静水压力释放技术在地下工程中的应用
文/中国建筑第四工程局有限公司 张延欣，梁全雷，丘志东，张 龙
1 工程概况
广州国际金融城AT090902地块项目位于广州市天河区黄埔大道与科韵路交汇处，工程总建筑面积35万㎡，包括塔楼、裙楼和变电站3部分，地下建筑面积11.8万㎡，主塔楼地上65层、地下5层，裙楼地上9层、地下5层（底板标高为-26.700m）。根据勘察资料显示，场地地下水主要有孔隙水和基岩裂隙水两类。场地孔隙水主要赋存于第四系砂层，其透水性较好，含水量丰富；基岩裂隙水主要赋存于层状强、中风化砂岩中，场地岩体完整性较好，裂隙一般发育，多闭合，属弱透水性，基岩裂隙水含量较贫乏。基础底板处于微风化砂岩中，岩层透水性弱。
项目属于超大深基坑，如采用增加自重法、抗拔桩或抗浮锚杆抗浮，存在地下结构费用过高、工期影响较大且具有潜在施工风险性。CMC静水压力释放层技术是近年比较成熟运用于地下室抗浮的工艺，是集永久性改变土层动态渗流压，使基底水压保持固定值、控制地下水浮力对结构体的影响和永久保持地下室干燥功能的方法。
静水压力释放技术需要一定的场地和工程条件，该技术可广泛应用于基础四周支护档土结构有连续整体性、可形成一定封闭的止水环境；支护挡土结构下端深入下卧地层，且基础下方到挡土设施底端，存在稳定、较大厚度且渗透系数≤10-5cm/s的土层或岩层的工程。后期对回填肥槽中上层部位亦进行黏土或素混凝土层阻水封闭，通过这些措施将基础与四周的基坑之间形成一个小范围整体封闭夹层空间，从而达到在不影响周围地下水文条件的情况下，利用夹层封闭范围内静水压力释放施工技术实现地下室稳定抗浮的目的。
静水压力释放技术采用“放”的思路来进行水浮力的处理，主要原理是在新建结构物基础下方架构具有过滤、导水、集水、出水等功能，且于结构物使用年限内具有永久性功能的自动排水系统，利用基础下低透水地层的透水特性，将基础下方积蓄的静态水压力转换成动态渗流压，并将渗流至基底的压力水以自然溢流的方式，经过滤、汇集后通过集水系统及可控制基底水头压力的气密式出水系统，排放到专用清水池水箱或原设计废水池中，再以建筑物本身废水排放系统排出或以专设管道回收再利用的一种工艺技术。
考虑采用CMC静水压力释放层技术的地下结构，多为单纯浮力控制或局部大面积浮力控制的建筑类型，且基础底部透水层多为黏性土、粉性土，为岩层透水较少。对于本工程而言，没有现成的案例可参考。必须结合现场实际情况，采用结构体系优化和满足静水压力释放技术适用条件，填补岩石透水缺陷，达到地下室能在后续使用过程中具有稳定抗浮功能目的。
2 关键技术分析
👉 关键问题分析
在进行静水压力释放技术设计时需要充分进行考虑，当基底水浮力释放后，基底承载力是否能够符合结构物载荷要求。必须保证静水压力释放层内只有基底渗透水。结构物存在高低层楼区配重不同，低层浮力过大，可能造成高低层区接口基础底板破坏的情况。补偿式基础坐落于低透水地层，结构物构筑过程中无法有效降水，当上部结构尚未构筑完成（上部质量不足），可能遭逢长期降水导致地下水浮力陡增，可能造成基础底板及地下室楼板破坏的情况。
👉 技术措施
工程采用岩石地基上的柱下扩展基础，塔楼上部结构采用钢管混凝土柱框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，裙楼上部结构采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。
在地下室底板下设计静水压力释放层；施工滤水系统将滤水管道引入基坑周边的集水井排水系统，地下室底板下设置250mm高排水架空层（支墩+预制板），与设置的排水沟形成一个整体的排水空腔系统，将渗入架空层的地下水经排水沟排至周边集水井后用潜水泵抽排走。利用此永久滤水降压系统作为地下室后浇带封闭之前的施工阶段降排水系统，直到竣工移交运行永久的静水降压系统。
为了确保静水压力释放层的安全应用，设计要求在地下1层~地下3层地下室侧壁与支护结构间回填黏性土，并分层压实，回填后的黏土层渗透系数要求应≤10-5cm/s；在地下3层~地下5层地下室侧壁与支护结构间回填C15素混凝土，对地下室外侧基坑进行封闭（见图1）。在室外地坪位置沿建筑物周边设置排水沟，阻断地表水的补充，确保静水压力释放层内只有基底渗透水，避免基底周围地下水位下降而产生安全问题，保证该静水压力释放系统不影响原地下水文状况。
图1 静水压力释放层剖面
3 预制板优化及生产
👉 预制板尺寸优化
1）预制板厚度优化
原设计预制板厚度为50mm，从加工厂到施工现场的运输距离为90km，50mm厚的预制板在材料运输及安装过程中极易出现损坏的情况，为了降低材料在运输及安装过程中的损耗，项目将预制板厚度修改为80mm。
2）预制板平面尺寸优化
原设计预制板尺寸为1000mm×1000mm，现场施工中板与板之间的板缝数量较多，板缝处理不当易造成底板混凝土漏浆情况的出现；且预制板现场施工工程量较大，增加单块预制板的平面尺寸可有效减少现场施工重复的工作量。 项目通过与设计沟通，成功将预制板尺寸修改为1000mm×2000mm。
经优化后的预制板在两个方面体现出优势：可有效保证预制板在材料运输及安装过程中减少出现损坏的情况，有效降低材料的损耗；可减少板缝数量，加快现场施工进度，减少底板混凝土漏浆的事故。
👉预制板生产
预制板采用工厂化生产加工技术，执行建筑工业化的标准，将现场湿作业转化为工厂干作业施工，采用自动化流水线、标准化生产定型预制构件，在满足预制构件的批量生产加工和集中供应的要求的同时，达到节约工期，绿色施工要求。同时为保证在预制板安装后有10mm左右的缝隙进行调位，1000mm×2000mm标准的预制盖板按照实际993mm×1993mm尺寸进行生产，尺寸精度要求控制在±3mm偏差范围内。
4 静水压力层施工
本项目静水压力释放层主要设置在工程标高约为-27.000m处，施工时地下室梁柱尚未完成浇筑，相关施工部署比较方便。在排水架空层施工完成后，在预制板上方浇筑厚300（400）mm底板。
👉施工顺序
静水压力释放层施工流程如图2所示。
图2 静水压力释放层施工流程
👉施工参数及控制要点
混凝土支墩定位及标高确定
在施工前采用CAD软件及BIM软件对整个现场预制板进行统一排板，以排版完成后整条预制板的边缘线为轴线，以纵横轴线交叉点来确定支墩的位置；在满足工程精度要求及保障工作效率的前提下，本工程的支墩标高确定，采用常规方式进行（见图3）。
图3 支墩定位确定
排水沟
疏水层内的水沟为素混凝土水沟，混凝土强度等级C15。水沟内侧吊模使用18mm厚胶合模板制作安装，底部垫好φ8马凳钢筋；排水沟位置可根据现场条件适当调整，排水沟底部及侧面素混凝土面层每隔10m设缝，缝宽30mm。留缝做法为：制作与水沟截面相同的定型模板插板，在浇筑混凝土前，在需要留缝的位置插入定型模板插板，随即对称浇筑混凝土，在混凝土初凝后暨终凝前拔出插板，形成伸缩缝。
预制板的安装
由于预制板尺寸及质量较大，现场采用手动液压叉车+人工辅助方式进行搬运安装；对于设备难以实施安装部位，采用人工在预制板的四个预留孔处用拉杆进行抬放安装。
1）特殊异性部位施工做法
采用CAD软件进行初步排版，对外墙侧壁边缘、基坑支护的格构柱、塔吊基础、施工升降机基础、上下基坑通道基础、承台及集水井等局部异型部位及不规则的位置，采用先铺2000mm×1000mm×80mm标准规格的预制板，再铺2000mm×500mm×80mm，2000mm×200mm×80mm，2000mm×100mm×80mm，1000mm×1000mm×80mm等非标准规格的混凝土预制板，对无法铺设混凝土预制板的位置，四周砌120mm墙然后现浇C15混凝土，现浇补充的混凝土面与铺设的预制钢筋混凝土板面相平，尽量减少现场对预制板成品的切割浪费，使整体的观感效果及质量更佳。
2）地下室侧壁边
针对预制盖板与侧壁的连接位置，首先按照排版图进行进行放线定位，放出砖胎模的定位线，然后进行C15混凝土的回填，最后拼装预制板（见图4）。
图4 外侧壁边缘现浇混凝土填补示意
3）基坑支护格构柱
在格构柱的区域，格构柱桩基础混凝土凿平至预制板面标高，沿格构柱桩基础四周边砌120墙砖模，砖模内侧采用现浇回填C15素混凝土（混凝土面平预制板面标高），砖模外侧采用20mm厚1:2水泥砂浆抹平，各格构柱砖模的宽度及深度按现场实际尺寸。
4）独立柱基础承台
在柱独立承台的区域，首先进行测量放线放出整板后，根据每个格构柱的不同截面在周边进行砖胎模的放线，然后回填C15混凝土。针对个别预制板尺寸不符的情况，现场采用切割机进行切割处理。针对柱子周边的砖胎模宽度最少砌筑240mm墙，主要为防止混凝土浇筑后砖胎模倒塌。
5 其他措施
👉 预制板板缝处理
为确保混凝土预制板板缝密实不漏浆，板缝采用贴100mm宽丙纶布。施工顺序为：板缝位置涂刷水泥浆1道，宽度200mm→粘贴100mm宽丙纶布→丙纶布面上涂刷200mm宽水泥浆保护层1道。
👉预制板裁切
在现场施工过程中，针对非标准板的安装现场施工难以保证铺装质量，现场采取先铺装标准板块，再利用切割机进行裁切的方式，保证了预制板铺装的质量和美观。
👉 排水架空层分区封堵
本工程底板静水压力释放层需要分区分段进行施工，为防止已完成的排水架空层涌入杂物，使用防汛砂袋对已安装预制板的区域进行封堵。
6 实施效果及效益
👉 实施效果
在本工程地下室后浇带全部封闭后，项目经过近半年的使用及数据收集，统计分析得到静水压力释放层排水量约为16.05m³/h，在运行过程中通过对整个地下室底板进行观察，未发现地下室底板开裂、变形及梁柱损坏等异常情况，能够满足地下室正常使用要求，抗浮效果良好。但在施工过程中，需不断对释放层进行抽排水，除部分应用于现场临时用水以外，其余需排至市政管网中，无法充分重复利用，造成资源浪费。
👉 经济效益
通过设置架空层的办法替代了传统的底板抗浮锚杆设计，减少了大量钢筋混凝土的成本投入。在工厂内进行预制板加工，现场整体吊装安装，节约了人力、材料，保证了安装精度，而且节约了大量工期；将静水压力释放层中释放的水从基坑下的集水井中抽到沉淀池集中，经过沉淀之后用作项目施工用水及生活区厕所用水等。此过程极大程度地节约项目用水，达到节省项目成本目的。
👉 节能和环保效益
工程采用工厂化预制PC板，为现场节约了施工空间，有利于工程质量和施工进度，而且减少了施工现场加工和焊接所产生的光污染、有害气体污染，对施工现场的文明施工、环境保护起到了重大作用，符合建筑工业化的发展趋势和节能环保的发展理念。
7 结语
静水压力（岩层）释放层技术作为一种改良式的排水抗浮技术，利用“截”和“放”的原理在基础下方建构有过滤、导水、集水、出水功能的人工排水层，与利用抗拔桩、配重法等的传统抗浮技术相比较，具有以下优势。
1）在不影响结构安全的情况下，降低了基础底板厚度，减少了基础底板的钢筋混凝土用量及基坑的开挖深度，缩短了施工工期；基础底板以及静水压力释放层施工速度快，远快于抗拔桩和锚杆等传统工艺的施工速度。
2）不会由于地下水的腐蚀作用而造成基础底板抗浮防渗功能失效，能稳定长久使用。保证基础底板抗渗防水的功能永久性，给地下室提供良好的运行环境。
3）自然渗流的地下水由集水井集中后，可以通过抽排用于绿化、冲洗、消防等二次使用，保障了绿色施工。
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静水压力释放技术在地下工程中的应用 （全文刊登于 《施工技术（中英文）》2022年第1期）
张延欣,梁全雷,丘志东,张龙.静水压力释放技术在地下工程中的应用[J].施工技术(中英文),2022,51(01):85-88.
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本文责编：王涵
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