既有建筑嵌套建造地下室設(shè)計(jì)與施工

胡曉靜

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院 上海 200434)

1 引言

在無(wú)地下室的既有建筑底層增建地下室，是地下空間開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)改造相結(jié)合的一項(xiàng)重要課題。文獻(xiàn)1針對(duì)天然地基上的框架建筑，提出結(jié)合增建地下室，利用新建底板將原柱（墻)下分離的基礎(chǔ)連接起來(lái)，從而形成滿堂基礎(chǔ)并作為地下室底板，其優(yōu)點(diǎn)是可最大限度開(kāi)發(fā)利用地下空間，還可提高基礎(chǔ)整體承載能力。但新老結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)既有建筑影響較大。既有建筑改造中有時(shí)會(huì)遇到底層功能或荷載有較大改變，需要拓建地下室，但要求不改變既有建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)傳力體系。為此借鑒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的補(bǔ)償基礎(chǔ)原理，提出了一種在既有建筑室內(nèi)嵌套建造地下室的方法：在室內(nèi)挖除地坪以下至原基礎(chǔ)底面標(biāo)高間回填土，嵌套構(gòu)筑地下式或半地下式封閉箱體，作為建筑底層改造后的功能空間的補(bǔ)償基礎(chǔ)，同時(shí)在箱體內(nèi)部形成新的可供利用的地下空間，如圖1。這里需要解決的難點(diǎn)是，如何采取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?，并巧妙設(shè)計(jì)封閉箱體結(jié)構(gòu)及荷載分布，使新增地下空間不影響原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定，且與既有建筑渾成一體。

2 補(bǔ)償原理

通常巖土工程所稱補(bǔ)償原理即補(bǔ)償基礎(chǔ)原理，系指以新建建筑重量代替基坑開(kāi)挖卸去的土重，使得坑底土體不產(chǎn)生導(dǎo)致較大沉降的附加應(yīng)力，即利用新增荷載產(chǎn)生的應(yīng)力p補(bǔ)償開(kāi)挖卸載失去的地基應(yīng)力σ0。在既有建筑室內(nèi)空間條件下，下部土體長(zhǎng)期受地坪活荷載以及既有建筑基底壓力的作用，其結(jié)果將可能形成超固結(jié)效應(yīng)，使σ0超過(guò)自重應(yīng)力 σe。設(shè)基礎(chǔ)底面水的浮力為 u，室內(nèi)完全補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)滿足：

根據(jù)式（1)，當(dāng)增建地下室箱體自重及其上荷載之和產(chǎn)生的基底應(yīng)力p不超過(guò)地坪土體自重時(shí)，基底將不產(chǎn)生附加應(yīng)力，即增建地下室新增荷載將被室內(nèi)基坑開(kāi)挖移去的土重所補(bǔ)償，從而既有建筑將不因改造而產(chǎn)生新的沉降。實(shí)際地基受卸載回彈影響，會(huì)發(fā)生回彈再壓縮沉降，但回彈、再壓縮變形主要為彈性變形，對(duì)既有建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定影響很小。因此，通過(guò)適當(dāng)控制增建地下室箱體結(jié)構(gòu)及其荷載，在室內(nèi)嵌套建造地下室是可行的。

如圖1所示，利用前述室內(nèi)地下空間補(bǔ)償原理在既有建筑內(nèi)部嵌套建造地下室，為達(dá)到補(bǔ)償充分、新增地下空間功能適用的滿意效果，既有建筑應(yīng)具備一定條件，包括：建筑和結(jié)構(gòu)基本完好，或可方便地予以加固處理，使在規(guī)定的期限內(nèi)可正常使用而無(wú)須大修改造；建筑有較大開(kāi)間、進(jìn)深，層高較大，室內(nèi)空間較開(kāi)闊，方便嵌套地下室施工；結(jié)構(gòu)型式宜為鋼筋混凝土框、排架或鋼框架、鋼排架；基礎(chǔ)宜為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間有較大凈空。

圖1 室內(nèi)嵌套建造地下室方法示意

3 結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)造

3.1 合理埋深

增建地下室采用較大的埋深可提供更大的補(bǔ)償，方便地下室結(jié)構(gòu)布置并增加地下室層高。但由于要嵌套在既有建筑室內(nèi)，埋深的選擇受既有基礎(chǔ)埋深、地下水位、開(kāi)挖及施工方法以及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件等多方面因素制約，一般取增建地下室落深不超過(guò)既有基礎(chǔ)埋深，這樣開(kāi)挖方便，對(duì)既有建筑的影響容易控制，對(duì)場(chǎng)地土層條件適應(yīng)面廣，軟土地基也可應(yīng)用。當(dāng)?shù)讓咏ㄖ臻g允許時(shí)，將地下室頂板抬高，即構(gòu)造成半地下室，可解決地下室層高不足的問(wèn)題。

當(dāng)采用既有基礎(chǔ)埋深不足以補(bǔ)償嵌套地下室建造需要，或經(jīng)方案比選確有必要在室內(nèi)建造多層地下室時(shí)，必須采取基坑圍護(hù)措施，對(duì)既有建筑及基礎(chǔ)加以可靠保護(hù)，在確保既有建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下，方可采用大埋深補(bǔ)償基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)型式

結(jié)構(gòu)選型的主要著眼點(diǎn)是結(jié)構(gòu)重量較輕、荷載分布較均勻、傳力直接，形成的地下空間開(kāi)闊易用，嵌套建造施工方便?？晒┻x擇的結(jié)構(gòu)型式有箱形基礎(chǔ)墻承重，或筏板基礎(chǔ)柱、墻承重。

圖1中增建地下室為典型的箱形基礎(chǔ)，箱基底板嵌套在既有基礎(chǔ)之間，頂板在箱基外墻處外挑至既有建筑柱或墻邊。這種結(jié)構(gòu)型式剛度大，整體穩(wěn)定性好，有利于上部布置大型設(shè)備，可按箱室分布分塊挖土施工，但箱室間溝通需在縱、橫隔墻上開(kāi)洞，構(gòu)造和施工較復(fù)雜，尤其是箱基內(nèi)部空間狹小，一般僅能用于儲(chǔ)藏等有限用途。

圖2、圖3所示嵌套地下室采用筏板基礎(chǔ)柱、墻承重?；A(chǔ)底板為整體片筏，地下室以外墻和柱承重，頂板為平板，柱頂設(shè)柱帽，與頂板構(gòu)成板柱體系。底板座落在既有基礎(chǔ)之間，頂板外挑至既有建筑外墻或框架柱邊。如此形成的地下空間較為開(kāi)闊通暢，適于多種功能。采用柱承重為主時(shí)，根據(jù)需要，頂、底板也可布置成肋形梁板結(jié)構(gòu)。

3.3 新老結(jié)構(gòu)銜接構(gòu)造

室內(nèi)增建地下室的關(guān)鍵是將地下室結(jié)構(gòu)嵌套在既有建筑和其承重結(jié)構(gòu)之間。地下室頂板作為改建后底層樓板，一般貼鄰既有建筑墻、柱布置，其外緣隨外墻和柱凹進(jìn)或凸出，呈鋸齒狀，間隙為抗震縫寬度，一般取 70～15mm，遇內(nèi)部既有框架柱則開(kāi)洞將框架柱環(huán)繞其中，如圖 3。外緣抗震縫一般采用建筑構(gòu)造覆蓋，內(nèi)部洞邊間隙則可按建筑水平縫處理，或做反梁等防墜物構(gòu)造。為使頂板布置相對(duì)規(guī)則并減小外挑跨度，結(jié)合室內(nèi)景觀設(shè)計(jì)，還可在頂板上靈活開(kāi)洞，洞下設(shè)樹(shù)槽植樹(shù)。

底板作為地下室柱、墻的基礎(chǔ)僅能利用既有基礎(chǔ)之間的凈面積，考慮到開(kāi)挖和施工需要，底板邊緣與既有基礎(chǔ)間應(yīng)留有一定凈距離。外墻沿底板邊緣布置并圍合封閉。為減少頂板外挑，外墻可做成向外側(cè)傾斜，斜外墻與既有基礎(chǔ)頂面間有回填土?xí)r，應(yīng)使回填土表面與外墻面脫開(kāi)，或在其間墊以厚層聚苯板。底板與外墻均應(yīng)采用防水混凝土。

當(dāng)增建地下室頂板由柱支承時(shí)，外墻可不與頂板整澆，但墻頂仍應(yīng)高于室外地坪。此時(shí)在既有建筑外墻上對(duì)應(yīng)位置處開(kāi)設(shè)窗洞，可幫助地下室通風(fēng)采光。

圖2、圖3所示將入口踏步跨越既有基礎(chǔ)布置的嵌套方式，有效擴(kuò)大了地下空間范圍，使新老建筑融為一體。

4 開(kāi)挖施工對(duì)策

在室內(nèi)進(jìn)行基坑開(kāi)挖，為保證既有建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定，除限制基坑深度外，采取恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖施工方法是非常必要的。由于既有建筑基礎(chǔ)底面以上部分的坑壁側(cè)移受到原基礎(chǔ)和外墻的約束，對(duì)天然地基上的淺基礎(chǔ)，開(kāi)挖至基礎(chǔ)底面以上通常是安全的，而繼續(xù)挖深則可能導(dǎo)致原基礎(chǔ)的傾斜甚至失穩(wěn)，必須進(jìn)行支擋圍護(hù)。

基坑落深小于既有基礎(chǔ)埋深，土層條件較好時(shí)，可采用分層分塊流水開(kāi)挖、盆式挖土、抽條挖土等方法控制卸荷影響。坑底面以上 500mm深度內(nèi)、與既有建筑和既有基礎(chǔ)相鄰處，均必須人工開(kāi)挖。挖至坑底立即澆筑墊層。地下水位較高時(shí)，可在坑內(nèi)設(shè)碎石盲溝和集水井排水，必要時(shí)也可布設(shè)輕型井點(diǎn)降水。

圖4為上海中山變電站室內(nèi)基坑開(kāi)挖時(shí)的情形。開(kāi)挖時(shí)值12月，開(kāi)挖至地面下約1m處遇地下水，在基坑南側(cè)（圖中右側(cè))東、西各設(shè)置了兩處集水坑抽水，開(kāi)挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)挖深1.4m，低于原建筑基礎(chǔ)墊層底面約 5～10cm，在坑底縱橫向布置了碎石盲溝與集水井連通，保持坑底疏干狀態(tài)。

圖2 嵌套地下室頂板結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖3 A-A剖面

L.齊瓦特在文獻(xiàn)2中介紹了在墨西哥高壓縮性土地基上建造補(bǔ)償基礎(chǔ)采用的特殊開(kāi)挖方法，其特點(diǎn)是基坑分層開(kāi)挖和荷載逐步替換。第一步，開(kāi)挖基坑至安全深度，一般不超過(guò)總深度的一半；第二步，按箱基隔墻的位置逐個(gè)開(kāi)挖基槽，澆筑隔墻鋼筋混凝土，然后依次挖去墻間的土并澆筑底板，封閉后充水加壓。室內(nèi)增建地下室采用多箱室箱形基礎(chǔ)時(shí)，此法完全適用。

當(dāng)增建室內(nèi)地下室（或設(shè)備基礎(chǔ))埋深超過(guò)既有建筑基礎(chǔ)，或地下水位較高時(shí)，不進(jìn)行基坑圍護(hù)，開(kāi)挖將是困難和危險(xiǎn)的。囿于室內(nèi)施工條件，常見(jiàn)的圍護(hù)方案，如地下連續(xù)墻、板樁等，一般難以實(shí)施。為此，可考慮采用一種特殊的逆作法：

（1)開(kāi)挖基坑至安全深度，一般開(kāi)挖至接近基礎(chǔ)底面處；

（2)按擬建室內(nèi)地下室外墻的位置分段開(kāi)挖基槽，澆筑外墻鋼筋混凝土，并立即采用平面支撐或斜撐加以支護(hù)；然后依次開(kāi)挖下一段外墻基槽、澆筑混凝土、實(shí)施支護(hù)，直至外墻全部封閉，各段墻體間設(shè)鋼板止水連接；

（3)挖去坑內(nèi)的土并澆筑底板，與外墻間設(shè)止水連接；

（4)其他地下室結(jié)構(gòu)可由下至上按正常工序施工。

當(dāng)需要在室內(nèi)局部區(qū)域作大埋深開(kāi)挖時(shí)，也可借鑒沉井基礎(chǔ)施工工藝，采用沉井逆作法：首先，在既有基礎(chǔ)間就地澆筑第一節(jié)井筒，邊挖土邊下沉，逐層加高井筒，從而利用沉井將圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成與挖土過(guò)程相結(jié)合，以完成室內(nèi)大埋深基坑的開(kāi)挖。

圖4 中山變電站室內(nèi)基坑開(kāi)挖

5 工程實(shí)例

上海造幣廠35kV變電站位于上海市嘉定區(qū)曹安路 3513號(hào)上海造幣廠封浜廠區(qū)，利用廠區(qū)中心既有廠房建筑改建形成。原建筑為元幣坯模倉(cāng)庫(kù)，平面尺寸為 73.00m×12.48m，框架結(jié)構(gòu)，柱距6m，自軸1至軸14共14榀框架，每榀單跨 12m，底層層高 6.5m，柱下條形基礎(chǔ)，埋深1.9m。根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃，該倉(cāng)庫(kù)底層擬移往別處，軸5至軸14間可騰空，從而該部分空間可用于容納35kV變電站。原建筑開(kāi)間、進(jìn)深與層高均較大，經(jīng)房屋質(zhì)量檢測(cè)鑒定，房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，場(chǎng)地適合嵌套地下室施工。

如圖5，新建地下層與原建筑結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)布置，總高自原基礎(chǔ)底面標(biāo)高-2.0m至改建后室內(nèi)地坪標(biāo)高1.1m，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為梁板式筏板基礎(chǔ)，筏板頂面標(biāo)高-1.2m，基礎(chǔ)兩側(cè)接近原外縱墻軸線處地基梁局部抬高并向外墻懸挑。底板和側(cè)墻采用防水混凝土。側(cè)墻四面圍合封閉，墻上預(yù)埋電纜套管供進(jìn)出線穿行，墻頂標(biāo)高0.00m，高出室外地面0.15m，與地下層頂板間尚有約 1m高的間隙，在外墻對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置通風(fēng)百葉窗，實(shí)現(xiàn)地下空間自然通風(fēng)。地下室主體為單層框架，框架柱、梁根據(jù)變電站設(shè)備布置需要進(jìn)行布置。地下室中部設(shè)一樓梯，與一層樓面相接，供安裝檢修人員出入。

圖5 上海造幣廠變電站室內(nèi)嵌套地下室

增建地下層后，形成地下空間建筑面積約400m2，全部用于布置進(jìn)出線電纜。地下層空間較空闊，進(jìn)出線布置和檢修維護(hù)均十分方便。

本例地下室埋深較淺，采用人工分層開(kāi)挖，根據(jù)補(bǔ)償原理，控制改建后地基應(yīng)力不超過(guò)基底土層的歷史應(yīng)力。實(shí)測(cè)沉降顯示結(jié)構(gòu)完工后原建筑沉降觀測(cè)值變動(dòng)不超過(guò)1mm。工程于2004年中完工，迄今變電站地下空間結(jié)構(gòu)和原建筑均運(yùn)行良好。

6 結(jié)論與建議

（1)通過(guò)采取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ê颓短椎叵率医Y(jié)構(gòu)構(gòu)造，將補(bǔ)償原理應(yīng)用于既有建筑室內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)，在室內(nèi)嵌套建造地下室是可行的，且不影響原結(jié)構(gòu)，并與既有建筑渾成一體。

（2)室內(nèi)建造地下室引起的沉降效應(yīng)是一個(gè)包含回彈、再壓縮變形在內(nèi)的復(fù)雜過(guò)程，目前實(shí)測(cè)資料尚不多，地基變形的規(guī)律和特征有賴積累更多的觀測(cè)資料以展開(kāi)深入研究。室內(nèi)地下空間應(yīng)用補(bǔ)償原理除考慮土體自重應(yīng)力補(bǔ)償外，如何計(jì)及地坪活荷載等影響以充分發(fā)揮地基補(bǔ)償潛力，也值得進(jìn)一步探討。

（3)無(wú)論在寸土寸金的中心城區(qū)，或在大量既有工業(yè)建筑廠房的改造利用中，室內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)均有較大需求。推廣應(yīng)用在既有建筑室內(nèi)嵌套建造地下室，對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 胡曉靜.既有建筑增建地下室與基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu), 2010, 40(S2):280-282.

2 L.齊瓦特.難處理地基的基礎(chǔ)工程[M].北京: 水利出版社, 1982.07, 第一版