室紧邻，本项目地下室底板板面标高为31.700m，高差9.4m，对地下室抗浮极为不利(图4)。

图4 地下室剖面高差示意图

(4)场地岩层分布为填土、粉质黏土、全风化板岩、强风化泥质板岩、中风化泥质板岩等。除填土外，其余地层均为弱透水层，地层中并无统一水位。但地表水下渗以后，弱透水层无排泄通道，逐日积累，导致地下水位壅高。

通过以上分析可知，本项目抗浮失效主要原因是地质勘察单位提供抗浮设防水位时，对项目所处的低洼地势以及地表水下渗的影响估计不足，导致其提供的抗浮设防水位偏低。

2.5 处理方案选择

对于地下室抗浮失效，常规的方案有以下几种：

(1)底板增设配筋面层：在地下室底板板面设置一定厚度的混凝土面层，配置单层双向钢筋网。这种方案需占用地下室净高，适用于整体稳定性满足要求，但地下室底板局部抗浮不满足要求的项目。

(2)增设锚杆法：在抗浮承载力不足之处，增设锚杆也是一种常见的处理方法[5]。但这种方法施工难度较大，地下室层高一般不高，施工设备难以展开，且需在底板开孔，锚杆施工完成后封堵孔洞，容易形成渗漏点，一般需要在底板上设置疏水层。

(3)排水限压法：地下水具备自行排泄条件的工程可采用盲沟、排泄沟等自流排水限压；地下水不具备自行排泄条件时，可采用盲沟、集水井、降水井等抽排水限压。排水限压法优势是经济性好、施工简单；缺点是设计原始资料比较缺乏，需要对周边地形地貌、水文地质条件等进行大量的调研，并需要长期的运行维护和监测。

经分析本项目的水文地质条件及方案实施的可靠性、便捷性等综合因素，决定采用排水限压法作为抗浮补救措施。原因如下：

(1)项目地质条件好，无圆砾、细砂等强透水层。除填土层外，均为弱透水层，且土体中上层滞水并未形成统一水位。

(2)地下水壅积主要原因是地表水下渗，但本地块为商业建筑区，大部分地表均做了硬质铺装，地表水可通过排水管网排走，地表水下渗量并不大。

(3)地下室底板垫层标高31.10m，设防抗浮水位37.80m，室外地面标高40.800m，实际水位与抗浮设计水位的差值较小，采取一定的降低水位措施，能满足设防要求。

(4)地下室单层面积3.3万m2，采用加固措施或增设锚杆代价较大。

2.6 排水限压法设计

本项目抗浮失效发生的时间为2015年，当时没有规范对排水限压法做出规定。即便是2019年版《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ 476—2019)发布之后，也只是明确了一些方法和构造，并没有对计算做出规定，如地下室渗水量、盲沟、集水管、集水井的计算等。

采用排水限压法设计，要对雨水渗流水量进行估算，并考虑区域土体的渗流量以及水泵数量计算等。

2.6.1 雨水渗流

雨水一般通过绿地、透水铺装地面、浅沟与洼地、浅沟渗渠、渗透管沟、入渗井、入渗池、渗透管-排放系统等方式入渗。

雨水渗透量可根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB 50400—2006)[6]的公式计算：

Ws=αKJAsts

式中：Ws为渗透量，m3；α为综合安全系数，一般可取0.5～0.8；K为土壤渗透系数；J为水力坡降，一般可取1.0；As为有效渗透面积，m2；ts为渗透时间，s。

需要指出的是，并不是区域内的地表水都会下渗。雨水产生的径流大都是有组织排水，排至雨水管网以及屋面、道路、硬质铺装等硬化地面。因此，在计算有效渗透面积时，应扣除有组织排水的区域范围。

2.6.2 渗流量

区域内雨水因场地高差会通过土体向地势低的洼地渗流。渗流量可根据下式估算：

式中：q为渗流量，m3/s；k为渗透系数，m/s；A为渗流通道的截面面积，m2；h为地下水位差，m；L为渗径长度，m。

应根据地质条件判断土体的透水性，当地下室处于弱透水层时，渗流通道主要是地下室肥槽及底板垫层下的扰动土体。

渗流量q与地下水位差h成正比关系。地下水位差受区域地势的影响，难以改变；但是可以通过控制本项目的抗浮设防水位来降低水位差，以减小地下水渗流量。

2.6.3 改进的排水限压法

通常的排水限压法，直接在地下室底板或集水坑开孔，地下室外侧的积水直接流进集水坑，通过水泵排走。这种方案简单，但会导致以下问题：1)只要地下室外侧有水，就需要强排，排水量较大；2)对周边地下水位干扰较大，会形成漏斗形水位，周边建筑、地基、路面可能产生沉降；3)水位降低较多，导致水流流速增大，进一步导致微细颗粒被水流带走，形成水力通道。

针对以上问题，本项目抗浮治理采用如下措施[7]：在地下室集水坑侧壁开孔，并通过倒U形管将某一设定标高以上的地下水排出(图5)。

图5 倒U形管大样图

倒U形管顶部水平段标高设置为35.00m，比抗浮设防水位37.80m低2.8m，预留一定的安全余量，防止地下水位瞬间上升，水来不及排出；倒U形管顶部水平段标高比地下室底板标高31.10m高出约4m，位于控制标高35.00m以下的地下水，仍然留存在地下室外侧，使地下水位不致于下降得过低，同时也可降低渗流水位差和渗流流速，防止微细颗粒被水流带走。

集水坑中设置两台潜水泵，可自动启动，设备型号为80QW36-25-5.5，一台正常使用，一台备用。潜水泵排水能力满足减压设施全部发挥作用时的要求，抽出来的水排放至室外排水系统。同时配置水位自动报警系统，报警系统的信号直接连通消防控制值班室。

暴雨或洪水期地下水位快速上涨，是地下室抗浮最不利的时期。同时，暴雨或洪水期市政电源可能被破坏，导致区域停电。设计时考虑市政电源停电的不利影响，对集水坑的潜水泵配置应急柴油发动机和应急电源。

对地下结构周边地表进行清理，设置混凝土、硬质铺装等弱透水材料组成的封闭带或弱透水的黏土层，清理范围扩充至基坑肥槽边缘外1m。场地设置有组织排水的截水沟、排水沟，同时检查给水排水管道接口处的防渗漏措施。

通过上述综合措施，本项目已顺利运营6年，效果良好。

2.7 监测与维护

对既有工程采用排水限压法控制抗浮水位，是比较经济且施工便捷的方式，且对已建工程影响小；但缺点是需要长期的监测和维护，具体内容如下：1)对排水限压集水坑、自动潜水泵及电源、信号系统应进行经常性维护，设施一经损坏必须及时修复；2)将集水坑水位自动报警系统连通消防控制值班室，并安排人员值班，尤其是暴雨及洪水期，对集水坑中的淤积物应及时清淤；3)每5年应对集水坑侧壁孔洞进行透水灵敏度试验；4)安装自动水位记录仪，定期观测并记录地下室外水压。

3 结论

(1)对于抗浮失效的既有工程，应结合项目特点，分析水文地质条件、地势地貌等多种因素，选择针对性的解决方案。

(2)对地下水不太丰富、地表水下渗的地下室，采用排水限压法进行地下水位控制经济性好，对既有工程损伤较小。

(3)在集水坑中设置倒U形管控制地下水位，并合理设置排水控制标高，可防止地下水位被大幅抽排，还可降低渗流水位差和渗流流速，防止土壤中微细颗粒被水流带走，形成水力通道。

(4)排水限压法应配置应急电源和水位自动报警系统，防止极度不利状况发生。

(5)对采用排水限压法的工程，应定期监测和维护。