静水压力释放层技术原理及应用

静水压力释放层技术原理及应用

张伟国

身份证号码：440902198510183792

【摘要】伴随着城市化进程的不断加快，城市发展越来越严重地受到土地资源紧缺、水资源匮乏、交通拥堵、人口密度过高等城市综合征的制约。城市地下空间的开发是优化城市资源空间资源、实现城市用地内涵式发展、发掘城市用地开发潜力的重要途径。对于地下空间开发的深基坑工程，结构抗浮是必须考虑的问题。由于传统的基底抗浮工艺费时费力、资源耗费量大、公害污染严重的缺点，静水压力释放层技术随着建筑施工技术的提高和科技的进度，使该技术的应用打开了一个广阔的前景。特别是超大深基坑结构抗浮静水压力释放技术具有安全适用、技术先进、经济合理、确保工程质量、保护环境的优点。随着国家对环境保护越来越重视，静水压力技术符合海绵城市的设计理念，是地基基础设计和施工中绿色建筑工艺的代表。

【关键词】深基坑；结构抗浮；静水压力：绿色建筑

前言：通过广州国际金融城AT090902地块项目有限元模型分析，说明了静水压力释放技术可有效降低基底水压力，达到消浮的目的。结合相关技术规程和工程实例，总结了静水压力释放技术在实际施工中应用以及在施工中要注意的问题、特殊部位的节点做法，为今后该技术的应用和推广提供参考。

1.静水压力技术原理及应用：

1.1技术原理构造

静水压力释放技术是一种用于基础底部消除地下水浮力造成结构危害的排水抗浮方法，主要原理是在基础下方设置具有过滤、导水、集水、出水等功能的静水压力释放层，使基底以下的压力水通过静水压力释放层中的透水系统，经由集水系统自然溢流至出水系统，通过出水系统将渗流水导至专用水箱或集水井中排出，使静水压力得到控制[1]。然后再通过溢流限位及潜水泵等联动装置，将集水井或水箱中的地下水导走，持续收集的地下水可用于城市灌溉等领域使用。

                         排水层剖面示意图

1-排水沟，2-疏水底板，3-预制板，4-支墩

1.2应用时机

根据静水压力释放技术具有的特点，该技术主要应用于常年地下水位较高，且以淤泥质土为主要地层的南方地区。

（1）结构物全面存在水浮力过大，可能造成底板破坏的情况。

（2）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。

（3）补偿式基础坐落于低透水低层，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（上部重量不足），可能遭逢长期降水导致地下水浮力陡增，造成基础底板及地下室楼板破坏的情况。

（4）当结构重量不能满足地下室抗浮验算时，地下室应底板应设置抗浮桩或抗拔锚杆，或者采取其他有效措施[2]。

1.3应用条件

（1）采用水密性挡土设施（如：连续墙、挡土排桩+止水灌浆）设计时：基础下方到挡土设施底端，必须有厚度大于2.0m且渗透系数k小于等于0.0001cm/s的土层或岩层。

（2）采用非水密性挡土设施（挡土排桩）设计时：基础上、下方2m全部为渗透系数k小于等于0.00001cm/s的土层或岩层。

（3）采用放坡开挖（明开挖）时：基础面上、下方2m必须全部为渗透系数k小于等于0.00001cm/s的土层或岩层，并须评估地层水平渗透系数（kh）及垂直渗透系数（kv）之影响。地下室完成开挖面回填时，最下方须配合回填至少2m渗透系数k小于等于0.00001cm/s的低透水性土壤。

（4）经评估基底土层每平方米每天的出水量Q≤0.03立方米的建（构）筑物。

2、两种方案的价值比较

2.1静水压力施工技术与抗浮锚杆

4、工程案例

4.1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㎡，其中地下建筑面积11.8万平方米，地上建筑面积23.2万平方米。包括塔楼、裙楼和变电站三部分，其中主塔楼地上65层、地下5层，裙楼地上9层、地下5层，变电站地上4层、地下5层。本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，变电站上部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构。

根据勘察资料显示，本工程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，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。本工程基础底板处于中、微风化砂岩中，岩层透水性弱，可以采用静水压力释放层技术进行排水抗浮[3]。

地下室底板下设计了静水压力释放层；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，地下室底板下设置排水架空层，架空层高度250mm，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CMC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，该技术同时本工程也是广州首例应用静水压力释放技术的项目。

为了防止侧壁的水进入疏水层，在地下室负三夹层以下回填C15素混凝土。在地下室底板下设置排水沟和安装高度250mm的预制混凝土板架空层，将底板以下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，从而达到地下室的降排水目的。

静水压力释放层剖面图

5、静水压力层的施工及节点处理

5.1.施工顺序

5.2开挖至底板标高、基层整平清理

本工程基坑面积22175m2，除在东北角的出土坡道外，其余土方已经基本开挖完成，前期基坑施工单位对坑底浇筑混凝土进行了封闭，坑底平均标高约为-27.45m（具体标高详场地交接时的方格网），但是经测量后发现整个场地标高差异较大，并且在扩展基础、条基、集水坑、水沟开挖过程中，导致原坑底封底混凝土破坏。

因此施工中根据现场实际垫层破损的情况，分段对原封底混凝土破坏的位置进行重新浇筑C15砼垫层修复。对于出土坡道部位还没开挖的部位，在开挖过程中严格控制开挖场地标高，保证基坑底面的平整度，便于后续工序的施工。  

5.3承台、集水井、排水沟开挖

疏水层内的水沟为素混凝土水沟，混凝土强度等级C15，即15Mpa。起集水和排水作用。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。

按设计要求，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，在混凝土初凝后拔出插板，形成伸缩缝。

5.4混凝土支墩定位放线

5.4.1放线定位预制盖板加工

预制板的加工统一在厂房内进行加工，预制板的底部模板采用可滑动的3.5m×12m的钢模，在预制板制作前需提前在钢板上进行涂刷水性脱模油，以保证预制盖板与钢模板的有效分离。

预制盖板的尺寸精度要求控制在3mm负偏差范围内，并且在制作1m×2m的预制盖板要求厂家按照993mm×1993m，以保证在预制板安装后有10mm左右的缝隙进行调位。

（1）支墩位置的确定

由于基坑面积大、工期比较紧张、测量放线工作量大，在施工前采用CAD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。

（2）支墩标高的确定

为加快施工进度、减少测量工作量，现场决定放弃水准仪+塔尺的测量方式，改用钢筋代替水平杆，先将两根水平杆立于场地事先确定的施工主轴线上，再将支墩面标高引至水平杆上（并且在水平杆上标识上一个支墩、两个支墩的标识点），在两根水平杆标高红线间拉通线来确定整条轴线上支墩的面标高。

5.5铺设混凝土支墩及高差修正

在现场测量后，根据现场标高情况进行分块施工，将场地整平并浇筑垫层后，放线进行混凝土预制支墩的放置。针对支墩底部高差小于15cm需采用现场浇筑C30砼的方法使支墩顶面标高达到设计图纸要求，现场利用模板制作一个200mm×200mm×150mm的木盒子，再在木盒上做好高差的标记，在支墩位置中心点直接放置木盒子并进行支墩混凝土的浇筑C30砼。对于局部部位修正具体作法：

1）高差<5cm时，采用1：2水泥砂浆抹平垫底上面放置混凝土支墩。

2）5cm<高差<15cm时，采用水泥砂浆抹平垫底后砌砖，再在砖上抹砂浆放置混凝土支墩。

3）高差>15cm时，采用水泥砂浆抹平垫底上面放置两块混凝土支墩，混凝土支墩与支墩间采用粘贴胶水紧贴，防止混凝土支墩滑移。

5.6铺设钢筋混凝土预制板

5.6.1预制板的验收

为保证预制板的质量满足设计及施工要求，对预制板的设计、现场安装排板进行全程跟踪，在预制板制作完成后事先进行尺寸、完整性、承载力等各项指标的验收，验收合格后方可运输至施工现场进行安装。

（1）预制板形状及尺寸的优化

由于现场施工场地不规则、承台尺寸多变、底板厚度不完全一致等原因，通过在CAD软件进行预先排板后，经设计同意，将预制板形状及尺寸进行优化，让施工能够更为方便快捷。

（2）预制板的定位

为加快施工进度、减少材料浪费、节省人工成本，采用CAD软件预先进行现场预制板排板定位，计算好预制板数量及支墩和预制板的定位。(具体见附图)

（3）预制板的安装

由于预制板尺寸及重量较大，仅靠工人手动安装难以进行，现场拟定采用手动液压叉车进行搬运安装。对于部分无法用叉车安装的位置，通过工人在预制板的四个预留孔处用拉杆进行安装。

5.7节点处理

5.7.1后浇带

本工程地下室底板后浇带的宽度为1000mm，后浇带区域的预制板同样进行整体铺设，为了确保后期在浇筑后浇带前对垃圾、淤泥及积水等的有效清理，在每段后浇带设置两个集水井（集水井砖模顶平预制盖板面，集水井底部面平支墩垫层面），用于后浇带浇筑前的清理及临时的抽排水，大样图如下图示，设置集水井防止后浇带位置积水造成钢筋污染等。后浇带位置增加设置的集水井在浇筑后浇带砼时一起浇筑。

5.7.2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［4］。

5.7.3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。

独立柱基础承台示意图

5.7.4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混凝土板面标高，沿着格构柱周边砌胎膜，砌胎膜内部采用C20混凝土进行回填。外侧采用25厚1：2.5水泥砂浆抹平，混凝土养护至规定强度后浇筑地下室钢筋混凝土底板。

5.8预制板拼接处填缝

由于施工场地不规则、测量放线存在误差等情况，使预制板之间可能存在较大缝隙，为保证底板浇筑混凝土时不会漏浆以及施工方便，在预制板排板时截面尺寸减少7mm（预制板制作精度3mm负偏差）及安装时尽量使板与板之间更紧凑、缝隙更小，并先采用泡沫胶条进行塞缝，然后上部再采用砂浆进行补缝。

为确保砼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一道，宽度200mm→→粘贴100mm宽丙纶布→→丙纶布面上涂刷200mm宽水泥浆保护层一道。

5.9底板结构施工

板缝填塞处理完毕后，我们在预制板上直接进行底板钢筋混凝土的施工，底板混凝土取消抗渗设计，主要利用疏水层实现底板防水设计。

6、关键技术及创新点

6.1.技术关键及难点

技术关键：静水压力释放层预制板的安装。

技术难点：(1)由于施工场地不规则、测量放线存在误差等情况，使预制板之间可能存在较大缝隙；局部不规则部位预制板无法精确安装和转运，可能会导致静水压力释放层里的地下水渗漏至底板以上，达不到静水抗浮压力的作用。从而静压中水不能完全抽送至地上的内支撑梁板，使水循环装置出现断路，无法更好的循环利用。

6.2.技术创新

相对于传统地下结构抗浮设计多用“抗”的方式设计，如采用增加自重法、抗拔桩或抗拔锚杆等，但对于深基坑抗浮设计，存在地下结构费用过高及具有潜在风险性。超大深基坑结构抗浮静水压力释放技术采用“放”的方式进行水浮力处理，且具有以下几点特色与价值：

（1）对基底水浮力进行调控，保障结构物基础不受地下水浮力危害，防止基础底板因水压力导致的上浮、变形。

（2）完全消除基础底板压力型渗水，地下空间能保持干爽，避免了地下室底板补漏、防渗、修复费用的支出。

（3）在施工期间以及建筑使用期间，通过静水压力释放层对地下水集水、排水，避免由于降水而导致基础上浮或破坏，特别在广东地区，很大程度上解决了雨期地下水的降排水问题。

（4）基础底板厚度减少，既减少了基础底板的钢筋混凝土用量，又降低了基坑的开挖深度，缩短了施工工期。

（5）基础底板以及静水压力释放层施工速度快，远快于抗拔桩等传统工法的施工速度。

（6）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。

（7）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，体现绿色环保节能的环保观念。

7.应用效果

7.1.效益分析

7.1.1.经济效益分析

本工法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（静水压力释放层工程造价约为269万元，抗浮锚杆的造价约为890万元）。同时在工厂内进行预制板加工，现场整体吊装安装，实现了加工制作的专业化、批量化，不仅节约了人力、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。

7.1.2.节能和环保效益分析

本工程预制板由现场湿作业改为工厂干湿作业，不仅为现场节约了施工空间，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，同时施工过程中将静水压力释放层中的水从基坑下的集水井中抽到基坑上沉淀池集中，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，节省成本，又是项目绿色施工的重要一环。

结语：CMC 静水压力释放技术的一种新型抗浮设计方法，取消了传统防水层及抗浮锚杆的设计。该技术的应用，需要在详细的基底土层条件调查研究基础上，根据地质条件和基础结构资料，用相关岩土理论进行缜密分析后确定。与一般临时性使用的导水片、盲排网管简单构造设计不同，抗浮设计方法建立在精确的理论分析基础上。本技术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。同时在工厂内进行预制板加工，现场整体吊装安装，实现了加工制作的专业化、批量化。不仅节约了人力、材料，保证了安装精度，而且节约了大量工期。符合国家建设节约型社会的要求。采用工厂批量制作的方法，减少了施工过程中对周围环境的影响，体现了绿色施工的理念，符合现代化施工建设的要求。由于静水压力层水压力的释放，有助于地下水位压力的稳定。从而确保基础底板不会因水压力的变化而导致底板渗漏，有效的解决了地下室底板抗浮问题。保持地下空间干爽，减少地下室施工底板补漏、防渗费用的支出。保障了施工期间不会因长期降雨造成基础上浮或破坏。同时可以充分利用地下水资源，实现了地下水资源的循环利用，有利于文明施工、各种资源能较好利用，节能和环保效益明显。同时可以有效地提高企业的管理水平，增加企业在建筑市场上的竞争力。

参考文献：

[1] DBJ/CT077—2010 CMC静水压力释放层技术规程[S]. 上海市建筑建材业市场管理总站,

[2] DBJ/15-31-2003建筑地基基础设计规范[S]. 广东省建设厅,

[3] 金融城项目基坑及场地详细勘探工程岩土工程勘察报告. 广 东 省 地 质 建 设 工 程 勘 察 院

[4]  王珮云，肖绪文.建筑施工手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社2011.