水利工程专业,四种基础抗浮技术在实战中的比较

一、前 言

深圳市一项目，由于基础开挖较深，结构物基础底板承受较大水浮力及水压力。为合理妥善解决地下水浮力可能带来的问题，达到安全有效、技术先进、经济合理、节能减碳的目标，特委托具有解决地下水浮力丰富经验的台湾中测科技股份有限公司(以下简称本公司)进行初步分析，并提出解决方案建议，以作为后续设计、施工的参考。

二、建物特性

设置6层地下室，地下室埋深约35m，开挖面积不小于2万平米。地上开放空间及建筑物裙楼区块存在基础抗浮力不足问题。依据本开发案建筑及结构初步设计基本数据所列，就本建筑物工程特性分别概述如下：

1. 项目总占地面积约20000m2，基坑周长约为500m。

2. 建筑物规划下设满铺六层地下室。

3. 基础底板位于约GL.-35m。

4. 基础型式：拟采用筏板基础，预计基板厚度1.5m。

5. 围护结构：拟采用1m厚连续墙，贯入深度约35~40m。

三、基地土层条件及地下水位状况

依据本基地岩土工程勘察报告所列数据，本基地的土层及地下水位状况概述如下：

1. 地质调查深度范围内，基地土层状况自上而下为：

基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上。

2. 地下水位

A. 依据本基地岩土工程勘察报告所列数据，“钻探期间，测得稳定地下水位埋深2.80～6.40m，标高-1.43～2.89m。参考本地区建筑场地的经验数值，本场地地下水水位的变化幅度为0.50～3.00m，地下室抗浮设计水位可按室外地坪标高以下1.00m使用，且不低于深圳湾海面常年最高水位”。

B. 考虑长时期间气候变化造成之地下水位变动及连续强降雨可能造成的情况，依建物使用年限内可能最大静水压力评估，长期地下水位建议采用GL±0.00m进行分析

四、结构物抗浮方法比较

未来基地开挖及结构物地下室构筑完成，解除基地内外降水措施后，基础下方地下水位逐渐恢复，将于基底形成高额地下水浮力(水压力)，以本基地基坑开挖及地下水位条件，基底水压力最大高达约30T/m2，经该压力长期持续性作用于基底，将导致开放空间及裙房抗浮力不足，并可能产生结构物基础破坏及长期渗漏水等问题。一般处理上列状况之方式可分为两类：

1. 结构性抗浮技术搭配化学药液防漏灌浆

采用结构性抗浮技术，如抗拔桩、配重法、抗浮地锚、锚杆、浮力控制区基础结构性加强等方式，以应力相抗衡方式对基础板进行锚固处理。其中抗浮地锚及锚杆多作为临时性抗浮设施及用于部分特殊需求抗浮设计中，一般性配重法大约仅能提供约4.0T/m2之抗浮力，主要还是采用抗拔桩配合基础结构性加强等方式作为抗浮设计。采用抗拔桩设计时，结构物基板仍存在高额的地下水压力，容易造成二次施工缝及混凝土裂缝渗水潮湿的问题。为克服这项问题通常采用多次性化学药液防漏灌浆作为阶段性解决方式，未来使用阶段遭遇漏水状况时再进行局部防漏处理。

2.排水抗浮工法

同样能够解有效除地下水浮力危害，但有别于采用力平衡方式抵抗地下水浮力的方法即为「排水抗浮工法」。排水抗浮工法基本原理为：利用疏导基底水压力方式，达到控制地下水浮力，减少基板裂缝及施工缝渗漏的一项工程技术。采用此类技术必须注意以下要点：

A.能够配合结构物使用年限，长时间使用。

B.不影响原有建筑设计及其功能。

C.不影响地层承载力。

D.系统不容易发生物理性或化学性堵塞。

E.不影响外围水文条件。

传统排水抗浮工法多采用倒滤层(级配料及其附属设施)及盲排搭配集水井或箱涵设计，可供短期间使用。但于长时间使用后，常出现过滤层阻塞、排水管路产生碳酸钙(CaCO3)结晶阻塞、级配层产生蠕变沉陷、局部导水功能失效等现象。

新型排水抗浮工法又称「基底减压工法」或「CMC静水压力释放层技术」(CMC Hydrostatic PressureRelief Layer Technology)，其主要特色为：在基础下方建构一层厚度仅约25px，但效能高于传统级配料，兼具过滤、导水等功能的人工排水层，在不影响基础承载力条件下，搭配于结构物使用年限内具永久性功能的集水系统及出水系统，利用基础下低透水地层(土层或岩层)之透水特性，将基础下方蓄积的静态水压力转换成动态渗流压，并将渗流至基底之压力水以自然溢流方式，经过滤、汇集后经过气密式的集水系统及可控制基底水头压力的出水系统，排放到专用清水池水箱或原设计废水池中，一次性解除地下水可能造成的基板损坏及地下室严重渗水潮湿情形的一项抗浮新技术。

表4.1 传统抗浮技术与CMC静水压力释放层技术价值比较

表4.2 传统排水抗浮工法与CMC静水压力释放层技术设计比较

表4.3 传统排水抗浮工法与CMC静水压力释放层技术优缺点比较

其它抗浮方式比较，以抗拔桩及静水压力释放工法两类处理方法为例，进行各项优、缺点比较，经整理后，如下表所示：

表4.4 抗拔桩与静水压力释放层技术功能价值比较表

五、「CMC静水压力释放层技术」适用性评估

依据本基地图纸所列数据计算，本工程基坑面积约为20000m2，基坑周长约为500m，地下6层，基础底板位于GL.-35m。长期地下水位采用GL±0.00m进行分析，开放空间区域（0F/6B）之荷重约为10.8T/m2，裙房区域（5F/6B）之荷重约为16.8T/m2，均远小于未来长期地下水位对基底造成之上浮力，地下水浮力对于板式基础存在产生破裂渗水、二次施工缝产生压力渗水等潜能，对于基础结构安全及使用的舒适性具有较大的影响。

要同时解除地下水浮力及潮湿渗漏造成的问题，不须额外增加结构性抗浮、加强基础设计及多次性防漏处理费用的方法，建议可采用「CMC静水压力释放层技术」处理。

1. 承载力及沉陷量分析

依据浮力控制结构物，采用「CMC静水压力释放层技术」设计时，基底土层承载力检核应满足下列要求(Technical Specification for CMC Hydrostatic pressure Relief Layer DBJ/CT077-2010)：

Pc ≥DL-Pw

式中：Pc─先期固结压力。

DL─基础底板对土层的有效静荷重。

Pw ─设置CMC静水压力释放层时，为基底处的固定渗流压。

本项目基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上，Pc约为29.28T/m2，基底固定渗流压暂定约为0.5T/m2，经计算：

开放空间区域（0F/6B）：29.28＞(10.8-0.5)=10.3符合承载力检核要求。

裙房区域（5F/6B）：29.28＞(16.8-0.5)=16.3符合承载力检核要求。

此外，为保障基底土层不产生长期蠕变隆起，基底土层承受应力检核应满足下列要求：

(DL-Pw) ≥ 1/4Pc

经计算：

开放空间区域（0F/6B）：(10.8-0.5=10.3)＞(29.28/4 =7.32)，符合蠕变隆起检核要求。

裙房区域（5F/6B）：(16.8-0.5=10.3)＞(29.28/4 =7.32)，符合蠕变隆起检核要求。

于基坑开挖时须控制不得过度超挖(一般超挖量控制在250px以内)，以避免不均匀沉降产生。

2. 基底渗流量及压力分布有限元分析

由于本区块开挖时采用水密性的连续墙为围护结构，为求得平日地下水渗透量，特配合本项目的岩土勘察资料，采用GeostudioSeep/W仿真分析，以基坑区块面积25000m2、开挖深度35m、开挖断面180m×140m、地下水位GL±0.00 m、止水帷幕深度40m，进行有限元模型建立。于采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时，估计平日本区块地下水渗流量：

Q=6.2551×10-6(m3/s/m) ×180 (m) × 86400(s/day) +6.0089×10-6(m3/s/m)× 140(m) × 86400(s/day)

= 170(m3/day)

单位面积渗流量0.0068m3/day/m2，符合单位面积渗流量≦0.03m3/day/m2的设计要求，适用「CMC静水压力释放层技术」执行。

经数值分析，于上列各项条件下，采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时，均能维持基底压力为设计值。有关基底渗流量及压力分布有限元分析结果，如附录一所示。

3. 静水压力释放后基地外围地下水泄降影响分析

由于本基地基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层，该土层为弱透水地层且分布较厚，依据细颗粒土壤(finegrain soil)地层建筑物基底降水影响，基底外围影响范围可依据SichartMethod进行分析，水位泄降面可依据HyperbolicModel进行模拟。

依据等效地层选用断面进行分析，在水密性围护结构确实施工条件下，本基地采用「CMC静水压力释放层技术」解除地下水浮力时，外围地下水位影响水平距离27.73m，离开挖面1.5m位置水位泄降高度＜0.1m ，小于常态性季节变化水位高程变化量，可视为对于区块外围地下水位高度没有影响。

「CMC静水压力释放层技术」系于基板素混凝土下方铺设静水压力释放系统及集水系统等，使地下水压力转换为动态渗流水压，并永久保持基底水压力约为0.2~0.5T/m2，藉以一次性解除地下水浮力可能造成的基板损坏及地下室渗水潮湿情形。本技术由台湾中测科技股份有限公司开发，主要材料及零件委托欧美专业厂商订制，符合长期使用安全，能够确保建筑物使用期限内「CMC静水压力释放层技术」绝对有效。有关「CMC静水压力释放层技术」介绍，如附录二所示。

六、「CMC静水压力释放层技术」初步设计

由于本项目目前尚处于设计阶段，藉由现有规划数据，秉持安全、经济、技术优化原则，进行初步设计如下。

1. 静水压力释放层配置

本工程地下室占地面积约20000m2，其中开放空间及裙楼等浮力控制区域的面积约为20000m2。于采用「CMC静水压力释放层技术」专用欧洲订制特殊一级高渗透阻流滤层(透水率约112.5px/s；O90约85)及超导水格网(导水量3.4×10-3~3.8×10-3m3/s/m)材料条件下，以本区块地下水渗流量170m3/day评估，当基础下方全面铺设CMC静水压力释放层时，透水系统安全系数大于10以上，符合使用期长且服务性高的工程滤材国际渗透性准则要求，及「CMC基底静水压力释放技术规程」(DBJ/CT177-2013)的规定。

2. 出水系统数量配置

本工程依据最大基底渗水量配合基地面积因素分析，以出水系统容许出水量安全系数≧3进行设计，配置5组以上气密式出水系统，每组出水系统搭配主要及备用系统各1组。可符合本系统长期安全使用要求。

七、「CMC静水压力释放层技术」的价值

1.初步估算约可节省地下室底板厚度1250px，即节省混凝土约9500m3；节省抗拔桩数量约为1200根，桩径1m，有效桩长35m；减少挖深基坑1250px，即节省土方量约9500m3。

2. 基础底板永久不会上浮变形，保持地下空间清爽，减少补漏，防渗费用支出。

3.不需要短、中、长期的地下水渗漏维修费用。

4.基础全部改为压力控制，降低差异沉陷。

5.解除基础接口渗水问题。

6.缩短基础构筑降水时间。

7.不因地下水腐蚀性造成抗浮防渗功能失效，可永久性使用。

8.天气剧烈变化连续强降雨时，不会因原设计抗浮力不足造成结构破坏。

9.工期短，可以减少贷款利息支出，并提升资金周转效益。

10.提升建筑物地下空间质量，提升建筑物价值及开发、设计、营造等单位企业形象。

11. 自然渗流的地下水可经特别储流设计可作为绿化植生使用，体现绿能环保观念。

12. 可配合结构优化设计，降低施工成本。

八、执行费用及相对效益评估

就「CMC静水压力释放层技术」执行费用、节省费用及执行时间评估如下：

注：

1. 以静水压力释放层技术执行面积19000m2估算。

2. 节省费用部分，指与传统结构性抗浮施工方式比较概估节省费用。

3. 基板厚度、开挖土方量、围护结构贯入深度减少等、须依照设计院实际分析及评估可行性后确定。本比较表仅提出项目及内容以及以往经验值提供参考。

以执行面积2000m2计算，初期规划开放空间及裙楼采用「CMC静水压力释放层技术」铺设优化设计，保守估计可节省约人民币64,102,600元(已扣除「CMC静水压力释放层技术」统包施工费用；节省施工时间效益尚未列入评估)。

九、结论与建议

依据本基地相关岩土勘查及初步设计数据进行分析，提出结论与建议如下：

1. 传统抗浮设计多采用抗拔桩、抗浮锚杆、配重法等方式解决地下水浮力的影响。但因本基地开挖深度较深，基底水压力较大，采用配重法无法有效平衡基底浮力，采用抗拔桩则具有工期长、长时间潜变(粘土层特别明显)等情况，且持续存在的水压力势必造成最下层地下室持续性潮湿、渗漏等问题。建议采用通过国家科技成果鉴定的「CMC静水压力释放层技术」铺设方式处理，同时解除地下水浮力及潮湿、渗漏危害。

2. 本基地地层搭配结构物工程条件适合采用「CMC静水压力释放层技术」解除本建筑区块产生的浮力破坏及最下层地下室潮湿渗漏问题。于要径工期、执行费用及施工现场影响性降低等，均较传统结构性抗浮技术具备优势。造成的环境污染、材料及能源消耗较结构性抗浮技术低，具有显着的节能减废效益。

3. 本结构物基础座落于第4层砾质黏性土(Qel)层上，依据本开发案岩土勘察报告及初步设计基本数据合理分析，采用「CMC静水压力释放层技术」铺设解除地下水浮力后，本项目结构物基础承载力、长期蠕变隆起及基底土壤条件均符合技术规程(DBJ/CT177-2013)设计要求。

4. 本基地采用「CMC静水压力释放层技术」铺解除地下水浮力后，平日本区块地下水渗流量约为170m3，单位面积渗流量0.0068m3/day/m2。符合单位面积渗流量≦0.03m3/day/m2的技术规程设计要求。

5. 「 CMC静水压力释放层技术」 具备复合性效益，于适当条件下可同时节能减碳、基底防渗漏、缩短工期等多项施工费用。当采用全面铺设但仅取代单纯抗拔桩设计状况下保守分析，即有明显的节能减碳及施工时间节省效益。建议开发商、设计院专家于评估时将所有产生价值同时列入考虑，以降低建案执行成本，提升各单位获益。

计划主持人： 章致一 (土木开业技师)

资料整理： 李明书、李立兵、刘维扬

台湾中测科技股份有限公司

上海预安企业管理咨询有限公司

台湾中测深圳办事处

2013年 12月