排水减压抗浮技术在大型基坑的应用

李湛钧

（华南理工大学，广东 广州 510630）

0 引言

近年来，随着经济的不断发展，建筑地下结构的基础深度不断增加，相同水位下其底板水压力也随之增大，由于地下结构的自重荷载一般小于土层自重，这就要求地下结构需要相应的抗浮设计[1]。如果不采取可靠的抗浮措施，地下结构底板将会由于无法承受水压力，发生隆起开裂，甚至会威胁到上部建筑结构的安全。案例基坑工程项目由于处于停建状态，而且现有的结构自重不足以抵抗现有水压力，如果直接进行肥槽回填，将很可能造成地下室的抗浮不安全。综合考虑该工程的水文以及地质情况，根据现场已有排水条件，选择采用钻孔排水的方法使其地下水位下降。由于项目场地的南边紧邻地铁，所以需要分析排水减压引起的周边位移沉降，判断排水减压是否会对该地铁造成结构安全影响。

1 排水减压法在地下结构抗浮的应用

1.1 地下结构抗浮设计的重要性

在有明显雨季的地区，若遇极端暴雨天气，当地建筑结构的实际地下水位可能超出设计最大水位，这就对其地下结构抗浮提出了更严峻的考验。有部分抗浮结构由于地下水位过高导致抗浮失效。如防城港市某工程地下室由于暴雨导致水位高出地表0.7m，地下室底板翘起最大值为82.5mm；广东佛山永丰大厦塔楼地下室地面由于抗浮结构失效，导致地表上浮213mm；江西赣州某员工宿舍因为多起暴雨导致地下室顶板最高被抬起292mm等。地下结构抗浮的失效，不仅会带来严重的经济损失，也会给地上建筑带来结构上的安全风险，因此进行可靠的抗浮设计显得尤为重要。

1.2 排水减压法的优势

目前，传统的地下结构抗浮方案有抗拔锚杆、抗拔桩、增加地下结构配重等方法，这类方案有成熟的理论体系，并在工程中得到广泛的应用。但随着地下结构规模的不断增加，传统抗浮方案的工程成本以及施工工期也急剧增加。同时，抗浮失效的事故多是由于地下水位过高引起。要想解决抗浮问题，要从问题源头，也就是从降低地下水位入手才是最有效的。相较于传统结构抗浮方案，排水减压法具有工期短，成本低的特点。它可以大幅减少抗拔桩以及锚杆的使用，通过减压井、排水廊道等方式，主动进行排水，以起到水位降低的作用。随着技术的发展，排水减压系统的耐久性问题在一定程度上得到技术上的解决。但同时，排水减压法相对传统抗浮法，需另外分析对周边环境的影响是否能满足设计要求，即水位下降是否会影响周边结构的安全。

1.3 排水减压法在地下结构抗浮中的应用

排水减压法已在多个工程项目得以应用，如在横琴口岸及综合交通枢纽开发工程项目，通过设置止水帷幕以及在周边布置敞口式大直径无砂混凝土减压井排水，降低水头，减小作用在结构底板上的荷载。采用排水减压技术后，正常条件下，对应地下结构的底板的抗浮水位从5.4m最低降至-8.5m；在龙滩庵泵站工程，通过双层地基减压井，使得水位低于建基面0.5m，满足所要求的降水深度。以上排水减压技术均在永久性地下结构进行，并且都是在原有结构基础上新设置排水结构或者止水帷幕进行排水。

2 工程案例

案例工程为临时性基坑工程，且在施工完地下室顶板并回填地下室南北两侧壁后停工缓建。项目场地的南边紧邻地铁，基坑长期不回填也可能对其安全造成一定的影响。但现有的结构自重不足以抵抗现有水压力，肥槽回填很可能造成地下室的抗浮不安全。在这种情况下，该项目采用排水减压方式进行处理，并在确保结构抗浮安全的同时，保证地铁的安全。

项目场地所在地为冲积平原地貌，现场地形比较平坦，整体呈现北东高，西南低的地势。据钻孔揭露，场地地层在钻探深度内按成因自上而下可分为：第四系人工填土层、第四系冲积层、第四系坡积层、第四系残积层及震旦系混合花岗岩。

地下结构占地面积32101.6m，长116.1m,宽276.5m；场地平均高程13.0m，地下室底板面标高为+1.0m，底板厚0.6m，地下室底板在砂层。实测地下稳定水位埋深为2.50~5.00m，平均埋深3.72m，标高为6.00~8.95m，平均标高为7.63m。地下室负一层南侧与地铁合建连接通道。现场如图1所示。

图1 项目现场

目前，三层地下室已经施工完成，南北两侧的肥槽也已经回填。地下底板的后浇带尚未浇筑，但后浇带下浇筑有钢筋混凝土垫层与素混凝土垫层。后浇带及肥槽分布如图2所示。按设计复核，要满足目前的结构抗浮安全，地下水位必须控制在负一层底板以下（+8.10m），如图3所示。

图2 后浇带肥槽分布图

图3 抗浮减压目标

3 排水减压方案设计

3.1 排水减压方案

依据现场实际工程情况，结合现有建筑以及周边水文地质情况，当前已有排水条件为地下室后浇带以及东西侧肥槽。后浇带底下浇筑了混凝土垫层，为使其排水通畅，需将混凝土垫层钻穿，沿各后浇带走向，每隔10m进行钻孔，孔直径150mm，孔底进入砂层不小于0.5m，排水孔平面布置图如图4所示。

图4 后浇带排水孔布置

通过正常使用和暴雨工况两种情况对场地进行有限元渗流分析。其中，将该工程在投入使用的大部分时间里，其所在区域较为稳定的地下水位的状态称为正常工况；将部分天数的降水量急剧增加导致剧增的地下水位的状态称为暴雨工况。

一般情况下，正常工况下的计算水位取自工程勘察时的水位；暴雨工况下，根据当地排水系统运行情况取淹没至地表为计算水位。

3.2 计算模型与参数

依据地形特点，通过拟合水位监测结果，经多次反复试算，确立如图5所示的计算边界：出口边界为BC段，正常工况水头取为6m，暴雨工况取为8m。DFE段作为入渗段；AF 段测定水头为11m，模拟北边高地的供水。西侧AB 段与东侧CD 段近似垂直于BC 段，地下水流向平行于该线，故作为不透水边界。

图5 计算模型边界示意

据现场实测，场地地层自上而下可分为：杂、填土层、粉土层、中粗砂及砾层、全风化岩层以及强风化岩层。场地基坑采用咬合桩支护，周边地铁结构以连续墙作为边界，最终确定渗流的计算参数如表1所示。

表1 土层渗透系数率定值

本次设计所使用的分析流程为4步:数据前处理→生成有限元矩阵单元网格→后处理运算→数据分析处理。首先进行钻孔信息的前处理，完成土层的建模；随后将相关数据导入Gmsh有限元软件中，并建立基坑、排水孔、周边坡地以及地铁的模型，形成有限元矩阵单元网格；接着建立材料工程参数、土层物理组分类，抗浮水头设定等数据文件，并进行后处理运算；最终将运算结果以plot文件的形式进行分析处理。其中有限元建模如图6所示。

图6 有限元模型图

3.3 计算结果

为验证模型的准确度，需进行模型验证。其具体做法是，在已有现场实测水位数据的情况下，使用有限元模型模拟现场实测时的工况条件，得到计算的水头降，并与实际监测水头降结果对比，如图7所示。由图7可知，计算水头降与实测水头降的最大误差仅在0.3m 左右，计算结果良好。说明计算模型有效。

图7 实测与计算水头降对比

最终计算结果如图8所示，在正常工况下，地下底板最大水头为+1.50m，满足+8.10m的抗浮要求。出水量方面，正常工况下为640m³/d，与实测流量相当。理论上如果能够保证后浇带排水能力（全敞开），由于后浇带之间的距离比较小且分布均匀，减压效果会比理论计算更好。而实际上，由于每隔10m 钻孔排水，其排水能力相对于后浇带全部完全敞开情况差，其实际的出水量会减少，底板的水压力会有所上升，但仍低于+8.10m的减压抗浮要求。暴雨工况下，底板最大水头为+1.81m，同样满足抗浮要求。其出水量方面为1121m³/d，相比正常工况下的出水量增加约500m3/d，建议按此抽水量的2倍配置抽水设备，以更好地达到降低水位的作用。

图8 2种工况下砂层部分水头分布图

4 基坑排水减压方案的影响

4.1 对工程南侧方向的地铁隧道的影响

暴雨工况下，地下水位是上升的，排水减压不会造成对周边环境的影响问题。但不能忽视正常工况下排水减压排水造成的水位下降对周边环境的影响。

该基坑工程周边多为坡地，在正常工况下，最需要留意的是该工程南侧方向的地铁隧道。根据监测方报告分析，需将施工过程诱发的最大竖向沉降控制在6.0mm内。由于在相同条件下，排水减压对周边环境的影响的大小取决于排水量，排水量大引起基坑周边的水头降就大。从基坑开挖期间水位实测数据及邻近地铁位移监测数据看，基坑开挖到底引起地铁周边的变形最大不超过3mm，不到控制6mm的一半。另一方面因基坑开挖对邻近地铁环境的影响是降水和基坑支护变形叠加的影响，单纯降水的影响应该更少。所以，排水减压对环境影响应该小于基坑挖到底时的工况。加之基坑降水在前，排水减压在后，相当于进行了加载预压，排水减压引起后期的环境影响应该是可控的，且相对比较小。另一方面，在正常工况计算中，没有考虑平常降雨补给地下水的情况。如果考虑，排水减压引起的水头降会更小，对环境的影响会更小。

4.2 砂层敏感性分析

将中粗砂及砾层的渗透系数变为10倍以后，即8×10-1cm/s,计算两种工况下其钻孔排水量也增加了400%以上，属于敏感性因素，变为1/10后排水量也急剧减小。因此可以推断，在排水减压抗浮设计中，必须将孔或者排水结构打到底板下相对强透水层内，这样才能有效提高排水效率。如果在底板下没有强透水层，可在底板下换填一层厚度大于50cm的碎石疏水层，如图9所示。

图9 疏水层示意图

5 结束语

相较于传统抗浮法，排水减压法具有工期短，成本低的特点。但需分析其对周边环境的影响是否能满足设计要求，即水位下降是否会影响周边结构的安全。而案例工程的排水减压方案，本文的研究认为：无论正常还是暴雨工况，水头降深均满足抗浮要求；对于钻孔排水量来说，砂层的渗透系数属于敏感性因素，因此在排水减压抗浮设计中，必须将孔或者排水结构打到底板下相对强透水层内，这样才能有效提高排水效率。