地下结构抗浮常用技术措施的应用

地下结构抗浮常用技术措施的应用

1上拱或上浮失稳破坏土壤之间的空隙和岩石之间有大量的地下水。地下水被埋在岩石顶部，或在其上方的地下结构或洼地结构中，导致浮托力。如果结构重量小于浮托力，则会出现卡球积小的误差，影响结构的正常使用。近年来,大量带有地下室的高层建筑物、地下车库、下沉式广场以及地铁、地下商场等地下建(构)筑物的兴建,使抗浮问题非常突出,在深圳、大连等沿海城市出现了多起上浮事故,如深圳宝安中旅大酒店地下室最大隆起160mm,布吉某仓储蓄水池最大上浮1.8m,某游泳池因忽视抗浮问题造成池底开裂渗水。下面就常用的几种抗浮技术措施的应用现状进行分析。2底板抗浮方案坐落在岩土体中的建(构)筑物因结构自重小于地下水浮力才可能发生上浮,因此最简便、最直接的措施就是增加结构自重。对于纯地下车库、地下商场及地下水池等可在其顶板上覆土以增加压重,或将底板延伸利用外伸部分的覆土增加压重,也可增加底板厚度或其它压重措施,国内部分工程实例见表1所示。表1中,江门某客运码头工程,地下室底板下为厚度30m以上的淤泥质粘土层,原拟采用近40m长的预应力锚杆抗浮,但施工和防腐难度大且在水位下降时剩余的预应力将成为工程桩的附加荷载,使工程桩根数增加30%,很不经济,后改为双层底板内填毛石压载方案;江苏利港电厂废水处理滞留池,在设计时对抗浮考虑不足,使得墙板上产生14条裂缝,最大缝宽44mm,局部上浮263.5mm,墙板上部水平钢筋被拉断,后采用加水预压、加厚底板等措施进行加固处理。采用压载抗浮的地下工程,在施工阶段一定要制定严密的施工顺序和紧急预防措施,避免发生意外险情。表1中苏州新区某大型水池,在底板压重层尚未施工就遇上暴雨,河水猛涨溢入施工现场,开挖基坑未全部回填,造成二沉淀池上浮约1.5m;深圳西乡某水厂地下水池三期工程,在顶板未覆土之前做充水试验,放水后发现沉降缝两侧发生不均匀上浮,一天内局部最大上浮量达50mm多。增加覆土厚度或增加底板厚度对地下结构抗浮很有效,但基础埋深势必增加,地下水浮力也相应增加,于是所增大结构重量的作用会部分地被增加埋深所引起的浮力抵消,因此,抗浮设计使用压载抗浮技术措施时应认真核算。3尾矿浓缩池属于地下空间无浮固结充填材料未来展望由于地下水浮力是造成地下建(构)筑物上浮的主要因素,在条件许可的前提下,可采取降水、排水或截水等处理措施直接排除隐患。表1中,深圳东深供水工程源水生物处理池,通过方案比选,认为加厚底板解决抗浮问题不宜采用,宜采用薄底板结合基础围封方案,对每条流道采用薄壁塑性混凝土地下连续墙进行围封处理,该工程建成5年以来,防渗效果好;浙江某热电厂大型备用水池,采用盲沟排水降压法主动抗浮,在底板下设置滤水层和排水管道,汇集到排水井内用水泵抽排,地下水位一直维持到某一标高,使底板不受或仅受很小的水浮力,这种方法不仅可防止地下工程上浮还能减小底板厚度。在场地为河流冲积土地区,发生上浮失稳或破坏的加固处理工程中,降排水处理方案是常用的主要措施或辅助措施。广东佛山永丰大厦塔楼与裙楼一个30m×38m的内庭,设有两层地下车库,场地处于河流冲积地带,地下水丰富,施工期间发现内庭范围内的地下室地板、地下一层板,内庭范围内的地面出现明显的上拱现象,测得地下室顶板最大上拱量213mm,为防止构件进一步破坏,首先在地下室底板上开孔放水,减小地下室底板的水压力,随着直径约150mm圆孔的凿开,压力巨大的水流夹带泥砂喷泄而出,4小时后,地下室起拱变形迅速减小到38mm,然后再进行下一步处理措施。高水位地区深基础施工中的抗浮问题也应引起足够的重视,特别是施工±0.000时,在上部结构尚未施工,遇暴雨、停电等意外情况时,地下水位突升,当地下水浮托力大于结构自重时,结构会出现脱离基底土上浮的情况,如上海市某医院病房大楼的箱基施工接近±0.000时,一场大暴雨造成箱基一端倾斜上浮,最大上浮量为590mm,并逆时针方向旋转一定角度。为避免和减少地下水浮力对深基础施工的各阶段带来的不利影响或破坏,降排水或截水方案是常用的技术措施。长春辉达大厦就是成功实例,该大厦地下二层,由于冬季停止施工,地下部分仅施工完地下二层,结构自重仅60kPa,而地下水浮力达80kPa,因此采取井点降水方案保证了施工安全。事实上,在沿海沿江地区深基础开挖时,为防止降水造成的地面塌陷或邻近建筑物沉降而常使用截水措施,如深层搅拌桩止水帷幕、高压旋喷桩止水帷幕,帷幕底进入相对不透水层一定深度,如果能将为基坑开挖服务的临时性截水帷幕当成永久性截水帷幕来考虑,那么地下建(构)筑物范围内的地下水与外部丰富水源被截断,此时可不考虑或少考虑抗浮,以节省造价。表1中内蒙古某选矿厂尾矿浓缩池的抗浮设计采用了一种特殊的技术措施。因该场地地下水对金属具有严重的腐蚀性,对混凝土也有一定的腐蚀性,采用增加结构自重或锚杆技术抗浮均不适宜,而采用无浮力底板(即底板上设有泄水减压系统)解决该浓缩池的抗浮问题,节省了巨大的经济投资,在国内尚属首次使用。降排水方案有时并不是最佳方案,如广州地铁一号线东山口车站,若采用排水方案抗浮,50年运行期间的排水费用为226万元,而采用锚杆抗浮则只需投资196万元,还可避免因停电无法抽排地下水造成的隐患。4桩、锚杆联合抗浮桩抗浮桩利用桩体自重和桩侧摩阻力来提供抗拔力,是一种常用的抗浮技术措施。抗浮桩桩型种类多,如人工挖孔桩、钻孔桩和预应力管桩等,部分工程实例见表2所示。在广东地区,近年来常采用预应力管桩作为抗浮桩,或抗压桩兼抗浮桩,如广东奥林匹克体育场是首例将预应力管桩作为抗浮桩用于地下室抗浮设计中,深圳市委党校(香蜜湖新址):香蜜湖熙园、华润中心城中区等工程均采用预应力管桩作为抗浮桩;深圳地区也常采用基础桩与抗浮锚杆联合抗浮,如罗湖新银座广场采用人工挖孔桩与锚杆联合抗浮、华润中心城北区采用人工挖孔桩与预应力锚索联合抗浮、蛇口海上世界广场改造工程也是采用树根桩与抗浮锚杆联合抗浮;首都国际机场扩建工程停车楼,采用高压旋喷桩内嵌锚杆,锚孔内配14фj15无粘结预应力钢铰线并灌注纯水泥浆,利用承压板将钢铰线与建筑物底板锁定在一起。还有一种利用基坑围护桩作为抗浮桩,如表2中的上海某人防地下工程采用护坡桩兼抗浮桩,深圳地铁部分区段采用护坡桩(钻孔咬合桩)兼作抗浮桩。围护桩兼作地下结构抗浮时其深度应同时满足基坑边坡稳定及结构上浮的要求,并应采取构造措施连接结构与围护桩以有效的传递抗剪力。不过,抗浮桩也存在缺点,由于桩与柱子相连,使抗浮桩的间距太大,需要很厚的底板才能抵抗浮力产生的附加弯矩和剪力,因此除桩的造价高外底板的造价也很高。5抗浮锚杆锚杆加固工程锚杆是一种埋入岩土体深处的受拉杆件,承受由土压力、水压力或其它荷载所产生的拉力。锚杆用于抵抗地下水浮力时,通常称之为抗浮锚杆,其锚固机理与抗浮桩相似,也是通过与锚侧岩土层的摩阻力来提供抗拔力。抗浮锚杆锚固直径小(≤300mm),单锚提供的抗拔力比抗拔桩小,但抗浮锚杆采用高压注浆工艺,浆液能渗透到岩土体的空隙及裂隙中,锚侧的摩阻力比抗拔桩大,更有利于抗浮。因抗浮锚杆技术具有受力合理,造价低廉、施工便捷等优点,在沿海或沿江地区各大中型城市的工程建设中已迅速推广使用,表3列举了部分工程实例。在地处沿海地区的大连市,地下水丰富,是普遍采用抗浮锚杆进行抗浮处理的地区之一。表3中大连市体育场东外场工程,地下三层,地上为运动场,长285m、宽85m、深13.8m,地下室底板的水头为9.25m,采用岩石锚杆抗浮。随后陆续有20余项工程的抗浮设计也采用了抗浮锚杆,如奥林匹克广场、百年商场等工程,抗浮锚杆的累计长度已超过100km。在港口工程建设中,通常在嵌岩桩底设岩石锚杆以提高抗拔力,利于抗浮。在高层建筑中也采用这种措施,如表3中的深圳余氏酒店超高层建筑,地上57层地下4层,考虑到地下室埋置较深、地下水丰富且水位较高、部分桩入岩较浅、酒店裙楼空间大而自重较小等因素,为抵抗水浮力对底板的反作用力,在主楼与裙楼交接处设置锚杆抗拔桩。在由地下水浮力造成破坏的加固处理工程中,一般常使用预应力锚杆作为永久抗浮措施,如表3中的佛山永丰大厦内庭地下室上浮加固、顺德市某大厦地下室上拱加固工程等。用预应力锚杆将地下室结构拉回原位,此措施加固原理简单明确,但锚杆作为永久性结构的构件时,应考虑解决锚杆的腐蚀和蠕变两个问题。锚杆主筋可采用螺纹钢筋或钢铰线,用钢铰线作为预应力锚杆主筋时常预留自由段以施加预应力;而使用钢筋作为锚杆主筋时,通常不留自由段,也有预留自由段但不施加预应力,如表3中的韶关市西河污水处理厂生化池、福建某供水工程清水池、河北某污水处理厂沉淀池的钢筋锚杆均留有自由段。对于全粘结型锚杆,由于荷载作用后锚侧摩阻力峰值从锚头逐渐下移,锚头处锚侧岩土体的变形最大,这对永久性锚杆的正常使用不利;另外,地下水浮力作用是随地下水季节变化而变化的,这种循环动荷载对锚杆的作用不利。因此,钢筋锚杆设自由段(可不施加预应力)比较适当。6抗浮锚杆技术埋置于岩土体中的地下车库和地下人防等及各种洼式结构(地下水池、地下污水处理池、游泳池等)的永久抗浮稳定是一个不可忽视的岩土工程问题。文中提到的压重抗浮、降水排水截水抗浮、抗浮桩和抗浮锚杆都是行之有效的抗浮技术措施,各种措施都有优缺点,但从工程实践来看,抗浮锚杆技术是比较经济、合理的方法。在具体选用时,应根据该场地的地质条件特别是水文地质条件及建筑物的荷载特点,可单独选用一种抗浮措施,也可选用多种措施联合处理地下水浮力,以达到抗浮目的,节省工程造价。地下水的浮托力是造成上浮的祸因,由于地质条件差异性大,计算地下水浮