城市明挖法地下工程抗浮计算与安全系数取值探讨

吴 岗，杨伟良

（1.深圳市市政工程设计研究院有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳百勤建设工程有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

地下水对地下工程的浮力作用是最明显的一种力学作用。由于水浮力作用，导致地下空间结构发生整体上浮破坏或结构局部破坏的事故常有发生，关于抗浮稳定性计算以及稳定安全系数取值计算缺乏统一的认识，现行设计规范对抗浮稳定性验算规定都不全面，没有明确的设计表达式，或者没有系数取值的规定，给抗浮设计带来一定的困难。国内不少学者开展了关于抗浮稳设计相关方面研究，刘海燕等[1]通过地下粮仓室内缩尺模型注水模拟上浮试验，提出了回填灰土中地下粮仓浮力折减系数为0.86。刘海龙[2]从工程实例出发，分析了地下室抗浮设防水位的确定、抗浮设计及抗浮锚杆使用效果。刘博怀等[3]通过室内模型试验，研究了黏土地基渗水引起的建筑物基底浮力折减问题，发现了渗流对浮力折减的影响规律：浮力折减系数随着渗流水位的升高逐渐增大并趋于稳定。

上述学者提出的抗浮计算方法，部分可实施性有待进一步研究，简单抗浮计算复杂化，一定程度增加抗浮设计难度。本文讨论现行规范地下工程抗浮稳定性的计算公式及系数取值，结合工程案例提出城市明挖法地下结构工程抗浮稳定性的综合计算式及抗浮安全系数建议值。

1 抗浮稳定性计算现状

近年来，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，有的造成了较大安全隐患，有的造成不同程度的财产损失，引起社会各界关注和专业部门的研究，相关规范、标准也在补充和完善之中[5]。

《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ476—2019）第6.4.1条规定：计算区域地下结构底板刚性时，各区抗浮稳定状态应按式（1）进行计算确定。

式中：Kf——计算区域整体的抗浮稳定性系数；ΣW——计算区域总抗浮力标准值，kN；A——计算区域的底板面积，m2；ΣFf——计算区域地下结构底板所承受的浮力标准值总和，kN/m2。

《铁路路基支挡结构设计规范》（TB10025—2019）第8.2.8条规定：抗浮设防水位应考虑地下水补给和排泄条件、设计使用年限内历史地下最高水位并结合地方经验确定。抗浮稳定性可按式（2）计算。

式中：ΣW——槽型挡土墙自重、槽内静荷载、作用在踵板上的有效配重以及抗拔措施提供的抗浮力之和（kN），计算土体配重时，地下水位以下部分应采用饱和重度；Nw——地下水作用在槽型挡土墙上的浮力（kN），地下水位应采用抗浮设计水位；Kf——抗浮安全系数。

《地基基础设计规范》（DGJ08-11—2018）第12.3.2条规定：采用自重或桩基抗浮的地下建筑抗浮稳定验算。

式中：Ff——浮力设计值，kN；G——地下建筑物自重标准值及其上作用的永久荷载标准值之和，kN，不包括可变荷载；γf——自重抗浮分项系数可取1.05～1.1，当仅采用自重进行抗浮时不宜小于1.1；n——抗拔桩桩数；Rtd——单桩抗拔承载力设计值，kN；γb——浮力作用分项系数，取1.0；γw——水的重度，kN/m2，可按10kN/m2采用；Vw——地下建筑物排开水的体积，m3。

《市域快速轨道交通设计规范》（TCCES2—2017）第12.3.4条规定：结构应根据地质、埋深、施工方法、环境影响等条件，在必要时进行抗浮、整体滑移及地基稳定性验算。

《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31—2016）第5.2.1条规定：地下室抗浮稳定性验算。

当地下室自重及地面上作用的永久荷载标准值的总和不满足式上式的要求时，应有抗浮措施。

《水电站厂房设计规范》（SL266—2014）第5.2.3条规定：厂房整体抗浮稳定应按式（6）计算。

式中：γ0——抗浮稳定结构重要性系数，结构安全级别为Ⅰ级、Ⅱ级的厂房宜分别取1.1、1.05；ψ——抗浮稳定设计状况系数，宜取1.0；Ufd——浮托力作用设计值，kN；Usd——渗透压力作用设计值，kN；γd——抗浮稳定结构系数，宜取1.1；ΣW—含水重力的全部重力设计值之和，kN。

《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086—2015）第11.2.4条规定：抗浮锚杆应进行整体抗浮稳定验算，抗浮稳定安全系数可按式（7）计算。

《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838—2015）第8.1.9条规定：对埋设在历史最高水位以下的综合管廊，应根据设计条件计算结构的抗浮稳定。计算时不应计入综合管廊内管线和设备的自重，其他各项作用应取标准值，并应满足抗浮稳定性抗力系数不低于1.05。

《地铁设计规范》（GB50157—2013）第11.6.1条规定：结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定性验算。抗浮安全系数当不计地层侧摩阻力时不应小于1.05；当计及地层侧摩阻力时，根据不同地区的地质和水文地质条件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系数。

《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）第5.4.3条规定：建筑物基础存在浮力作用时应进行抗浮稳定性验算，并应符合下列规定：对于简单的浮力作用情况，基础抗浮稳定性应符合式（8）要求。

《泵站设计规范》（GB50265—2010）第6.3.7条规定：泵房抗浮稳定安全系数的允许值，不分泵站级别和地基类别，基本荷载组合下不应小于1.10，特殊荷载组合下不应小于1.05。

《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）第5.4.5条规定：承受拔力的桩基，应按式（9）、式（10）同时验算群桩基础呈整体破坏和呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力。

地下水浮力的确定以及地下结构的抗浮计算缺乏统一的认识，现行规范对抗浮稳定性验算中水浮力计算、抗浮荷载计算、抗浮计算公式的规定不全面，不明确。抗浮计算不统一，给抗浮设计带来一定的困扰。

2 地下工程浮力和抗浮力的确定

近几年由抗浮引起的几起工程事故，引发设计人员再次审视抗浮设计问题，如何做到抗浮设计安全可靠、经济合理是抗浮设计中难以把握的尺度。对浮力、抗浮力的取值须慎重。

水浮力和结构抗浮力是抗浮设计的两个关键因素。抗浮设防水位应该是住建局及相关部门在搜集该地区水文地质资料，具有代表性区域设置观测井，综合城市规划情况（城市水景、江河湖海等防渗处理措施等人为因素）的基础上给定[2]。

当地下结构处于渗透性很低的黏土层时，由于渗透过程的复杂性，黏土中基础所受到的浮托力往往小于水柱高度，浮力可作一定折减，但尚缺乏必要理论依据，很难确切定量[6]。

运营期间，抗浮设计水位要根据地下水补给和排泄条件、设计使用年限内历史最高水位并结合地方经验确定，不要直接采用勘察期间实测地下水位[7]。

由于抗浮设计贯穿项目全寿命周期，期间地下水环境是在不断变化中，为了确保使用年限期间抗浮安全，计算仍以经典的阿基米德定律为基础[2]，即地下结构工程的浮力等于设计抗浮水位以下工程部分的排水体积乘以水的重度［或者等于设防水位以下地下建（构）筑物底板底的设防水头乘以设防水位以下底板面积］。

抗浮水位的设定具有一定的经验性，施工期间应按常水位或施工期可能预见的最大水位考虑，正常使用期间的抗浮设防水位应结合城市防洪标准、工程区域水文地质及建构筑物重要性等级分级设定。地铁工程设防水位可同出入口防洪设防高程一致。

抗浮力除了包含结构自重、顶板压重之外，尚应考虑结构内部在使用阶段的永久荷载、抗浮措施荷载。

3 各规范的抗浮稳定系数规定

国内相关规范中，抗浮稳定性稳定验算一般采用单一安全系数法，抗浮安全系数取值不同规范存在差别，取值范围一般为1.0～1.2，如表1所示。

表1 各规范抗浮稳定系数取值

抗浮安全系数取值大小不仅涉及工程的经济合理性，更涉及工程安全可靠性。抗浮稳定安全系数允许值的确定，以泵房不浮起为原则[8]。对管道的上浮稳定，因为无论是地表水或地下水的水位，变异性大，设计中很难精确计算，因此条文给予了适当提高，稳定安全系数应控制在不低于1.10[9]。

结合以往工程设计经验，工程所处水文地质条件一般时，抗浮安全系数可取1.05，以确保地下结构不浮起，工程所处水文地质条件复杂时，抗浮安全系数可提高至1.1，并应开展抗浮专项设计及审查。

4 抗浮稳定综合计算式

现行规范计算公式不全面、不统一，抗浮抵抗力只计入永久作用，可变作用和侧壁上的摩擦力不需计入[9]。结合抗浮稳定性原理建议地下工程仅考虑自重和同时考虑抗拔措施情况下的抗浮综合计算式。

式中：Gk——建（构）筑物自重、压重及其他永久荷载标准值之和，kN；Ff——按照使用阶段抗浮设防水位或施工期临时水位计算的浮力标准值，kN；Tk——基桩、锚杆或结构侧壁的侧摩阻力抗拔极限承载力标准值；Gt——基桩自重、群桩或群锚基础中单桩（锚）等效桩（锚）土自重，地下水位以下取浮重度；n——抗拔桩或抗拔锚杆桩数；γf——静水压环境下水浮力分项系数，宜取1.0，水文地质条件复杂环境宜取1.1；γgf——自重、压重及其他永久荷载标准值抗浮稳定安全系数，宜取1.0～1.05；当仅采用自重进行抗浮时，不宜小于1.05～1.10；γtf——基桩、锚杆或结构侧壁的侧摩阻力抗拔安全系数，宜取2.0。

5 工程案例

某地下道路结构横断面尺寸10.5m×8.16m，顶板覆土1m，回填土饱和重度按照18kN/m3，抗浮水位取设计地面高程，采用桩径0.8m，长6.0m的钻孔灌注桩做抗浮桩，纵横向按6m等间距布桩，桩中心线与通道结构内墙重合，横断面上桩数为2根@6m，土层分布及桩侧土的极限摩阻力标准值见图1，抗浮稳定计算见表2。

图1 某地下道路横断面（含地质）

表2 抗浮稳定计算

本文提出的公式统筹抗浮作用中自重、覆土压重、抗拔桩等措施（其中道路铺装层可作为抗浮安全储备），明确各抗浮因素作用安全系数，具有综合性，可为工程技术人员参考。

6 结语

（1）对透水性地层，建议抗浮计算中的水压力采用静水环境中水浮力。当有承压水或渗流作用发生时，应考虑上述压力水头作用，适当提高或降低抗浮安全系数，开展抗浮专项设计论证。

（2）地下水作用作为地下工程的永久荷载，结合设计经验，其作用分项系数γf≤1.0。

（3）由于地下结构外侧地层的扰动，地层侧摩阻力发挥需要一定时间，且具体抗浮贡献值不可准确度量，发挥程度因不同环境变化较大，结合设计经验，可不考虑结构侧墙外侧地层侧摩阻力贡献值，仅作为地下工程抗浮的安全储备。

（4）施工期间应按常水位或施工期可能预见的最大水位考虑，正常使用期间的抗浮设防水位应结合城市防洪标准分级设定。地铁工程设防水位可同出入口设防高程一致。

（5）抗浮稳定系数根据建构筑物重要性等级匹配抗浮设防等级，正常使用阶段取值范围1.05～1.1，施工期间抗浮稳定系数≥1.0，且整个施工期不应停止坑内降水作业以保障抗浮稳定，尤其是雨季。

（6）增加抗浮储备的措施选择应综合比较增加压重、自重及抗拔桩（锚）等技术经济分析，并结合工程地质及工程自身特点择优选择。

（7）整体抗浮满足上述规定，但局部抗浮不满足时，可考虑提高结构刚度措施。