浅谈次生环境对建筑物抗浮的危害以及后处理措施和防治方法

摘要：随着地下空间工程的广泛使用，地下空间工程的问题也就日益突出。由于地下空间埋置于地面以下，容易受到地下水浮力的作用。设计和施工时如果不考虑小环境或次生环境对建筑物抗浮的影响，就有可能会因为抗浮设计的不足从而引发建筑物上浮甚至结构破坏等重大工程质量事故。本文就是通过对这样一个工程事故发生的原因和后处理措施进行分析，达到发现问题、解决问题的目的。并提出防止此类工程事故发生的防治方法以供参考。

关键词：次生环境；抗浮设计；工程事故；后处理措施；防治方法

随着城市建设的发展，城市可开发的土地资源越来越有限。开发和利用地下空间工程已成为城市发展的趋势和重要组成部分。如今高层建筑、超高层建筑的不断出现，其基础埋置深度较大，开发利用其基础面至地面的这段浅层空间做为地下停车库、地下商场等已越来越普遍。这些地下空间工程由于埋设于地面以下且埋置的深度较深，容易受到地下水浮力的作用。因此，在设计、施工及使用过程中都要考虑地下水浮力的影响，否则将有可能造成抗浮不足引发建筑物上浮甚至结构破坏，导致工程事故的发生。

将建筑物所处位置的地理环境、地质构造、地下水文情况及气候条件定义为“大环境”；而将施工时对建筑物周围产生的深基坑、回填形成的局部土质结构、局部地下水文情况以及建筑物周围新生成的区域环境定义为 “小环境”或“次生环境”。

“大环境“是自然界经过长期的沉积演化生成的，其存在状态相对稳定。在工程设计前期阶段，通过钻探、采样、试验等方式收集大环境的各个要素及技术参数；设计阶段通过对数据的统计分析结果做为工程设计的依据。因此，能够有效预见并避开大环境对建筑物抗浮的影响。“小环境“或”次生环境“是在施工阶段或使用阶段人为造成的，随着施工条件、施工工艺、施工方法以及使用功能的不同而存在差异。在工程设计阶段很难准确掌握小环境或次生环境的存在状态或影响范围。因此，往往对小环境或次生环境估计不足甚至忽略了其对建筑物抗浮的破坏性。本文主要通过某在建工程在抗浮设计中没有考虑小环境或次生环境的影响，导致设计抗浮不足引起建筑物上浮以及基础冲切破坏，并通过其处理方法探讨相关后处理措施及防治方法。

1 工程实例

南宁市某在建工程，是集办公、健身娱乐及购物于一体的综合楼。总建筑面积约为1.2万平米。地上三层（局部两层），地下两层，基础埋深9.5米。该建筑物地处丘陵地带，西侧为一狭长的沟谷，南面及西北面均为土坡，东面及东北面地势较为平缓。《地质勘察报告》显示地下水位很低、局部有煤层且煤层分布不均匀等。设计阶段考虑地下水水浮力不足以造成建筑物上浮或破坏。因此，采用的基础形式为独立承台加筏板基础，筏板厚300mm；对于局部遇到煤层的，将煤层挖透并且采用人工级配砂石换填，压实系数≥0.94。

基础施工时发现2~6轴线承台底标高处出现煤带，且贯穿南北。施工单位按设计图纸要求将煤层挖透，采用砂子和河石按一定比例进行拌和后换填压实，最大换填厚度在4轴交D轴处约为1.5米深。装修后期阶段进行地下室土方回填。此时，西面景观水系正在进行修坡施工，在靠近建筑物一侧正好形成一个大缺口。回填后不到1个月即2009年5月20日，当地雨季提前，连下2天小到中雨总降雨量约为60毫米。此时建筑物屋面结构板出现裂缝，建筑物开始上浮；5月28日下午至29日上午再次出现强降雨，一次降雨量高达100毫米。结构局部上浮变形量超过结构自身的极限变形量，造成4-D承台冲切破坏。此时，室外地下水通过基础破坏处涌入地下室约3500立方米。浮力瞬间释放，建筑物迅速沉降，沉降量超过上浮量。原结构裂缝绝大部分闭合，同时局部砌体出现反向裂缝。造成严重的工程质量事故。

2 事故原因分析

该工程是一个很典型的案例，是由于忽略了小环境或次生环境对建筑物抗浮方面的影响造成结构设计抗浮不足从而引发的工程质量事故。事故发生可以归结为以下几方面原因：

1、深基坑工程。本工程基础埋置深度为9.5米，采用钢管桩及挂网锚喷方式进行基坑支护。对周围土体形成封闭的不透水层，导致回填土土体内沉积的地下水不能自然且迅速的流走而形成小范围内水位上涨超过设计时的地下水位。

2、基础底部出现透水层。该工程2~6轴线超挖部分采用人工级配砂石换填且贯穿建筑物的南北向。在无水环境下，级配砂石经过碾压夯实其承载力可满足本工程对地基土承载力的要求。但是，由于砂石易透水性使得一旦基坑内有积水，积水很快就能透过基础底部而形成向上的水浮力。

3、建筑物周围存在大范围的汇水面积。工程施工过程中，在基坑周围没有设置有效的排水沟或阻水围挡。导致西面、南面、东北面约4万平米的雨水迅速汇集到建筑物周围并渗入基坑回填土内部，形成超高水位。

以上三个方面因素的综合影响，导致本工程结构抗浮设计不足，从而引发基础局部上浮，且上浮变形量超过结构自身极限变形量后发生基础冲切破坏的工程质量事故。

3 事故后处理措施

通过对事故产生的原因分析，我们知道这类事故的发生主要是由于地下水浮力大于建筑物自身重力或局部结构的承受力造成的。根据这类工程事故的性质，我们可以从降低地下水浮力的影响或者增强建筑物自身抗浮能力这两个方面入手。确实保证建筑物的结构安全和满足使用功能的要求。

（1）、降低地下水浮力的影响。降低地下水浮力的影响是最直接也是最有效的方法。实施过程中可以通过有效降低地下水位或者阻止地下水透过基础底板的方式达到降低地下水浮力的目的。其常用方法如下：

①、井点降水在建筑物周围按一定密度布置井管，使土壤中的水渗透到井管内，再通过抽水设备将地下水从井管内抽出地面并有组织排走。操作时，可根据土壤的渗透系数、降水深度来计算确定选用的设备型号、管井的深度及布置的密度等。这种方法降水效果明显，常被用做事故过程处理。如果长期使用，管理难度大、成本较高且影响室外其他使用功能。

②、泻水孔降水在地下室外挡土墙上或底板上按一定密度及数量进行开孔泻水，使地下水通过这些泻水孔排入地下室内以达到降低室外地下水位的目的。实施过程中，可根据基坑周围或底板底部回填土的渗透系数计算确定开孔的数量及分布情况。并在地下室外墙内侧设置排水沟，将泻水有组织排入集水井内再抽出室外。对于底板开孔的，可以在底板的排水沟内开孔，如排水沟密度不够可多开设排水沟。注意定期检查泻水孔滤网，防止滤网堵塞影响排水。

③、止水帷幕对于建筑物基础及底板落在不透水层上，但由于其他原因造成局部区域有回填形成透水层的情况，可采用止水帷幕的方式将基坑外地下水隔离开，使之形成封闭的区域。这样可以避免地下水渗透到基础或底板底形成向上的水浮力。其做法为：在回填区域与地下室外墙交接处进行高压注浆使周围土体固结形成不透水的屏障。操作时要注意计算好注浆孔的间距、排数、水灰比等。

④、土体固化其做法与止水帷幕的做法相似。就是将基础及底板底的软弱换填层全部注浆固化，如有必要也可将基坑回填土进行固化形成不透水层。但是固化的质量及效果很难把握，同时全部固化体量较大、成本较高。

（2）、增强建筑物自身抗浮能力。由于地下水位较高，水浮力大过建筑物整体或局部的自重时，引起的整体上浮或者局部上浮。为了抵抗地下水浮力，可以采用增加结构自重或借助外力的方法抵消或克服地下水的浮力，使结构达到新的稳定状态。其常用方法主要有：

①、加载在建筑物结构安全许可的前提下，可采用加层的方式增加建筑物的自重。也可以在其地下室采用底板加厚的方式增加自重。但是，加层的方式难度较大、手续繁杂往往不被采用。而增加底板厚度的方式可能会影响地下室底层的使用空间。所以，加载做为过程处理方法常被采用，即临时增加一些活载，待处理完成后撤掉。而一般不优先考虑做为最终的处理方法。

②、抗拔桩在建筑物抗浮不足的部位设置一些抗拔桩，通过抗拔桩与土壤的摩擦阻力来抵抗地下水的浮力。这是建筑抗浮设计中最常用也是最有效的方法，可以通过机械成孔或人工挖孔的方式完成。但是，做为事故后处理措施，存在一定的局限性。首先，地下室空间小机械成孔操作难度大；其次，人工成孔危险系数高。

③、锚杆法锚杆法和抗拔桩的性质相似，都是利用摩擦阻力来抵抗浮力。但是，所不同的是锚杆法是事先给锚杆施加一定的预应力，通过钢绞线将预应力传递给深埋于土壤中的砼锚杆。利用预应力抵抗地下水浮力。这种方法的使用寿命较短，随着预力的减弱而逐渐失去作用。且由于钢绞线埋置于地下，受地下水的侵蚀受损也会慢慢失去传力功能。

以上提到的各种处理方法均有其优缺点，以及不同的适用环境。因此，在选用时一定要结合现场的实际情况综合分析。根据需要可以同时选用其中的一种或多种方法。本文中提到的工程案例就是多种方法相结合使用的成功案例。即1~7轴线在地下室挡土墙内侧底板采用止水帷幕将大部分地下水堵住，在换填区域内对底板进行开孔泻水，并对承台底的换填层进行注浆固化。另外，还在地下负二层的周边挡土墙上开孔泻水，有效降低了室外水头。同时，将底板面300mm厚的建筑做法进行调整，将煤渣找坡改成素混凝土找坡增加底板自重。既满足使用功能要求，又保证结构安全同时比较经济实用。

4 事故防治方法探讨

在了解了此类工程事故的事故性质及其发生的诱导因素后，我们可以从设计、施工到使用过程的各个阶段做好必要的防治工作。减少事故发生的概率。

（1）、设计阶段除了要考虑大环境条件下建筑物最不利的抗浮验算，还要考虑小环境或次生环境条件下建筑物的最不利的抗浮验算。因此，建议在抗浮验算时，将地下水位的高度假定为基坑顶面高度来进行验算。同时，对于基础底板底部地质条件比较复杂的，出现有软弱土层或煤层需要换填的尽量采用素混凝土或毛石混凝土进行换填。

（2）、施工阶段在基础施工时，如果控制不好造成土方超挖，严禁私自采用松土或砂石回填。须采用经设计单位同意的材料进行回填。施工过程中，如果建筑物的自重还没达到设计抗浮荷载时，建议先不对地下室基坑进行回填。同时，在建筑物周边的景观工程或辅助工程未完成前即地面雨水排水系统没有形成之前，仍有必要设置临时排水系统，避免地表水灌入基坑回填土内形成高水位。

（3）、使用阶段做好日常雨水及生活污水的收集及排放工作，经常检查维修建筑物周围排水系统运作是否正常。避免大量雨水或生活污水排放入建筑物周边土层内形成高水位。注意建筑物周围园林景观或辅助工程等配套设施的完善及保持。如周围小环境有重大改变时，需先做好对建筑物危害程度的评估及验算。

5 全文小结

本文通过对某在建工程受次生环境影响，造成建筑物抗浮不足引起局部上浮破坏的原因分析以及处理过程的总结。提出类似工程事故的处理措施及防治方法。希望引起人们对次生环境的重视，通过设计、施工及使用过程各个阶段的防治工作，以确保地下空间工程的结构安全及满足使用功能要求，杜绝类似工程事故的发生。