胡曉靜

（上?？睖y設(shè)計研究院 上海 200434)

1 引言

在無地下室的既有建筑底層增建地下室，是地下空間開發(fā)和結(jié)構(gòu)改造相結(jié)合的一項重要課題。文獻1針對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，從而形成滿堂基礎(chǔ)并作為地下室底板，其優(yōu)點是可最大限度開發(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)造復雜，對既有建筑影響較大。既有建筑改造中有時會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)計中的補償基礎(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償基礎(chǔ)，同時在箱體內(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是，如何采取恰當?shù)氖┕し椒?，并巧妙設(shè)計封閉箱體結(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 補償原理

通常巖土工程所稱補償原理即補償基礎(chǔ)原理，系指以新建建筑重量代替基坑開挖卸去的土重，使得坑底土體不產(chǎn)生導致較大沉降的附加應力，即利用新增荷載產(chǎn)生的應力p補償開挖卸載失去的地基應力σ0。在既有建筑室內(nèi)空間條件下，下部土體長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，使σ0超過自重應力 σe。設(shè)基礎(chǔ)底面水的浮力為 u，室內(nèi)完全補償?shù)幕A(chǔ)滿足：

根據(jù)式（1)，當增建地下室箱體自重及其上荷載之和產(chǎn)生的基底應力p不超過地坪土體自重時，基底將不產(chǎn)生附加應力，即增建地下室新增荷載將被室內(nèi)基坑開挖移去的土重所補償，從而既有建筑將不因改造而產(chǎn)生新的沉降。實際地基受卸載回彈影響，會發(fā)生回彈再壓縮沉降，但回彈、再壓縮變形主要為彈性變形，對既有建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定影響很小。因此，通過適當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)地下空間補償原理在既有建筑內(nèi)部嵌套建造地下室，為達到補償充分、新增地下空間功能適用的滿意效果，既有建筑應具備一定條件，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)可正常使用而無須大修改造；建筑有較大開間、進深，層高較大，室內(nèi)空間較開闊，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、開挖及施工方法以及場地工程地質(zhì)條件等多方面因素制約，一般取增建地下室落深不超過既有基礎(chǔ)埋深，這樣開挖方便，對既有建筑的影響容易控制，對場地土層條件適應面廣，軟土地基也可應用。當?shù)讓咏ㄖ臻g允許時，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題。

當采用既有基礎(chǔ)埋深不足以補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，必須采取基坑圍護措施，對既有建筑及基礎(chǔ)加以可靠保護，在確保既有建筑基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下，方可采用大埋深補償基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)型式

結(jié)構(gòu)選型的主要著眼點是結(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、橫隔墻上開洞，構(gòu)造和施工較復雜，尤其是箱基內(nèi)部空間狹小，一般僅能用于儲藏等有限用途。

圖2、圖3所示嵌套地下室采用筏板基礎(chǔ)柱、墻承重。基礎(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闊通暢，適于多種功能。采用柱承重為主時，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。為使頂板布置相對規(guī)則并減小外挑跨度，結(jié)合室內(nèi)景觀設(shè)計，還可在頂板上靈活開洞，洞下設(shè)樹槽植樹。

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，考慮到開挖和施工需要，底板邊緣與既有基礎(chǔ)間應留有一定凈距離。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)頂面間有回填土時，應使回填土表面與外墻面脫開，或在其間墊以厚層聚苯板。底板與外墻均應采用防水混凝土。

當增建地下室頂板由柱支承時，外墻可不與頂板整澆，但墻頂仍應高于室外地坪。此時在既有建筑外墻上對應位置處開設(shè)窗洞，可幫助地下室通風采光。

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，有效擴大了地下空間范圍，使新老建筑融為一體。

4 開挖施工對策

在室內(nèi)進行基坑開挖，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?shù)拈_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，對天然地基上的淺基礎(chǔ)，開挖至基礎(chǔ)底面以上通常是安全的，而繼續(xù)挖深則可能導致原基礎(chǔ)的傾斜甚至失穩(wěn)，必須進行支擋圍護。

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

圖4為上海中山變電站室內(nèi)基坑開挖時的情形。開挖時值12月，開挖至地面下約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，開挖至坑底設(shè)計標高時挖深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2中介紹了在墨西哥高壓縮性土地基上建造補償基礎(chǔ)采用的特殊開挖方法，其特點是基坑分層開挖和荷載逐步替換。第一步，開挖基坑至安全深度，一般不超過總深度的一半；第二步，按箱基隔墻的位置逐個開挖基槽，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，此法完全適用。

當增建室內(nèi)地下室（或設(shè)備基礎(chǔ))埋深超過既有建筑基礎(chǔ)，或地下水位較高時，不進行基坑圍護，開挖將是困難和危險的。囿于室內(nèi)施工條件，常見的圍護方案，如地下連續(xù)墻、板樁等，一般難以實施。為此，可考慮采用一種特殊的逆作法：

（1)開挖基坑至安全深度，一般開挖至接近基礎(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；然后依次開挖下一段外墻基槽、澆筑混凝土、實施支護，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。

當需要在室內(nèi)局部區(qū)域作大埋深開挖時，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結(jié)構(gòu)形成與挖土過程相結(jié)合，以完成室內(nèi)大埋深基坑的開挖。

圖4 中山變電站室內(nèi)基坑開挖

5 工程實例

上海造幣廠35kV變電站位于上海市嘉定區(qū)曹安路 3513號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庫，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，該倉庫底層擬移往別處，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。原建筑開間、進深與層高均較大，經(jīng)房屋質(zhì)量檢測鑒定，房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好，場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)完全脫開布置，總高自原基礎(chǔ)底面標高-2.0m至改建后室內(nèi)地坪標高1.1m，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為梁板式筏板基礎(chǔ)，筏板頂面標高-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，墻上預埋電纜套管供進出線穿行，墻頂標高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，在外墻對應位置處設(shè)置通風百葉窗，實現(xiàn)地下空間自然通風。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，全部用于布置進出線電纜。地下層空間較空闊，進出線布置和檢修維護均十分方便。

本例地下室埋深較淺，采用人工分層開挖，根據(jù)補償原理，控制改建后地基應力不超過基底土層的歷史應力。實測沉降顯示結(jié)構(gòu)完工后原建筑沉降觀測值變動不超過1mm。工程于2004年中完工，迄今變電站地下空間結(jié)構(gòu)和原建筑均運行良好。

6 結(jié)論與建議

（1)通過采取恰當?shù)氖┕し椒ê颓短椎叵率医Y(jié)構(gòu)構(gòu)造，將補償原理應用于既有建筑室內(nèi)地下空間開發(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是一個包含回彈、再壓縮變形在內(nèi)的復雜過程，目前實測資料尚不多，地基變形的規(guī)律和特征有賴積累更多的觀測資料以展開深入研究。室內(nèi)地下空間應用補償原理除考慮土體自重應力補償外，如何計及地坪活荷載等影響以充分發(fā)揮地基補償潛力，也值得進一步探討。

（3)無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)地下空間開發(fā)均有較大需求。推廣應用在既有建筑室內(nèi)嵌套建造地下室，對城市地下空間開發(fā)具有現(xiàn)實意義。

1 胡曉靜.既有建筑增建地下室與基礎(chǔ)加固設(shè)計[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