建筑工程载水减浮新技术探索

黄俊光，李健斌，李伟科，李 磊，张 恒

（1、广州市设计院集团有限公司 广州 510620；2、广州建筑股份有限公司 广州 510030）

0 引言

随着沿海地区经济的高速发展，城市土地资源的利用需求增大，临江滨海的建筑工程项目增多。对于滨江（海）建筑工程，地下水浮力是其设计施工需要重点考虑的因素，重视建筑结构抗浮设计以避免过大水浮力对结构造成不可逆的破坏，换而言之，合理的结构抗浮设计是确保滨江（海）建筑工程安全的关键。

结构抗浮方法按抗浮方式可分为2 类：①增加结构抗力，即以“抗”为主的方法［1］，如设置抗浮桩（锚杆）等，如表1 所示。目前此类方法在工程中应用最为广泛，然而随着地下结构深度和广度的增大，地下水荷载剧增，项目成本、工期均显著提高。同时此类抗浮设计措施保障下仍发生地下室上浮的情况时有报道，如深圳宝安中旅大酒店地下室最大隆起160 mm［2］、广东佛山永丰大厦塔楼与裙楼内庭地下室顶板最大上拱213 mm［3］、江苏利港电厂废水处理滞留池上浮263.5 mm［4］、海口市梦幻园商住小区裙楼地下室基础上浮4 500 mm［5］等。②以“排”为主的主动排水减压抗浮方法［6-9］，如表1所示。此类方法通过排水降低设计水位，减小作用在结构底板上的水荷载。水位降低常通过底板下设置疏水层、减压井、地下结构四周设置排水廊道等手段实现。相比于以“抗”为主的抗浮方法，以“排”为主的方法降低了作用在底板下的水压力，可一定程度上取消或减少抗浮桩（锚杆）、减少侧墙和地下室底板的厚度和配筋，其成本低且工期短。随着对排水减压抗浮方法认识的加深，越来越多的地下结构采用此类抗浮方案。如广州保利世界贸易中心［10］（地处广州海珠区，位于珠江与黄埔涌之间），设2 层地下室，占地面积约7.5 万m2，场地主要地层为砂层，与外江（珠江或黄埔涌）相通。抗浮方案采用15口直径1.0 m 的减压井，用管连通各井，地下室内地下水位降至底板底，并由水泵抽走。新加坡环球影城［11-12］和深圳福田综合交通枢纽南北配套设施［4，13］均采用砾（碎）石疏水层+盲沟+集水井的方式实现排水减压。

表1 结构抗浮方法及适用情况Tab.1 Structural Anti-floating Method and Its Application

需要指出的是，现有主动排水减压抗浮方法多将地下室内地下水位降至底板底，其所需排水量大，对排水系统长久性能可靠性的要求较高，排水结构极易出现因大流量冲蚀损坏的情况，同时地下水的大量排泄不利于对周边环境的保护，且结构自身的抗浮能力未得到较好的发挥。针对滨江（海）透水砂层低层建筑，自身难以满足抗浮设计要求，但其结构荷载相对较低，且基底地层的承载性较好，传统抗浮桩（锚杆）设计方案成本高，实际上一旦解决了抗浮问题，就具备取消灌注桩基础的条件。从工程安全和成本的角度综合考量，考虑既有施工条件倘若适当降低地下室抗浮设计水位，减小地下水荷载，减少甚至取消用于抗浮、承载的桩基础，直接利用天然地基是否能满足工程设计要求？这样既能保证工程安全，又能较好地控制成本、缩减工期，同时也可为工程提供更加灵活机动的施工组织方案。

基于此，本文借鉴前人的研究成果，首创“载水减浮”地下结构抗浮技术，搭建集地下水疏导、排泄、观测等功能的“载水减浮”系统。借助疏水、泄水等技术自主控制水位自溢泄流消除部分水浮力，充分利用主体结构自重、覆土自重等有利荷载，抵抗超出部分水浮力；利用支护结构的止水系统，控制整个底板下方保持恒定抗浮水位，以达到地下结构载水条件下大幅减少浮力的效果；同时结合自溢泄压、正负压冲洗、健康监控系统，“载水减浮”新技术最大程度实现依靠结构自身抵抗地下水浮力的目标，满足安全可靠、环境保护的要求，贴合绿色建造、高质量发展的战略思想。相关研究成果将为后续类似建筑工程的抗浮设计提供技术支撑，具有重要的工程指导意义和推广价值。

1 载水减浮新技术设计原则及设计思路

1.1 设计原则

①满足抗浮稳定性的要求；②地下室底板不应发生强度破坏；③控制降水引起的地基沉降，不应对邻近建筑物或重要管线造成使用安全事故；④截水设计应控制因渗漏而引起的水土流失；⑤抗浮结构使用期限为50年。

1.2 载水减浮系统设计思路

载水减浮系统由“截、堵、疏、泄、排、感、修”七部分组成，包含止水帷幕、疏排水结构、连接管、集（排）水井、水位观测管、排水泵等。①截：通过在地下结构周边设置止水帷幕以形成截水系统，降低涌水量，减少排水对周边环境的影响；②堵：对地面、肥槽等进行密封堵塞，阻止外部雨水下渗至主体结构抗浮区域；③疏：通过在结构底板下满铺强透水碎石疏水层及纵横盲沟疏导底板下地层渗水；④泄：通过在特定区域均匀设置泄水点，降低地下水水头，减小作用在底板的上水荷载，实现对底板的均匀泄压；⑤排：通过泄水管道穿过底板引出排水盲沟中流通的有压水，由室内管线的布置高度控制整个系统的抗浮水位（该水位高度较开挖降水水位高），继而实现稳定减压，自溢排至室内集（排）水井，集（排）水井结合主体布置，无需占用多余位置，通过井内传感器配合自动控制柜启停潜水泵将水抽离地下室，形成疏排水系统；⑥感：配备智能健康监控系统，实时监测底板下的水压力分布，以辨识疏排水管道的淤堵情况；⑦修：搭配正负压反冲洗保养系统，确保整体的耐久性和可修复性。

2 载水减浮系统设计

2.1 综合抗浮系统的创新

首先，验算地层的承载力和结构的抗浮能力，结合计算分析和抽水试验的现场水位、抽水量观测数据等，探究施工引起滨江（海）透水地层基坑渗流场的变化、止水帷幕的截水效果及各地层中地下水的联通情况；综合考虑抗浮、人防、可修复等要求，设计布置疏水、泄水管网，载水减浮系统如图1、图2 所示，具体工序如下：

图1 综合抗浮系统剖面Fig.1 Section of Integrated Anti-floating System

图2 综合抗浮系统平面布置Fig.2 Layout Plan of Comprehensive Anti-floating System

⑴ 开挖至设计基底标高后，采用人工再超挖450 mm土体，按设计图纸预留并设置集水井；

⑵铺设级配碎石疏水层和排水盲沟

①沿坑底地基土表面整体连续铺设过滤地下水的土工布（透水性≥0.25 L/s）；铺设连续的碎石疏水层，厚度为300 mm；

②碎石垫层铺设过程中，按平面设计图铺设排水盲沟，在盲沟中埋设盲管形成完整的排水系统，通过不锈钢导管将盲管中的地下水引至集（排）水井中；排水盲沟分主盲沟和次盲沟两种，盲管采用钢塑管，也可考虑曲纹网状PE硬式透水管。

（3）碎石层上铺设厚150 mm 的中粗砂层，中粗砂与素混凝土垫层接触面间设土工薄膜，以上步骤施工完成后，进行底板垫层施工；

⑷垫层上面铺设厚700 mm 的C35 结构底板及厚150 mm 的建筑面层；按设计图在集水井预留位置浇筑集水井，水泵位于集水井内，各集水井之间通过面层明沟连接。集水井兼为检修井，井内设检查梯，井口设井盖；

⑸设计布置抽排水管道的走线，经自溢排水装置流向集水井，为减少“虹吸”效应的影响，泄压管道上方开通气管；

⑹通过集（排）水井内的传感器及自动控制电路掌握水压变化，当井内水位达到预设限值时，排水泵启动排出井内的水，直至水位回落至安全值时停止排水；

⑺为实时掌握底板下的水压力情况，在不影响使用的部位设置适当数量的水压监测点，设置透明的φ20 mm 水位观测管，水位观测管一般紧贴柱或墙。地下水位长期观测系统监控泄水减压效果，出现问题能及时发现。

2.2 综合抗浮系统成本对比

①取消或减少抗浮桩（锚杆）及承载的桩基础，减少地下室底板、侧墙厚度和配筋，减少基坑开挖深度；②减少工期；③增加筏板费用；④增加肥槽封闭费用；⑤增加排水措施费用；⑥增加排水监测措施费用；⑦可能增加部分地基处理费用（旋喷桩）；⑧可能增加部分抗浮锚杆费用。

2.3 综合抗浮系统探讨

针对采用创新综合抗浮系统仍不足以较好解决抗浮问题的情况，可考虑组合抗浮法和局部地基加固的结合，通过局部地基加固，并将载水减浮新技术与以“抗”为主的被动措施（抗浮锚杆）结合，实现主、被动抗浮措施功能互补，降低成本的同时，提高工程安全度和可靠度。

3 结论及建议

⑴集地下水疏导、排泄、观测等功能的载水减浮系统，最大程度依靠结构自身抵抗地下水浮力，实现经济和安全的平衡，建议广泛推广至各类地层，特别是对于滨江（海）透水砂层低层建筑，其解决了滨江（海）强透水环境下造价高工期长不耐久的抗浮难题。

⑵载水抗浮设计可自主控制水位自溢泄流消除部分水浮力，利用主体结构自重、覆土自重等有利荷载，抵抗超出部分水浮力，一般保留负一层底板高度的水压力，所需排水量小，对排水系统长久性能可靠性有保障，且有利于对周边环境的保护。

⑶综合抗浮系统相较于传统抗浮桩（锚杆）方案，其成本低、工期短；相较于一般主动排水减压抗浮方法，其环境影响小、可靠性和耐久性高，且可修复性；特殊情况下，可考虑组合抗浮法和局部地基加固结合使用。