自流排水限压抗浮结构及施工方法与流程

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种自流排水限压抗浮结构及施工方法。

背景技术：

随着城市地下空间的不断开发和利用，地下建/构筑物地下室上浮的事故时有发生，造成了极大的社会影响和经济损失。如何经济、有效解决地下结构的抗浮问题，成为地下空间开发过程的热点和重点关键之一。当前各国对于地下结构抗浮设计多采用“抗”的方式设计，如采用增加自重法、抗拔桩或抗拔锚杆等抗浮结构，存在费用过高及具有安全风险性。排水限压技术采用“放”的思路进行水浮力的处理，是一种施工简单、经济性好的抗浮方法。

但现有的主动抗浮技术主要存在以下问题：1)集水坑布置在地下室内，引起地下室潮湿，同时存在集水坑中水外溢风险；2)排水管穿过防水层，施工难度大，在接缝处易渗水；3)运营期持续抽排水，消耗大量能源；4)大量排泄地下水引发周边地表沉降和附近建筑的破坏；5)无法监测建筑结构提供抗浮力，只能保守的将可变荷载和侧壁摩阻力忽略不计，导致部分工程抗浮设计浪费惊人；6)排水不畅引发的结构破坏等问题。由于存在上述不足，本领域需进一步完善和改进，设计一种适用于地下建/构筑物的自流排水限压抗浮结构，满足其的抗浮稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种自流排水限压抗浮结构及施工方法，实现了有限制的排水，节约地下水资源，达到限压的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自流排水限压抗浮结构，由透水系统、集水系统、排水系统和监测控制系统组成；所述透水系统和所述集水系统设于地下建筑物的底部，所述排水系统连接于所述集水系统，所述透水系统过滤土层中土颗粒使压力水汇聚到所述集水系统中并导流入所述排水系统，所述监测控制系统用于监测所述地下建筑物的受力和上浮情况并根据受力和上浮情况实时控制所述集水系统和所述排水系统排出地下水以控制基底压力，所述排水系统是利用场地地势高差布设的重力流管道并连通至市政管网或蓄水池。

可选地，所述透水系统由过滤层、设于所述过滤层上层的导水层和设于所述导水层上层的隔离层组成；所述过滤层采用土工布，铺设连续、顺直、表面平整；所述导水层采用粒径为10～20mm的砾石或碎石，所述导水层的厚度不小于300mm；隔离层是防止浇筑基础底板时混凝土浆液渗入所述导水层内的隔离膜。

可选地，所述集水系统位于所述过滤层和所述导水层之间，所述集水系统包括由沿地下建筑物底部纵、横两个方向均匀设置的多根多孔聚氯乙烯管组成的水平集水管网。

可选地，所述排水系统包括排水廊道，所述排水廊道沿所述地下建筑物外侧面的四周呈环状布置，且埋置深度低于所述排水廊道的抗浮力可抵抗基底水头的位置，地下水沿着所述排水廊道自流至市政管网或蓄水池。

可选地，所述排水廊道为设于所述地下建筑物侧边且上部覆土的外挑结构。

可选地，所述监测控制系统包括结构抗浮力监测单元、基底浮力监测单元、基底位移监测单元和排水阀室，分别用于监测地下建筑物所受抗浮力、浮力、基底位移量和控制排水设备工作状态；多个所述排水阀室沿地下建筑物周侧点状分布且分别位于所述地下建筑物和所述排水系统之间将所述集水系统与所述排水系统连接。

可选地，所述排水阀室内设有向上方拱起的排水管，所述排水管的一端与所述集水系统的出水端连接、另一端与所述排水系统连接，所述排水管上设有流量器、开关阀、止逆阀。

以及，一种自流排水限压抗浮结构施工方法，包括如下步骤：

挖设基坑，于所述基坑的基底铺设过滤层；

于所述过滤层的上层铺设水平集水管网；

布置用于监测地下建筑物的受力情况和上浮情况的监测控制系统并对所述监测控制系统进行调试；

于所述集水管网上层依次铺设导水层和隔离层；

于地下建筑物的周边进行排水廊道及排水阀室的土建施工；

排水阀室安装工程施工；

于所述排水阀室内进行管线连接、试水。

可选地，在挖设基坑的步骤中，机械开挖至设计标高时保留20cm土方，采用人工开挖，保证基坑底土层未被扰动破坏，当开挖超过标高时用砾石、碎石或中粗砂填平、压实，然后铺设所述过滤层。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：

1、排水系统设置在建筑外围和基础底板以下，抗浮结构均在防水层以外，施工方便，保障了防水层的封闭性，同时避免了因抗浮结构检修和维护对建筑正常运营的干扰。

2、利用场地地势高差，实现自流排水，节约能源。

3、监测控制系统对抗浮力、结构位移量、地下水情况进行监测，考虑了可变荷载的有利作用，发挥了侧壁摩阻力。首次提出根据基底底板上浮位移量，监测和预判抗浮的稳定性，允许产生适当位移情况下，能够发挥侧壁摩阻力和抗拔构件抗拔力。

4、抗浮结构动态调控排水限压，在可满足抗浮稳定性时不排水，节约大量地下水资源。

5、巧妙的将排水廊道设置成具有一定结构强度的外挑结构，依靠外挑结构自重及上部覆土，增强结构的抗浮能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明自流排水限压抗浮结构(形式一)剖面示意图；

图2示出了本发明自流排水限压抗浮结构(形式二)剖面示意图；

图3示出了本发明自流排水限压抗浮结构导水层剖面示意图；

图4示出了本发明自流排水限压抗浮结构在坡地场地联合其它抗拔构件工作剖面图；

图5示出了本发明自流排水限压抗浮结构排水廊道兼做外挑结构剖面示意图；

图6示出了本发明自流排水限压抗浮结构施工流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，作为一可选实施例，一种自流排水限压抗浮结构由透水系统、集水系统、排水系统和监测控制系统组成；所述透水系统过滤土层中土颗粒使压力水汇聚到集水系统中，并经集水系统导流入排水系统，监测控制系统根据抗浮力与水浮力关系、基底上浮位移量实时调控排水，控制基底压力水头，排水系统利用场地地势高差布设重力流管道排至市政管网或蓄水池15，此抗浮结构布置在地下建筑物17的防水层以外便于施工和维护，实现了水浮力与抗浮力的动态平衡，解决了抗浮安全、可持续发展和环境保护问题。

如图3所示，作为一可选实施例，透水系统由过滤层2、设于过滤层2上层的导水层4和设于导水层4上层的隔离层5组成；过滤层2采用土工布，铺设连续、顺直、表面平整；导水层4采用砾石或碎石，粒径10～20mm，厚度不宜小于300mm，需满足基底承载力和沉降要求；隔离层5是防止浇筑基础底板14时混凝土浆液渗入的隔离膜。

如图3所示，作为一可选实施例，集水系统位于过滤层2和导水层4之间，包括沿建筑纵、横两个方向均匀设置的水平集水管网3，集水管网3由外扎土工布包裹的多根多孔聚氯乙烯管组成，多孔聚氯乙烯管外部包裹的土工布达到过滤效果，以避免杂质进入管内造成堵塞。在地下水的渗流将地下水聚集到导水层4内，经导水层4汇聚进入集水管网3内，从而使得集水管网3的集水效果更好。铺设于集水系统下方的过滤层2用以过滤掉渗透至导水层4或集水管网3内地下水中的杂质。

如图1和图2所示，作为一可选实施例，排水系统由排水廊道1、备用抽水泵和预警器组成；排水廊道1独立于建筑物之外，便于维护和检修；排水廊道1沿建筑物四周呈环状布置，排水廊道1是利用场地地势高差布设的重力流管道并连通至市政管网或蓄水池15，引导地下水自流至低处的市政管网或蓄水池15，排水廊道1的埋置深度可与地下建筑物17的基底标高一致，也可在地下建筑物17的基底以上，埋置深度需低于排水廊道的抗浮力可抵抗水头的位置，根据场地地势、排水减压的压力值确定。如图5所示，且排水廊道1能兼做地下结构的外挑结构，其自重和上部覆土16的重量提供部分抗浮力。排水廊道可采用现浇混凝土、预制混凝土结构、玻璃钢夹砂管和高密度聚乙管等。在排水廊道1堵塞、排水廊道1排泄量不足情况下，预警器报警，可开启备用抽水泵进行抽水，提高排水效率。

如图4所示，作为更优的实施例，排水廊道1是利用场地地势高差布设的重力流管道并排至市政水井或蓄水池，节约能源，在场地地势高差有限，依靠自流排水降低浮力有限，且结构自重又不能抵浮力的情况，与其它抗浮措施联合保障抗浮稳定性。在本实施例中，地下建筑物17的底部埋设有多个抗拔构件18，以增加抗浮力。

监测控制系统由结构抗浮力监测单元、基底浮力监测单元、基底位移监测单元、场地地下水位监测单元和排水阀室6组成，分别用于监测地下建筑物17所受抗浮力、浮力、基底位移量、场地地下水位和控制排水设备工作状态。抗浮力监测内容包括：结构自重与外挑结构自重以及及上部压重荷载、抗拔构件18抗拔力和侧壁摩擦力；排水阀室6沿着建筑点状分布，将导水系统与排水系统连接，同时根据浮力和抗浮力关系、基底上浮位移量启停排水，实现调控基底压力水头功能。

根据位移监测单元监测地下建筑物17的基底底板上浮位移量，监测和预判抗浮的稳定性，允许产生适当位移情况下，能够发挥侧壁摩擦阻力和抗拔构件18抗拔力，在侧壁阻力、压力以及抗拔桩无法抵御浮力时，再调控排水阀室6内的排水结构，使地下水排出降低浮力。

水浮力根据基底孔隙水压力和受力面积计算得出，抗浮力包括结构及外挑结构自重及上部压重、抗拔构件18抗拔力和侧壁摩阻力，通过基底压力计、侧壁区域压力计、钢筋应力计等监测结果结合经验系数，计算得出抗浮力。上浮量是布置在基底和侧壁结构监测仪器测量的上浮变形量。监测项根据理论计算、地区经验、周边环境设定合理限值区间，避免仪器故障传输错误数据导致事故。

国内的现行规范抗浮验算对可变荷载和侧壁摩阻力不计，主要是因为两项受使用情况、侧壁界面材料、肥槽回填质量影响大，很难设定一个恒定值，本方案采用监测仪器，能够实时监测，能够保障数据的准确性，因此考虑了两项的有利作用。

排水阀室6内设有排水管，所述排水管的一端与所述集水系统中集水管网3的出水端连接、另一端与所述排水系统连接，所述排水管上设有流量器8、开关阀10、止逆阀9，在本实施例中，排水管为向上方拱起的拱形排水管19，通过拱形排水管19调控基底水压力，避免集水系统中的地下水全部流出，只需当排出适量地下水达到控制浮力大小目的，满足结构抗浮要求，适量排泄地下水节约地下水。更优的，拱形排水管19中还设有排气阀7，排除地下水中的气体，加快地下水的排放速率，排气阀7设于拱形排水管19的顶端，从而可避免地下水从排气阀7中排出。

作为一种更优的实施例，如图1或图2所示，排水阀室6内的排水管包括直流管12，直流管12的一端与集水系统中集水管网3的出水端连接、另一端连通至排水廊道1内，直流管12上设有应急阀11和流量器8，直流管12上设有向上方拱起的支管形成该拱形排水管19，拱形排水管19的两端分别连通于设置应急阀11的两侧的直流管12上。当水流从拱形排水管19中或直流管12中排入排水廊道1中时都可通过流量器8进行统计流出的水量，从而根据需要调控阀门的启闭，进而实现排水量调控。在使用时，一般情况下需要排出集水系统中较少量水时，开启拱形排水管19上的开关阀10和止逆阀9，使得水流由拱形排水管19流至排水廊道1，以保证地下水不会全部排出。当降水量较大，基底渗水量较多，所需地下水排出较多等抗浮不利情况时，打开直流管12上的应急阀11，使得排水效率更高。

排水阀室6的顶端设有外露于地表的检修口13，通过检修口13方便检修人员进入排水阀室6进行检查修理，设于侧边的排水阀室6方便检修人员进入，相较于其他设计中设于地下建筑物17底部的抗浮结构更方便检修，且不会对地下建筑物17的基础底板14造成破坏。

由于建筑地下结构抗浮问题包含整体抗浮和局部抗浮问题，当其整体抗浮满足要求时，局部水压过高亦会造成结构局部破坏，均匀布置在抗浮薄弱位置可避免局部水压过高的不利影响，管道埋设前应做灌水实验和通水实验，排水应畅通，无堵塞，无渗漏。采用排水卸压技术设计分析时，必须满足排水系统的排水能力远大于渗流入基底的地下水，基底便不会形成较大水压力，达到控制基础底板14下方水浮力符合设计要求的目的。

坡地场地根据地面标高、基底标高、结构荷载、抗拔构件18抗拔力和侧壁摩阻力等因素划定抗浮设防分区，再进一步依据排水条件、地下室埋深、侧壁界面接触情况和抗拔构件18等划分排水设计分区，排水阀室6按照各个分区情况，对分区的基底水头分别进行控制，满足整体和局部抗浮要求。其中，每个排水设计分区布设一个或多个排水阀室6，依据水浮力和抗浮力、基底上浮位移量指标，排水阀室6通过控制将集水系统中的地下水排至排水系统中实时调控水浮力，实现对各个排水设计分区的基底水头控制，满足建筑结构的整体和局部抗浮稳定性。

抗浮结构需经过设计计算后再投入使用，以保证抗浮效果。设计计算包括：基础底部土层的入渗量、导水层4排水量、多孔聚氯乙烯管排水量和排水系统的排水量，确保排水量大于入渗量10倍以上，且材料耐久性与主体结构构件耐久性要求相同。

本结构在使用时，通过过滤层2过滤土层中土颗粒使压力水大量汇聚到导水层4中，通过导水层4流入集水管网3中，并经集水管网3集流入排水阀室6，再由排水阀室6流入排水廊道1，控制基底压力水头，利用场地地势高差布设重力流管道排至市政水井或蓄水池，实现了水浮力与抗浮力的动态平衡，解决了抗浮安全、可持续发展和环境保护问题。

一般情况下，建筑物结构自重以及抗拔桩可克服一定基底水压产生的向上的浮力，在建筑物自重和其它抗浮结构不能抵抗基底的浮力时，通过集水系统、排水阀室6、排水廊道1的作用下排除地下水，减少基底水压，使集水系统中的地下水排至排水廊道1中流至市政水井或蓄水池中，直至地下建筑物17可以依靠自重和其它抗浮构件能够保持抗浮稳定性时停止排水，实现了有限制的排水，节约地下水资源，达到限压的目的。

如图6所示，一种自流排水限压抗浮结构施工方法包括如下步骤：

步骤一，挖设基坑并进行基坑整理，于所述基坑的基底铺设过滤层2；

基坑机械开挖至设计标高时保留20cm土方，采用人工开挖，保证基坑底土层未被扰动破坏，当开挖超过标高，不能用松土或不透水性材料回填，需用砾石、碎石或中粗砂填平、压实，然后铺设过滤层2

步骤二，于所述过滤层2的上层铺设水平集水管网3；

由沿过滤层2上方的纵、横两个方向均匀布设外扎土工布包裹的多根多孔聚氯乙烯管，组成水平集水管网3。

步骤三，布置用于监测地下建筑物17的受力情况和上浮情况的监测控制系统并对所述监测控制系统进行调试；

包括基底浮力监测单元、基底位移监测单元、抗浮力监测单元以及场地地下水水位监测单元的布置。

步骤四，于所述集水管网3上层依次铺设导水层4和隔离层5的铺设；

采用砾石或碎石铺设该导水层4，且粒径在10～20mm，铺设的厚度不小于300mm。隔离层5采用隔离膜起到防水隔离的作用。

步骤五，于所述隔离层5上方施作地下建筑物17以及位于所述地下建筑物17上的排水廊道1及排水阀室6的土建施工。

步骤六，排水阀室6安装工程施工。

步骤七，管线连接、试水；

在上述几个步骤中，排水廊道1在土方施工和砌筑前应做好定位、放线工作，确保排水廊道1的尺寸、位置、深度及坡度符合设计要求。排水廊道1的砌筑施工应符合设计和国家现行有关标准的规定。排水廊道1内设有导水管，导水管的材料、型号、安装长度、安装位置均应符合设计要求。通过导水管的出水口标高、平面位置确定好安装位置，然后将导水管采用可靠措施固定，确保混凝土浇筑后导水管的位置符合设计要求。

步骤八，排水限压抗浮结构施工完成。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

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