地下结构抗浮问题研究现状与发展

郜东明尧利军付刚才

珠海市海骏工程建筑处广东省珠海市519080

摘要：随着地下工程向深大方向发展，地下水对地下结构的浮力问题成为设计与施工必须解决的问题，本文从抗浮需求的变化、抗浮设计目前存在的问题、传统抗浮措施的比较进行阐述，并用工程实例介绍了工程界越来越瞩目的排水降压抗浮法。

关键词：地下结构；抗浮措施；排水降压抗浮法

一、抗浮需求的变化

世界各国城市建筑历史表明，开发地下空间是实现城市建设可持续发展的必由之路，早期建筑很少设计地下室，也不存在抗浮问题，后来为了兼顾空间利用，并满足人防和建筑物的稳定性要求，各建筑单体一般设计附建式地下室，此时的由于地下室外墙一般不突出结构主体结构投影，结构自重一般可以满足抗浮要求，抗浮问题也不突出，但随着地下商场、地下停车场等功能性地下室的普遍应用，抗浮问题逐渐突出。如广州花城广场为下沉式建筑，占地面积约56万平方米，珠海横琴口岸及交通枢纽占地面积34万平方米，这些由政府主导，有规划的成片开发，形成了地下街、地下商场甚至地下城，抗浮问题成了地下空间开发需要解决的重点问题。地下结构从无地下室到有地下室，从浅地下室到深地下室，从小地下室到大地下室，由此带来浮力从小到大，从整体抗浮到局部抗浮等变化。

二、抗浮设计存在的问题

抗浮设计时设计水位应该由勘察方还是设计方确定，目前尚无明确规定，勘察报告提供的一般是勘察期间的最高稳定水位，能否提供与季节相当或与结构使用年限相当最高水位，能否提供历史最高水位，结构使用期间是否会突破历史最高水位，能否涵盖各种极端气候条件及复杂水文地质条件，这些问题均无规范参考，设计单位与勘察单位也容易相互推诿，有的结构设计师直接取地表为最高水位，一米的水位会带来10千帕水压力，这对甲方的资金压力也是一个重大挑战，因此目前一般做偏水文地质的抗浮水位专项勘察来解决这个问题。

平地地形，当无工程设计使用年限内最高水位时，无承压水的平地地形，抗浮设计水位可取室外地坪，有承压水时取承压水头。

坡地地形，抗浮设防水位应根据上下游水头、分水岭、雨水补给、地质分布情况、地下室分布、基坑止水措施等综合考虑，此时抗浮水位与室外地坪不同，需根据渗流计算确定。

临近江河湖地段，应查明江、河、湖等水源的水位逐年变动情况，预测该地可能出现的最高和最低水位，查明水源与场地的水力联系情况，设计水位一般高于室外地坪，也应根据渗流计算确定。

三、抗浮问题的传统解决办法

目前，工程上通常采用配重法、抗浮锚杆、抗拔桩三种方式来解决抗浮问题。

配重法适用于各种工程条件，一般在底板上设置回填层，用土、砂、石、混凝土等材料压实回填，有时也特地将底板外挑回填，通过回填物的重量来平衡浮力，这是一种比较常见的方法，但是也存在缺点，由于回填层需要增加地下结构埋深，造成基坑深度增加，给施工用地和基坑支护带来新的挑战，同时地下结构所受的浮力增加，配重提供的抗浮力自身也“消耗”了一半。配重法受地质条件、施工环境的影响较少，造价通常也低，常作为一种基本办法予以采用，一般用于埋深较浅，不需要增加太厚配重的地下结构物，对于规模较大埋深较深的地下结构抗浮，不宜采用，价格低廉容重较大的回填材料是配重法的发展方向。

抗浮锚杆则是利用锚杆与砂浆组成的锚固体与土层之间的摩擦力作为抗浮力，造价低、施工方便、受力途径便捷，也被广泛采用，但抗浮锚杆的设计、施工、检测没有专门的规范，主要参考支护锚杆设计，一般为全长粘结性，孔径不大于200mm，长度4~10m。由于一般在底板平面内均匀布置，抗剪问题不突出，有利于底板厚度的减少，长度及直径由计算确定，为防止锈蚀，一般涂环氧树脂或防锈漆。

抗浮桩利用桩侧阻力作为抗浮力，一般布置在柱下墙下，单桩抗浮面积较大，需要，造价高、施工受环境条件制约较大。单桩抗拔承载力的确定需要套用抗压桩的设计方法，利用各土层桩侧阻力加上抗拔系数确定单桩抗拔力，抗拔系数一般取0.5~0.8。桩径、配筋由计算确定，受力钢筋通长布置，并满足最小配筋率的要求。常用桩型为钻孔灌注桩、沉管灌注桩或预制桩，布桩时要求各桩受力均匀，一般在柱下、墙下。桩的造价较高，由于间距一般较大，需要很厚的底板才能抵抗浮力产生的弯矩和剪力，因而底板造价也相应增加。如果用抗压桩兼做抗拔桩，则需考虑局部抗浮验算和桩本身的抗拉验算。在城市区域由于环境要求，一般采用静压预制管桩，这种桩尽管造价较高，但施工速度快、检测方便。

传统的抗浮措施一般需要占用主体工程工期，耐久性不能确定，并且作用在底板、侧墙上的地下水压力仍较大，有时需解决抗渗问题。

四、一种新的抗浮措施及典型实例

传统抗浮措施增大结构了抗浮能力，此类方法设计观念合理、后期维护简单，但资源消耗较大，环境污染严重，其费用一般占地下结构造价的20%~50%，并且对结构底板的抗裂、抗腐蚀、抗弯矩要求高，一旦设计或施工不当会对结构物的长期使用性及舒适性造成影响。如果能减低结构上浮力，通过设置防渗墙、减压井、倒滤层、排水廊道等措施结合，即采用“解压、疏导”的方式减少或消除地下结构底板水浮力，这就是工程界越来越瞩目的排水降压抗浮法。

广州琶洲会展中心保利世界贸易中心为双层地下室，单层面积8万平方米，该场地存在较厚砂层，地下水与珠江联系密切，采用地下连续墙作为支护措施，原设计采用1000条抗拔桩作为抗浮措施，后采用排水减压法，取消所有抗拔桩，沿地下室周边布置15个减压井（减压井为自流式），由于底板所受水压力大大减少，有利于底板的承载状态及满足抗渗要求，减压井自流排出的水经汇集可用于绿化等二次利用，同时兼顾地下水平衡。2007年运行至今，建筑物抗浮状态良好，周围有许多重要建筑物、市政设施、管线，但未有影响，运行10余年未见地面沉降、开裂等异常情况。每天实际排出的水量仅700立方，日常运营维护成本低，且即使在极端情况下对地下室正常使用的影响很小（停电、战争）。

广州南方电网生产科研综合基地地下室为7万平方米，地下室底板坐落在强风化岩上，原计划设计6000多根抗浮锚杆，后采用排水降压法，在地下室四周布设排水廊道，底板下布置透水垫层，廊道排水沿场地斜坡可自排入市政排水系统或自留它用，同时设置应急备用设施，极端情况下强排入西河涌。2012年运行至今，建筑物抗浮状态良好，未见地面沉降、开裂等异常情况。

广州某工程已采用抗浮锚杆抗浮地下室三层，每层面积约为8700平方米，采用抗拔锚杆抗浮。地下室主体施工完成，部分覆土未来得及覆盖，一场暴雨地下室底板大面积上浮，最大210mm。钻3个孔排水，回到最大约90mm稳定下来，实测总涌水量1500方/天，底板下地层有较厚的强透水砾砂层，原有部分抗拔锚杆因大位移可能失效，补打锚杆难度极大，事故后钻孔排水较长时间，但周边未发现地表明显沉降，于是直接在地下室内布设了6个减压井排水降压，2014年运行至今，建筑物抗浮状态良好，未见地面沉降、开裂等异常情况。

排水降压抗浮法由于底板上水压力大幅减小，可大大减少甚至取消抗拔桩、抗拔锚杆，底板内力可相应减少（减少配筋），底板施工缝等抗渗可靠性大大提高，减压井等排水设施可穿插在基础承台等正常工序中同步施工，基本不需占用主体施工工期。

排水降压抗浮法作为一种新型的地下工程抗浮技术，目前尚无统一的国家设计规范与标准，业内也未形成统一的认识，具体设计、施工、运营中应注意一是不得影响地层承载力，二是由于减压系统为永久性设施，所以要能配合结构使用年限，不得影响原有建筑设计及功能，三是重点考虑减压设施耐久性问题，不容易发生物理或化学性堵塞，因其一旦出现淤堵时，将降低其减压功能，需制定保证其耐久性的施并通过监控措施掌握减压系统减压效果及性能；四是应分析评估排水减压对周边建筑物、道路、管线等设施的影响，避免影响范围过大，影响外围水文地质环境。

综上所述，工程中应根据实际情况选择以上一种或几种组合的抗浮方案，要对地层构造、地下结构特性、期望使用年限等进行全盘考虑，以达到性能稳定、永久性使用及不影响外围环境的目标。

参考文献：

[1]建筑工程抗浮设计规程（广东省标DBJ/T15-125-2017）

[2]城市建设工程地下水控制技术规程（北京市标DB11/111-2014）

[3]地下工程防水技术规范（国标GB0108-2008）