城市明挖法地下工程抗浮計算與安全系數(shù)取值探討

吳 崗，楊偉良

（1.深圳市市政工程設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳百勤建設工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

地下水對地下工程的浮力作用是最明顯的一種力學作用。由于水浮力作用，導致地下空間結構發(fā)生整體上浮破壞或結構局部破壞的事故常有發(fā)生，關于抗浮穩(wěn)定性計算以及穩(wěn)定安全系數(shù)取值計算缺乏統(tǒng)一的認識，現(xiàn)行設計規(guī)范對抗浮穩(wěn)定性驗算規(guī)定都不全面，沒有明確的設計表達式，或者沒有系數(shù)取值的規(guī)定，給抗浮設計帶來一定的困難。國內不少學者開展了關于抗浮穩(wěn)設計相關方面研究，劉海燕等[1]通過地下糧倉室內縮尺模型注水模擬上浮試驗，提出了回填灰土中地下糧倉浮力折減系數(shù)為0.86。劉海龍[2]從工程實例出發(fā)，分析了地下室抗浮設防水位的確定、抗浮設計及抗浮錨桿使用效果。劉博懷等[3]通過室內模型試驗，研究了黏土地基滲水引起的建筑物基底浮力折減問題，發(fā)現(xiàn)了滲流對浮力折減的影響規(guī)律：浮力折減系數(shù)隨著滲流水位的升高逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

上述學者提出的抗浮計算方法，部分可實施性有待進一步研究，簡單抗浮計算復雜化，一定程度增加抗浮設計難度。本文討論現(xiàn)行規(guī)范地下工程抗浮穩(wěn)定性的計算公式及系數(shù)取值，結合工程案例提出城市明挖法地下結構工程抗浮穩(wěn)定性的綜合計算式及抗浮安全系數(shù)建議值。

1 抗浮穩(wěn)定性計算現(xiàn)狀

近年來，有不少地下建筑因地下水的作用而造成工程事故，有的造成了較大安全隱患，有的造成不同程度的財產(chǎn)損失，引起社會各界關注和專業(yè)部門的研究，相關規(guī)范、標準也在補充和完善之中[5]。

《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ476—2019）第6.4.1條規(guī)定：計算區(qū)域地下結構底板剛性時，各區(qū)抗浮穩(wěn)定狀態(tài)應按式（1）進行計算確定。

式中：Kf——計算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)；ΣW——計算區(qū)域總抗浮力標準值，kN；A——計算區(qū)域的底板面積，m2；ΣFf——計算區(qū)域地下結構底板所承受的浮力標準值總和，kN/m2。

《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》（TB10025—2019）第8.2.8條規(guī)定：抗浮設防水位應考慮地下水補給和排泄條件、設計使用年限內歷史地下最高水位并結合地方經(jīng)驗確定?？垢》€(wěn)定性可按式（2）計算。

式中：ΣW——槽型擋土墻自重、槽內靜荷載、作用在踵板上的有效配重以及抗拔措施提供的抗浮力之和（kN），計算土體配重時，地下水位以下部分應采用飽和重度；Nw——地下水作用在槽型擋土墻上的浮力（kN），地下水位應采用抗浮設計水位；Kf——抗浮安全系數(shù)。

《地基基礎設計規(guī)范》（DGJ08-11—2018）第12.3.2條規(guī)定：采用自重或樁基抗浮的地下建筑抗浮穩(wěn)定驗算。

式中：Ff——浮力設計值，kN；G——地下建筑物自重標準值及其上作用的永久荷載標準值之和，kN，不包括可變荷載；γf——自重抗浮分項系數(shù)可取1.05～1.1，當僅采用自重進行抗浮時不宜小于1.1；n——抗拔樁樁數(shù)；Rtd——單樁抗拔承載力設計值，kN；γb——浮力作用分項系數(shù)，取1.0；γw——水的重度，kN/m2，可按10kN/m2采用；Vw——地下建筑物排開水的體積，m3。

《市域快速軌道交通設計規(guī)范》（TCCES2—2017）第12.3.4條規(guī)定：結構應根據(jù)地質、埋深、施工方法、環(huán)境影響等條件，在必要時進行抗浮、整體滑移及地基穩(wěn)定性驗算。

《建筑地基基礎設計規(guī)范》（DBJ15-31—2016）第5.2.1條規(guī)定：地下室抗浮穩(wěn)定性驗算。

當?shù)叵率易灾丶暗孛嫔献饔玫挠谰煤奢d標準值的總和不滿足式上式的要求時，應有抗浮措施。

《水電站廠房設計規(guī)范》（SL266—2014）第5.2.3條規(guī)定：廠房整體抗浮穩(wěn)定應按式（6）計算。

式中：γ0——抗浮穩(wěn)定結構重要性系數(shù)，結構安全級別為Ⅰ級、Ⅱ級的廠房宜分別取1.1、1.05；ψ——抗浮穩(wěn)定設計狀況系數(shù)，宜取1.0；Ufd——浮托力作用設計值，kN；Usd——滲透壓力作用設計值，kN；γd——抗浮穩(wěn)定結構系數(shù)，宜取1.1；ΣW—含水重力的全部重力設計值之和，kN。

《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規(guī)范》（GB50086—2015）第11.2.4條規(guī)定：抗浮錨桿應進行整體抗浮穩(wěn)定驗算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)可按式（7）計算。

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》（GB50838—2015）第8.1.9條規(guī)定：對埋設在歷史最高水位以下的綜合管廊，應根據(jù)設計條件計算結構的抗浮穩(wěn)定。計算時不應計入綜合管廊內管線和設備的自重，其他各項作用應取標準值，并應滿足抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)不低于1.05。

《地鐵設計規(guī)范》（GB50157—2013）第11.6.1條規(guī)定：結構設計應按最不利情況進行抗浮穩(wěn)定性驗算?？垢“踩禂?shù)當不計地層側摩阻力時不應小于1.05；當計及地層側摩阻力時，根據(jù)不同地區(qū)的地質和水文地質條件，可采用1.10～1.15的抗浮安全系數(shù)。

《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007—2011）第5.4.3條規(guī)定：建筑物基礎存在浮力作用時應進行抗浮穩(wěn)定性驗算，并應符合下列規(guī)定：對于簡單的浮力作用情況，基礎抗浮穩(wěn)定性應符合式（8）要求。

《泵站設計規(guī)范》（GB50265—2010）第6.3.7條規(guī)定：泵房抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值，不分泵站級別和地基類別，基本荷載組合下不應小于1.10，特殊荷載組合下不應小于1.05。

《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94—2008）第5.4.5條規(guī)定：承受拔力的樁基，應按式（9）、式（10）同時驗算群樁基礎呈整體破壞和呈非整體破壞時基樁的抗拔承載力。

地下水浮力的確定以及地下結構的抗浮計算缺乏統(tǒng)一的認識，現(xiàn)行規(guī)范對抗浮穩(wěn)定性驗算中水浮力計算、抗浮荷載計算、抗浮計算公式的規(guī)定不全面，不明確?？垢∮嬎悴唤y(tǒng)一，給抗浮設計帶來一定的困擾。

2 地下工程浮力和抗浮力的確定

近幾年由抗浮引起的幾起工程事故，引發(fā)設計人員再次審視抗浮設計問題，如何做到抗浮設計安全可靠、經(jīng)濟合理是抗浮設計中難以把握的尺度。對浮力、抗浮力的取值須慎重。

水浮力和結構抗浮力是抗浮設計的兩個關鍵因素?？垢≡O防水位應該是住建局及相關部門在搜集該地區(qū)水文地質資料，具有代表性區(qū)域設置觀測井，綜合城市規(guī)劃情況（城市水景、江河湖海等防滲處理措施等人為因素）的基礎上給定[2]。

當?shù)叵陆Y構處于滲透性很低的黏土層時，由于滲透過程的復雜性，黏土中基礎所受到的浮托力往往小于水柱高度，浮力可作一定折減，但尚缺乏必要理論依據(jù)，很難確切定量[6]。

運營期間，抗浮設計水位要根據(jù)地下水補給和排泄條件、設計使用年限內歷史最高水位并結合地方經(jīng)驗確定，不要直接采用勘察期間實測地下水位[7]。

由于抗浮設計貫穿項目全壽命周期，期間地下水環(huán)境是在不斷變化中，為了確保使用年限期間抗浮安全，計算仍以經(jīng)典的阿基米德定律為基礎[2]，即地下結構工程的浮力等于設計抗浮水位以下工程部分的排水體積乘以水的重度［或者等于設防水位以下地下建（構）筑物底板底的設防水頭乘以設防水位以下底板面積］。

抗浮水位的設定具有一定的經(jīng)驗性，施工期間應按常水位或施工期可能預見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設防水位應結合城市防洪標準、工程區(qū)域水文地質及建構筑物重要性等級分級設定。地鐵工程設防水位可同出入口防洪設防高程一致。

抗浮力除了包含結構自重、頂板壓重之外，尚應考慮結構內部在使用階段的永久荷載、抗浮措施荷載。

3 各規(guī)范的抗浮穩(wěn)定系數(shù)規(guī)定

國內相關規(guī)范中，抗浮穩(wěn)定性穩(wěn)定驗算一般采用單一安全系數(shù)法，抗浮安全系數(shù)取值不同規(guī)范存在差別，取值范圍一般為1.0～1.2，如表1所示。

表1 各規(guī)范抗浮穩(wěn)定系數(shù)取值

抗浮安全系數(shù)取值大小不僅涉及工程的經(jīng)濟合理性，更涉及工程安全可靠性?？垢》€(wěn)定安全系數(shù)允許值的確定，以泵房不浮起為原則[8]。對管道的上浮穩(wěn)定，因為無論是地表水或地下水的水位，變異性大，設計中很難精確計算，因此條文給予了適當提高，穩(wěn)定安全系數(shù)應控制在不低于1.10[9]。

結合以往工程設計經(jīng)驗，工程所處水文地質條件一般時，抗浮安全系數(shù)可取1.05，以確保地下結構不浮起，工程所處水文地質條件復雜時，抗浮安全系數(shù)可提高至1.1，并應開展抗浮專項設計及審查。

4 抗浮穩(wěn)定綜合計算式

現(xiàn)行規(guī)范計算公式不全面、不統(tǒng)一，抗浮抵抗力只計入永久作用，可變作用和側壁上的摩擦力不需計入[9]。結合抗浮穩(wěn)定性原理建議地下工程僅考慮自重和同時考慮抗拔措施情況下的抗浮綜合計算式。

式中：Gk——建（構）筑物自重、壓重及其他永久荷載標準值之和，kN；Ff——按照使用階段抗浮設防水位或施工期臨時水位計算的浮力標準值，kN；Tk——基樁、錨桿或結構側壁的側摩阻力抗拔極限承載力標準值；Gt——基樁自重、群樁或群錨基礎中單樁（錨）等效樁（錨）土自重，地下水位以下取浮重度；n——抗拔樁或抗拔錨桿樁數(shù)；γf——靜水壓環(huán)境下水浮力分項系數(shù)，宜取1.0，水文地質條件復雜環(huán)境宜取1.1；γgf——自重、壓重及其他永久荷載標準值抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，宜取1.0～1.05；當僅采用自重進行抗浮時，不宜小于1.05～1.10；γtf——基樁、錨桿或結構側壁的側摩阻力抗拔安全系數(shù)，宜取2.0。

5 工程案例

某地下道路結構橫斷面尺寸10.5m×8.16m，頂板覆土1m，回填土飽和重度按照18kN/m3，抗浮水位取設計地面高程，采用樁徑0.8m，長6.0m的鉆孔灌注樁做抗浮樁，縱橫向按6m等間距布樁，樁中心線與通道結構內墻重合，橫斷面上樁數(shù)為2根@6m，土層分布及樁側土的極限摩阻力標準值見圖1，抗浮穩(wěn)定計算見表2。

圖1 某地下道路橫斷面（含地質）

表2 抗浮穩(wěn)定計算

本文提出的公式統(tǒng)籌抗浮作用中自重、覆土壓重、抗拔樁等措施（其中道路鋪裝層可作為抗浮安全儲備），明確各抗浮因素作用安全系數(shù)，具有綜合性，可為工程技術人員參考。

6 結語

（1）對透水性地層，建議抗浮計算中的水壓力采用靜水環(huán)境中水浮力。當有承壓水或滲流作用發(fā)生時，應考慮上述壓力水頭作用，適當提高或降低抗浮安全系數(shù)，開展抗浮專項設計論證。

（2）地下水作用作為地下工程的永久荷載，結合設計經(jīng)驗，其作用分項系數(shù)γf≤1.0。

（3）由于地下結構外側地層的擾動，地層側摩阻力發(fā)揮需要一定時間，且具體抗浮貢獻值不可準確度量，發(fā)揮程度因不同環(huán)境變化較大，結合設計經(jīng)驗，可不考慮結構側墻外側地層側摩阻力貢獻值，僅作為地下工程抗浮的安全儲備。

（4）施工期間應按常水位或施工期可能預見的最大水位考慮，正常使用期間的抗浮設防水位應結合城市防洪標準分級設定。地鐵工程設防水位可同出入口設防高程一致。

（5）抗浮穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)建構筑物重要性等級匹配抗浮設防等級，正常使用階段取值范圍1.05～1.1，施工期間抗浮穩(wěn)定系數(shù)≥1.0，且整個施工期不應停止坑內降水作業(yè)以保障抗浮穩(wěn)定，尤其是雨季。

（6）增加抗浮儲備的措施選擇應綜合比較增加壓重、自重及抗拔樁（錨）等技術經(jīng)濟分析，并結合工程地質及工程自身特點擇優(yōu)選擇。

（7）整體抗浮滿足上述規(guī)定，但局部抗浮不滿足時，可考慮提高結構剛度措施。