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原地下結(jié)構(gòu)加建施工水浮力平衡技術(shù)

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中國建筑一局（集團）有限公司科技創(chuàng)效推廣應(yīng)用技術(shù)名錄
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（十九）原地下結(jié)構(gòu)加建施工水浮力平衡技術(shù)
1. 技術(shù)背景
隨著城市交通與經(jīng)濟的發(fā)展，為滿足居住以及出行便利需求，逐漸涌現(xiàn)出越來越多的地鐵上蓋
建筑（即“軌道+物業(yè)”），但地鐵站作為原有地下結(jié)構(gòu)，在設(shè)計施工時已經(jīng)把車站頂板上覆土作為
抗浮力設(shè)計的一部分。地鐵上蓋建筑基礎(chǔ)施工時需要將這部分覆土挖走，露出地鐵頂板面，為保證
地鐵車站穩(wěn)定及正常運營，施工過程中需要針對水浮力與車站荷載進行等效平衡。本項目六期地鐵
上蓋工程基坑開挖過程中，在探索與實踐中對車站頂板荷載轉(zhuǎn)換進行了分析與完善，成功實現(xiàn)水浮
力與車站抗浮力的平衡，為類似工程提供借鑒。此施工方法效果顯著、安全可靠、經(jīng)濟適用、符合
地鐵集團安全保區(qū)施工的要求，經(jīng)總結(jié)、提煉形成本技術(shù)。
2. 技術(shù)簡介
利用水桶注水壓力對覆土進行荷載轉(zhuǎn)換。
加載階段，共分為兩層布置；第一層位于車站站廳層站后空間區(qū)域，布置1060*1500mm 的圓柱
形水桶，注水高度1.43m，在土方開挖前放置及注水；第二層位于車站頂板上，布置2250*2530mm
的圓柱形水桶，注水高度2.5m，在土方開挖后放置及注水。
卸載階段，首層轉(zhuǎn)換層樓板施工完成后，卸載車站頂板水桶的水；三層混凝土樓板澆筑完成后，
卸載車站站廳層樓板水桶的水，但保留水桶作為預(yù)防措施。
3. 適用范圍
既有地下結(jié)構(gòu)加建利用注水水桶實現(xiàn)平衡水浮力技術(shù)可適用于已建成地下建筑物（構(gòu)筑物）上
需新建結(jié)構(gòu)，但因地下水位較高、水浮力（水頭壓力）較大而造成上部荷載變化導(dǎo)致的水浮力不平
衡的問題，解決原有結(jié)構(gòu)因水浮力上浮的現(xiàn)象。
4. 施工工藝流程及操作要點
4.1 施工工藝流程
圖4.1 施工工藝流程圖
4.2 施工操作要點
4.2.1 車站原始數(shù)據(jù)監(jiān)測
地鐵車站原狀土標高為±0.000，地鐵車站頂板標高為-3.770，需要開挖覆土高度為3.77m，新
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建結(jié)構(gòu)高度為19.2m。在地鐵車站站臺層設(shè)置監(jiān)測點，對原始數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，形成原始監(jiān)測數(shù)據(jù)；
并對車站內(nèi)原有結(jié)構(gòu)進行檢查（包括結(jié)構(gòu)損傷、滲漏等），形成現(xiàn)狀調(diào)查報告。
圖4.2-1 整體剖面圖
4.2.2 站廳層樓板堆放水桶并加載
1、站廳層樓板荷載設(shè)計核算
地鐵主體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的樓板荷載相關(guān)參數(shù)，如圖4.2-2 所示：
圖4.2-2 地鐵車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)圖
根據(jù)設(shè)計參數(shù)可知站廳層樓板可承受的荷載標準值為：2+8+3.3+1=14.3kN/㎡。按照荷載換算可
放置1.43 米的注水高度。
2、站廳層水桶放置并加載
限制于站廳層樓板的荷載要求（14.3kN/㎡），水堆載高度為1.43m，且根據(jù)市場水桶尺寸類型
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情況，選定尺寸（直徑*高度）為1060mm*1500mm 的PE 水桶。站廳層水桶堆載面積為40m*131m=5200
㎡，除去站廳層最西側(cè)設(shè)備堆載區(qū)域（40m*45m）及預(yù)留人行通道，滿布水桶為3000 個。須在覆土
開挖前布置完成及注水加載完成。
圖4.2-3 站廳層水桶布置圖（六角形為水桶）
3、站廳層樓板保護措施
為保證車站站廳層樓板干燥、避免滲漏水，針對車站內(nèi)可能存在漏水隱患的水桶、水管位置及
原有地鐵預(yù)留地漏、變形縫做防水處理，如下圖所示：
圖4.2-4 給排水管道周邊防水節(jié)點圖4.2-5 水桶分區(qū)節(jié)點
圖4.2-6 原地鐵站廳層樓板預(yù)留地漏及變形縫周邊防水節(jié)點圖
4.2.3 地鐵車站頂板覆土開挖
在原結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中，上部覆土厚度主要是用于平衡水浮力；故土方開挖遵循“開槽支撐，先
撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則，并預(yù)留250mm 厚土方人工進行開挖，保護原有結(jié)構(gòu)，整個
基坑由西至東邊換載邊開挖，在土方見底時，立即清理地鐵頂板，對主次梁位置進行放線，準備在
非主次梁位置區(qū)域放置水桶。
4.2.4 車站頂板堆放水桶并加載
車站頂板堆載計算
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第一層土最大深度（預(yù)載水重量堆載率按照0.9 折減）：10KN/m³*1.4m*0.9=12.6KN/㎡
降水預(yù)載重量：10KN/m³*3.7m=37KN/㎡
第一次挖土最大深度：H1=（37+12.6）/18=2.76m
開挖前土方重量：18 KN/m³*3.7m=66.6 KN/㎡
開挖前預(yù)載重量為：12.6 KN/㎡+37 KN/㎡=49.6 KN/㎡
地鐵頂板水桶最低水高度（堆載率按照0.68 折減）：H2=（66.6-49.6）/（10*0.68）=2.5m
在A 區(qū)開挖至地鐵頂板后，在地鐵頂板上放置尺寸（直徑*高度*厚度）為2250mm*2530mm 的水
桶（385 個），預(yù)留梁模支設(shè)及人員走動的距離（梁兩側(cè)各預(yù)留600mm 的施工作業(yè)面）。堆載時間
為地鐵頂板覆土開挖至頂板后一天內(nèi)。
圖4.2-7 頂板水桶布置圖（圓圈為水桶）
4.2.5 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工及卸載車站頂板水桶荷載
主體結(jié)構(gòu)施工過程中，需對堆載水桶進行水位控制，確保結(jié)構(gòu)完成時地鐵頂板上受力均衡：
工況一：轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)施工
取其中任意區(qū)域計算其平均重量如下圖：
圖4.2-8 轉(zhuǎn)換層平均荷載計算模型圖
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梁體積：0.8*1.2*8*2+0.8*1.2*11*2+0.7*1*9+0.7*1*6.5=47.33m³；
板體積：11*8*0.18=15.84m³；
該區(qū)域混凝土重量（考慮鋼筋與梁板交接混凝土等重）：（47.33+15.84）*2500=157925kg；
結(jié)構(gòu)首層轉(zhuǎn)換層施工重量： （157925*10）/（11*8）/1000=17.95 KN/㎡；
對應(yīng)水桶液位高度（堆載率按照0.72 折減）：h1=17.95/（10*0.72）=2.5m；
第一次換載水桶卸載液位高度為地鐵頂板上水桶水高度，液位高度2.5m（頂板水桶卸載完成）。
4.2.6 二、三、四層結(jié)構(gòu)施工及卸載站廳層樓板水桶荷載
1、工況二：二層樓板施工
取其中任意區(qū)域計算其平均重量如下圖：
圖4.2-9 二層樓板平均荷載計算模型圖
梁體積：0.25*0.5*6*2+0.4*0.6*4+0.3*0.5*4=2.31m³；
板體積：4*6*0.12=2.88m³；
該區(qū)域混凝土重量（考慮鋼筋與梁板交接混凝土等重）：（2.31+2.88）*2500=12975kg；
二層樓板施工重量：（12975*10）/（4*6）/1000=5.4 KN/㎡；
對應(yīng)水桶液位高度（堆載率按照0.9 折減）：h2=5.4/（10*0.9）=0.6m；
第二次換載水桶卸載位置為站廳層樓板預(yù)壓水桶水高度，液位高度為0.6m。
剩余水高度為1.43-0.6=0.83
2、工況三：三層樓板施工
取其中任意區(qū)域計算其平均重量如下圖：
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圖4.2-10 三層樓板平均荷載計算模型圖
梁體積：0.3*0.5*6*2+0.4*0.5*4+0.4*1*4=4.2m³；
板體積：4*6*0.12=2.88m³；
該區(qū)域混凝土重量（考慮鋼筋與梁板交接混凝土等重）：（4.2+2.88）*2500=17700kg；
三層施工重量： （17700*10）/（4*6）/1000=7.38 KN/㎡；
對應(yīng)水桶液位高度（堆載率按照0.9 折減）：h3=7.38/（10*0.9）=0.82m；
第三次換載水桶卸載位置為車站中板預(yù)壓水桶水高度，液位高度0.82m。
剩余水高度度為0.83-0.82=0.1m
3、工況四：四層樓板施工
取其中任意區(qū)域計算其平均重量如下圖：
圖4.2-11 四層樓板平均荷載計算模型圖
該區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)及混凝土重量：0.0084*14*7850+0.0047*12*7850+4*6*0.12*2500=8566kg；
四層施工重量：（8566*10）/（4*6）/1000=3.57 KN/㎡；
對應(yīng)水桶液位高度（堆載率按照0.9 折減）：h4=3.57/（10*9）=0.4m；
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第三次換載水桶卸載位置為車站中板預(yù)壓水桶水高度，需卸載水桶液位高度0.4m＞0.1m（預(yù)壓
水桶卸載完成）。
4.2.7 應(yīng)急處置
結(jié)構(gòu)施工完成后，所有水桶卸載完成，但保留車站站廳層水桶用于應(yīng)急處置，如地鐵車站監(jiān)測
數(shù)據(jù)出現(xiàn)上升趨勢，則立即注水進行回壓，直至上浮數(shù)據(jù)穩(wěn)定。待所有施工完成并交付業(yè)主后，經(jīng)
過業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理同意后撤離水桶。
4.2.8 地鐵車站動態(tài)監(jiān)測
從施工開始，每日對地鐵車站進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，最終最大上浮值為4.7mm，滿足規(guī)范及地鐵集團
的相關(guān)要求。
圖4.2-12 地鐵車站數(shù)據(jù)監(jiān)測最終數(shù)值圖
5. 材料與設(shè)備（參考廠家）
5.1 材料
表5.1 主要材料表
序號材料名稱規(guī)格主要指標用途
1 PE 水桶1.06m×1.5m / 平衡水浮力
2 PE 水桶2.25m×2.53m / 平衡水浮力
3 自來水/ / 平衡水浮力
4 防水油氈布3mm / 站廳層樓板防水
5 灰砂磚240×115×53 / 站廳層防水分區(qū)分隔
5.2 設(shè)備
表5.2 主要設(shè)備表
序號設(shè)備名稱規(guī)格技術(shù)指標用途
1 汽車吊50t / 水桶吊裝、主輔材吊裝
2 測量機器人徠卡TS30 / 地鐵車站及隧道監(jiān)測
3 專業(yè)監(jiān)測軟件Geomos / 地鐵車站及睡到監(jiān)測數(shù)據(jù)處理
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6. 效益計算分析
1、經(jīng)濟效益
方案比選采用水桶堆在費用分析
采用混凝土預(yù)制塊成本
分析
經(jīng)濟效益
水桶成本：3000*400+385*3000=235.5 萬元（水可回收利用
進行用水養(yǎng)護及其他作業(yè)）
注水和抽水人工費用：196.52*2*3=1179.12 元=0.118 萬元
水桶來回搬運費用：196.52*6*5+196.52*6*5=1.179 萬元
防水及人工費用：150*10*10+95*5200=50.9 萬元
混凝土預(yù)制塊成本：
2.64*5200*500=686.4
萬元
人工搬運：
15*150*40=54.912 萬元
綜合分析節(jié)約成本：（235.5+50.9+1.179+0.118）-（686.4+54.912）=453.615 萬元
2、社會效益
（1）該技術(shù)原理簡單，施工操作方便，符合綠色施工要求，對地鐵車站內(nèi)環(huán)境不會造成污染。
（2）該技術(shù)安全可靠，不會對地鐵車站周邊的市政道路、已完項目結(jié)構(gòu)的安全使用造成影響。
7. 應(yīng)用實例（典型照片）
圖7-1 現(xiàn)場實時照片
8. 技術(shù)咨詢服務(wù)單位聯(lián)系方式
技術(shù)提供單位中建一局華南公司
主要完成人周豪、劉洋、徐志和、史純松、曲熙成、王偉、戚慧敏
技術(shù)咨詢聯(lián)系人周豪聯(lián)系電話18626851618

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