新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)的既有建筑地下空間拓展技術(shù)*

李 湛，李欽銳

(1.建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京 100013； 2.中國建筑科學研究院有限公司地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013；3.北京市地基基礎(chǔ)與地下空間開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

我國因不同原因需加固與改造的既有建筑數(shù)量眾多，包括因增加使用面積、改善使用功能而進行的加固改造等。當?shù)厣辖ㄖ娣e增加受限時，新建、改建與擴建地下結(jié)構(gòu)成為增加建筑使用面積、提升建筑使用功能的重要方法[1-2]。既有建筑地下空間拓展對緩解日益增加的城市建設(shè)用地緊張矛盾、建設(shè)節(jié)約型城市具有重要的社會、經(jīng)濟價值[3-4]。

大量具有保護價值的老舊建筑、歷史建筑(包括文物建筑)受臨近建筑物、市政設(shè)施等的影響，需保護既有建筑外部及周邊的歷史風貌，當建筑外部不具備施工條件，又有增加地下建筑面積、提升建筑功能的迫切需求時，在既有建筑內(nèi)部進行地下空間拓展成為可行且有效的方法。

新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)的既有建筑地下空間拓展技術(shù)指在保留上部既有建筑的情況下，在既有建筑基礎(chǔ)或地下室內(nèi)部采用結(jié)構(gòu)及巖土工程技術(shù)方法，通過新建地下結(jié)構(gòu)、增加既有地下結(jié)構(gòu)層數(shù)或?qū)痈?、改變既有地下結(jié)構(gòu)平面與豎向布置等形式，實現(xiàn)既有建筑地下空間拓展與功能提升的加固改造技術(shù)。本文基于該技術(shù)，對結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)荷載托換及荷載傳遞路徑的建立、托換結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑沉降與變形控制等進行介紹。

1 荷載托換結(jié)構(gòu)

新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)時，既有上部結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)荷載托換的基本技術(shù)主要包括地基基礎(chǔ)側(cè)向托換、建筑內(nèi)部承重構(gòu)件臨時性整體托換、建筑內(nèi)部承重構(gòu)件永久性整體托換。荷載托換結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般應滿足承載力、變形和穩(wěn)定性要求。上述3種荷載托換結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用結(jié)構(gòu)力學與巖土力學方法，能夠得到便于工程應用的實用設(shè)計方法，滿足一般工程應用需求。

1.1 地基基礎(chǔ)側(cè)向托換

1.1.1荷載托換技術(shù)

地基基礎(chǔ)側(cè)向托換指緊鄰基礎(chǔ)并在既有基礎(chǔ)與新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)之間設(shè)置地基基礎(chǔ)側(cè)向樁(墻)等托換構(gòu)件，實現(xiàn)土體開挖后、新建地下結(jié)構(gòu)建成前地基基礎(chǔ)荷載的托換，如圖1所示。

圖1 地基基礎(chǔ)側(cè)向托換

地基基礎(chǔ)側(cè)向托換不改變既有承重結(jié)構(gòu)體系。當托換結(jié)構(gòu)按臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計時，新建地下結(jié)構(gòu)建成后，既有地基基礎(chǔ)荷載由既有地基與新建地下結(jié)構(gòu)共同承擔。當托換結(jié)構(gòu)按永久結(jié)構(gòu)設(shè)計時，新建地下結(jié)構(gòu)建成后，托換結(jié)構(gòu)仍可承擔部分既有地基基礎(chǔ)荷載。新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)與原基礎(chǔ)或地下結(jié)構(gòu)外墻不進行結(jié)構(gòu)連接。

地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)對于土體下挖時的地基應力與變形傳遞起隔離作用，從而減小土體開挖對既有地基承載力與變形的影響。既有建筑及基礎(chǔ)沉降主要由開挖后托換結(jié)構(gòu)的變形引起，可通過增加托換結(jié)構(gòu)剛度或增設(shè)支撐、拉錨等托換構(gòu)件進行控制。

1.1.2托換結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法

平面桿系彈性支點法具有可靠、成熟的工程經(jīng)驗，在工程中得到普遍應用[5]。地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)采用平面桿系彈性支點法進行設(shè)計，能夠滿足工程應用需求。

托換樁設(shè)計荷載包括既有建筑傳至基礎(chǔ)底面的荷載q1、基礎(chǔ)外土重及地面超載q2、托換樁外側(cè)土壓力Pk(土自重對應的土壓力)、托換樁內(nèi)側(cè)支撐力Fh、被動土壓力Ps、水壓力hw及hwp，如圖2所示，其中q1，q2引起的土壓力可按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定方法計算[5]。為限制土體開挖過程中既有地基的沉降與變形，托換樁外側(cè)總土壓力宜按靜止土壓力計算。

圖2 側(cè)向托換設(shè)計荷載

采用平面桿系彈性支點法，可得到托換樁內(nèi)力與樁身變形，并采用近似方法得到既有地基沉降，托換樁設(shè)計應滿足承載力與變形控制要求。進行托換樁穩(wěn)定性設(shè)計時，應驗算既有地基基礎(chǔ)與側(cè)向托換結(jié)構(gòu)整體滑動、抗傾覆性、抗隆起穩(wěn)定性[5]。

1.2 臨時性整體托換

1.2.1荷載托換技術(shù)

既有建筑內(nèi)部承重構(gòu)件可采用臨時性托換結(jié)構(gòu)進行托換，如圖3所示。臨時性托換結(jié)構(gòu)一般由托換樁-承臺(托換梁)組成，可利用原有基礎(chǔ)經(jīng)加固后作為托換承臺，也可在既有基礎(chǔ)以上的位置新建托換承臺。既有建筑外圍地基基礎(chǔ)仍采用地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)進行托換。

圖3 臨時性整體托換示意

采用臨時性托換結(jié)構(gòu)時，土體下挖完成后，將被托換的上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件向下延伸，建立新的荷載傳遞體系，既有上部結(jié)構(gòu)荷載可傳至新建地下結(jié)構(gòu)上，臨時性托換結(jié)構(gòu)即可拆除。

既有上部結(jié)構(gòu)沉降與變形取決于臨時性托換結(jié)構(gòu)沉降與變形，可通過托換結(jié)構(gòu)設(shè)計與沉降控制，將既有建筑沉降與變形控制在允許范圍內(nèi)。

1.2.2托換結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法

托換樁-承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載包括上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂?shù)呢Q向力V、彎矩M、剪力H，如圖4所示。

圖4 臨時性整體托換設(shè)計荷載

進行托換樁-承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，托換承臺應滿足抗彎、抗沖切、抗剪切承載力驗算，托換樁應滿足承載力、變形和穩(wěn)定性控制要求。考慮實用性，可采用JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]規(guī)定的方法進行設(shè)計，該方法已在工程中得到普遍應用[7-9]。由于托換樁在室內(nèi)施工，一般采用長細比較大的小直徑樁，土體開挖后，托換樁成為高承臺樁，托換樁設(shè)計時應考慮樁身壓屈穩(wěn)定性，必要時需增加支撐。

1.3 永久性整體托換

1.3.1荷載托換技術(shù)

既有建筑內(nèi)部承重構(gòu)件永久性托換指上部荷載托換結(jié)構(gòu)與新建地下結(jié)構(gòu)合二為一的荷載托換技術(shù)，如圖5所示。與臨時性托換結(jié)構(gòu)不同，永久性托換結(jié)構(gòu)是新建地下結(jié)構(gòu)的一部分。永久性托換結(jié)構(gòu)在土體下挖前建成，地下結(jié)構(gòu)建造過程為逆作過程[9]。首先完成永久性托換結(jié)構(gòu)及托換結(jié)構(gòu)以下既有承重結(jié)構(gòu)拆除施工，土體開挖后再進行永久性托換結(jié)構(gòu)以下新建地下結(jié)構(gòu)施工。

圖5 永久性整體托換示意

永久性托換結(jié)構(gòu)及其承擔的上部結(jié)構(gòu)荷載需采用地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)向地基傳遞。永久性托換結(jié)構(gòu)荷載傳遞包括以下階段：①永久性托換結(jié)構(gòu)施工完成后，將首層內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)分擔的荷載轉(zhuǎn)移至托換結(jié)構(gòu)上；②永久性托換結(jié)構(gòu)以下的原承重結(jié)構(gòu)拆除后，永久性托換結(jié)構(gòu)及其承擔的上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移至地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)上；③新建地下室結(jié)構(gòu)建成后，既有上部結(jié)構(gòu)荷載由新建地下結(jié)構(gòu)及地基承擔。

采用永久性托換結(jié)構(gòu)時，既有上部結(jié)構(gòu)變形包括：①永久性托換結(jié)構(gòu)變形引起的既有上部結(jié)構(gòu)變形；②地基基礎(chǔ)側(cè)向結(jié)構(gòu)變形引起的永久性托換結(jié)構(gòu)與既有上部結(jié)構(gòu)變形。應將上部結(jié)構(gòu)變形之和控制在允許范圍內(nèi)。

1.3.2托換結(jié)構(gòu)實用設(shè)計方法

永久性托換結(jié)構(gòu)包括梁、板、墻等構(gòu)件，與既有結(jié)構(gòu)外圍的承重結(jié)構(gòu)之間不進行傳力的結(jié)構(gòu)連接。永久性托換結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載包括托換結(jié)構(gòu)自重及被托換的既有結(jié)構(gòu)內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)分擔的上部結(jié)構(gòu)荷載，永久性托換結(jié)構(gòu)設(shè)計由結(jié)構(gòu)分析完成。

通過永久性托換結(jié)構(gòu)分析，可得到作用在側(cè)向托換結(jié)構(gòu)的托換樁頂部荷載，包括豎向力V、彎矩M、剪力H，進而得到側(cè)向托換結(jié)構(gòu)設(shè)計分析模型，如圖6a所示。

圖6 永久性整體托換設(shè)計荷載

將作用于托換樁的荷載分解為兩部分分別計算，包括作用于托換樁的水平力(q1，q2對應的土壓力)、彎矩(見圖6b)及樁頂豎向力(見圖6c)，樁頂豎向力僅影響樁軸力。作用于托換樁的水平力與彎矩可采用平面桿系彈性支點法進行分析，但需將作用于樁頂?shù)膹澗氐刃樽饔糜跇俄數(shù)牧ε肌澗氐刃榱ε紩俄斁植糠秶鷥?nèi)的內(nèi)力產(chǎn)生一定影響，可通過設(shè)置較小的力偶矩，將影響降至工程應用可接受的程度。

2 荷載托換的其他工程應用形式

實際工程中，由于上部結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)形式不同，會遇到不同的地基基礎(chǔ)及上部荷載托換結(jié)構(gòu)形式。

當實用設(shè)計方法難以滿足工程需求時，可采用有限元數(shù)值分析方法進行托換結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。有限元分析可適應更復雜的上部結(jié)構(gòu)形式，且可考慮上部結(jié)構(gòu)-地基基礎(chǔ)-托換結(jié)構(gòu)的共同作用。

2.1 地基基礎(chǔ)復合托換

采用地基基礎(chǔ)側(cè)向托換時，受既有基礎(chǔ)影響，會減少新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)使用面積。當具備施工條件時，可在既有基礎(chǔ)或加固后的既有基礎(chǔ)上設(shè)置托換樁等荷載托換構(gòu)件，形成地基基礎(chǔ)復合托換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)既有地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)荷載的托換，如圖7所示。地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)荷載由托換樁等托換結(jié)構(gòu)與既有地基共同承擔。

圖7 地基基礎(chǔ)復合托換示意

2.2 臨時性與永久性組合托換

采用臨時性整體托換對既有建筑內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)進行荷載托換時，為在新建地下結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用靈活的平面與豎向布置，不允許將被托換的豎向承重構(gòu)件向下延伸時，可采用臨時性托換與永久性托換相結(jié)合的組合托換技術(shù)，如圖8所示。

圖8 組合托換示意

2.3 既有樁基礎(chǔ)托換

當既有地基基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時，可采用地基基礎(chǔ)側(cè)向托換技術(shù)對既有地基基礎(chǔ)荷載進行托換，如圖9所示。

圖9 既有樁基礎(chǔ)托換示意

當施工條件允許在既有基礎(chǔ)上增加托換樁時，也可采用地基基礎(chǔ)復合托換技術(shù)進行既有地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)荷載托換。當既有樁基礎(chǔ)滿足托換樁設(shè)計要求時，可利用既有樁基礎(chǔ)作為托換樁。

2.4 既有筏板基礎(chǔ)托換

當既有地下結(jié)構(gòu)為筏板基礎(chǔ)時，可采用地基基礎(chǔ)側(cè)向托換或地基基礎(chǔ)復合托換與臨時性托換相結(jié)合的形式，如圖10所示。此時，臨時性托換結(jié)構(gòu)可換為永久托換結(jié)構(gòu)，便于在新建地下室內(nèi)部實現(xiàn)更靈活的平面與豎向布置形式。

圖10 既有筏板基礎(chǔ)托換示意

3 地下空間拓展關(guān)鍵技術(shù)

3.1 荷載托換與荷載傳遞路徑

既有建筑地下空間拓展實施過程既是新建地下結(jié)構(gòu)或既有地下結(jié)構(gòu)加固改造過程，又是構(gòu)建既有上部結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)荷載托換結(jié)構(gòu)及荷載傳遞路徑的過程。

上部結(jié)構(gòu)荷載托換結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建與既有結(jié)構(gòu)形式、地基基礎(chǔ)形式、新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)形式等因素密切相關(guān)，應保證上部結(jié)構(gòu)荷載路徑明確、可靠傳遞。

既有建筑地下空間拓展過程中，在拆除與新建地下結(jié)構(gòu)構(gòu)件過程中，還需確保原結(jié)構(gòu)承重體系穩(wěn)定，必要時應增加結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件或?qū)扔猩喜拷Y(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固。

3.2 建筑沉降與變形控制

沉降已穩(wěn)定的既有建筑地下空間拓展引起的地基變形按下式控制：

s2≤s0-(s1+s3)

(1)

式中：s0為建筑地基變形允許值；s1為已發(fā)生的地基變形值；s2為建筑加固期間的地基變形值；s3為建筑加固完成的后期變形值。

按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的建筑，其地基變形允許值s0可按GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[10]有關(guān)規(guī)定確定。對于加固完成的后期變形量s3，可按JGJ 123—2012《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》[11]有關(guān)規(guī)定計算。

對于建成年代較久、未按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的建筑或有保護要求的建筑，當其地基變形允許值s0及已發(fā)生的地基變形值s1難以確定時，可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式、地基基礎(chǔ)形式、重要性程度、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀等因素，綜合確定建筑尚能允許的地基變形值。地下空間拓展引起的地基變形可按下式控制：

s2≤s4-s3

(2)

式中：s4為建筑尚能允許的地基變形值。

沉降穩(wěn)定的既有建筑加固改造引起的附加變形，可通過設(shè)計分析預估。施工工藝等引起的無法準確預估的變形可能占既有建筑加固改造總變形的比例較大，既有建筑加固期間的地基變形值s2應包括此部分變形。

4 工程應用

4.1 新增地下室工程

某建造于20世紀20年代的歷史保護既有建筑地上2層，為框架、砌體組合結(jié)構(gòu)。既有建筑首層下為架空樓板，采用混凝土條形基礎(chǔ)。通過新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)增建1層地下室，新建內(nèi)嵌式地下室基礎(chǔ)埋深增加0.45～1.4m，如圖11所示。

圖11 新建內(nèi)嵌式地下室剖面

原結(jié)構(gòu)使用狀況良好，地基基礎(chǔ)加固方案以保持原地基基礎(chǔ)受力及變形狀態(tài)為原則，在原結(jié)構(gòu)架空樓板下，采用微型鋼管樁及鋼花管組成的地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)加固改造過程中地基基礎(chǔ)荷載的托換[12]。

該項目通過增建1層地下室，增加了建筑使用面積，并使建筑功能得到提升。

4.2 地下室改擴建工程

某建造于20世紀30年代的歷史保護建筑地上3層，建筑高度約17.1m，為砌體、混凝土組合結(jié)構(gòu)。地下1層層高約3m(凈高約1.8m)，采用素混凝土條形(墻)基礎(chǔ)。

改造后地下結(jié)構(gòu)南北向(中軸部位)建筑剖面如圖12所示。為實現(xiàn)改造后地下室建筑功能，拆除原地下室內(nèi)部全部承重結(jié)構(gòu)，改建為2個長14.5m、寬15.5m的大跨度地下結(jié)構(gòu)，并在之間新建直徑約13.5m、自首層通向地下室的旋轉(zhuǎn)樓梯，在旋轉(zhuǎn)樓梯范圍內(nèi)同時拆除了首層及地下室內(nèi)全部承重結(jié)構(gòu)。為滿足層高要求，將地下室層高由3m增至5.3～6.96m。在既有建筑南側(cè)5.05m處新建純地下結(jié)構(gòu)，并與改造后的既有地下室之間建設(shè)聯(lián)絡(luò)通道。

圖12 改造后地下室南北向建筑剖面

采用永久性托換與地基基礎(chǔ)側(cè)向托換相結(jié)合的方法，實現(xiàn)既有地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)荷載托換。首先施工地基基礎(chǔ)側(cè)向托換鋼管樁，然后施工托換首層內(nèi)部上部承重構(gòu)件的永久性托換結(jié)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 上部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)荷載托換結(jié)構(gòu)示意

待地下室內(nèi)部承重墻拆除后，地下室內(nèi)土體向下開挖，同步施工地基基礎(chǔ)水平向托換構(gòu)件，開挖至新建內(nèi)嵌式地下室基底標高后，完成永久性托換結(jié)構(gòu)以下新建地下結(jié)構(gòu)施工，如圖14所示。

圖14 新建內(nèi)嵌式地下室剖面

5 結(jié)語

采用新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)進行既有建筑地下空間拓展是既有建筑地下空間開發(fā)的有效方法之一，可增加建筑使用面積、提升建筑使用功能。

1)制約既有建筑(特別是老舊建筑、歷史建筑)地下空間拓展的因素較多，應考慮既有建筑保護要求、施工條件、技術(shù)條件及經(jīng)濟條件等因素綜合確定實施方案，確保地下空間拓展過程中既有建筑安全。

2)新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)的既有建筑地下空間拓展技術(shù)在既有建筑基礎(chǔ)或地下室內(nèi)部實施，具有風險大、技術(shù)難度高的特點，涉及結(jié)構(gòu)、巖土、施工、監(jiān)測、機械設(shè)備等，需綜合運用相關(guān)技術(shù)。

3)對于地基基礎(chǔ)及上部荷載托換的基本方法，采用實用設(shè)計方法能夠滿足一般工程應用需求。當上部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)形式、新建地下結(jié)構(gòu)形式較復雜時，應采用適用性更好的上部結(jié)構(gòu)-地基基礎(chǔ)-托換結(jié)構(gòu)共同作用有限元數(shù)值分析方法。

4)托換樁-承臺結(jié)構(gòu)不同于新建工程的樁基礎(chǔ)，當土體下挖后，托換樁-承臺結(jié)構(gòu)成為高樁承臺結(jié)構(gòu)，土體不對稱下挖、樁壓屈穩(wěn)定、樁承載力隨土體開挖的降低等因素均會對既有上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形產(chǎn)生影響，需深入研究開挖工況下托換樁工程特性及對既有上部結(jié)構(gòu)的影響。

5)在永久性荷載托換過程中，需結(jié)合地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)荷載傳遞。對于由永久性托換結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)側(cè)向托換結(jié)構(gòu)組成的整體結(jié)構(gòu)受力，需深入研究其在開挖工況下的工程特性及對既有上部結(jié)構(gòu)的影響。

新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)的地下空間拓展技術(shù)適用于多種結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)形式，可廣泛應用于既有建筑地下空間拓展與功能提升中，將在既有建筑加固保護與開發(fā)利用、建設(shè)節(jié)約型城市中發(fā)揮積極作用。