復(fù)雜地下空間片區(qū)超高層建筑嵌固端的設(shè)計(jì)與施工

趙 樂 韋靜林 謝一可 柳印生

1. 中國建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048；2. 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 511340

1 工程概況

廣晟萬博城項(xiàng)目位于廣東省廣州市萬博商務(wù)區(qū)內(nèi)，緊鄰廣州地鐵7號(hào)線南村萬博站，項(xiàng)目用地面積約3.5萬 m2，建筑面積約34.86萬 m2，包含住宅、商業(yè)、辦公、酒店等業(yè)態(tài)，建成后將成為廣州番禺區(qū)地標(biāo)建筑。項(xiàng)目由A、B、C共3棟塔樓、1#—4#共4幢4層商業(yè)街、8層商業(yè)裙樓及4層地下室組成。其中：A塔樓地上57層，建筑高度266.15 m；B塔樓26層，建筑高度130.7 m；C塔樓31層，建筑高度153.4 m。

本項(xiàng)目地下室4層，埋深22 m，地下室北側(cè)、西側(cè)緊鄰萬博地下空間項(xiàng)目，兩地下結(jié)構(gòu)間通過變形縫分隔，即本項(xiàng)目地下室北側(cè)、西側(cè)為臨空狀態(tài)；地下室與東側(cè)、南側(cè)地下結(jié)構(gòu)之間通過一定厚度的回填土分隔，即本項(xiàng)目地下室東側(cè)、南側(cè)臨土。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

本工程地下室處于復(fù)雜的地下空間中，在結(jié)構(gòu)計(jì)算的過程中遇到以下難題：

1）結(jié)構(gòu)總高度難確定。本工程地上結(jié)構(gòu)的起始位置若按常規(guī)建筑設(shè)計(jì)考慮，結(jié)合項(xiàng)目東側(cè)臨土，可將項(xiàng)目底部4層結(jié)構(gòu)視作“地下室”，則項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)高度為266 m；若結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮到萬博商務(wù)區(qū)九大地塊的地下室均處于一個(gè)大基坑范圍內(nèi)，亦可將項(xiàng)目4層地下室視為“裙樓”，則項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)高度為288 m。這兩種確定結(jié)構(gòu)高度的思路均有一定的合理性，造成項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度確定困難。

2）由于地下室約束左右不對(duì)稱，導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，不論將嵌固端選擇為底板，還是首層，抑或分區(qū)域選擇底板和首層兩種嵌固端，均不利于結(jié)構(gòu)受力。

本項(xiàng)目地下室兩邊的約束條件不同，一邊臨土一邊臨空，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到正、反兩個(gè)方向的水平力作用時(shí)，因結(jié)構(gòu)底部約束的差異而產(chǎn)生2種截然不同的響應(yīng)。

設(shè)計(jì)單位采用SAP2000建立3個(gè)簡化結(jié)構(gòu)模型：首層嵌固、一臨土一臨空、底板嵌固，分析其動(dòng)力響應(yīng)（EL CENTRO波），對(duì)比各桿件、節(jié)點(diǎn)的主要內(nèi)力。計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，當(dāng)水平力向臨土一邊作用時(shí)，地下室頂板及以下各層受到約束，僅上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形；當(dāng)水平力向臨空一邊作用時(shí)，則地下室頂板及以下各層缺乏約束，地下各層及上部結(jié)構(gòu)均發(fā)生變形。可見，在地震力頻繁往復(fù)作用下，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，尤以首層附近范圍的情況最復(fù)雜。

模擬小震情況下，3種不同約束條件下，梁彎矩、柱彎矩情況，一邊臨土一邊臨空的特殊約束條件下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)受力極為不利，即使采用后兩者包絡(luò)的方法，也仍有相當(dāng)一部分桿件內(nèi)力無法被“包住”。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定采用技術(shù)措施改變結(jié)構(gòu)的約束條件，設(shè)法將結(jié)構(gòu)回歸到四面約束的狀態(tài)，便可恢復(fù)按常規(guī)的4層地下室設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)高度從首層板面算起。

3 地下結(jié)構(gòu)砂槽約束技術(shù)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)參考了GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于分縫地下室之間用粗砂填實(shí)的做法，決定在本項(xiàng)目與相鄰的地下空間項(xiàng)目交界處的邊梁之間設(shè)置一個(gè)空腔，空腔上、下部位設(shè)置伸縮縫，空腔中填充中粗砂，并做好防水措施，同時(shí)相應(yīng)結(jié)構(gòu)增設(shè)加腋結(jié)構(gòu)，提高整體受力性能[1-9]。

在本項(xiàng)目與相鄰的地下空間項(xiàng)目伸縮縫之間設(shè)置的砂槽可有效傳遞上部結(jié)構(gòu)的水平力，通過砂槽對(duì)地下結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行約束，使地下室回歸到四邊臨土的常規(guī)設(shè)計(jì)狀態(tài)，從而以較小的成本保證結(jié)構(gòu)整體受力合理且安全。

溫度變化時(shí)，降溫致樓蓋收縮，砂槽因不能傳遞拉力，故不對(duì)樓蓋產(chǎn)生不利約束；升溫致樓蓋膨脹，且速率極慢，砂粒間的孔隙受緩慢擠壓而釋放大部分變形，少量未釋放的變形致樓蓋受壓，并無大礙。

地震及強(qiáng)風(fēng)時(shí)，結(jié)構(gòu)瞬時(shí)快速的變形，致砂槽中的砂粒未來得及擠壓孔隙而接近剛性體傳力，從而實(shí)現(xiàn)有效傳遞水平力的作用。

3.1 整體設(shè)計(jì)方案

砂槽構(gòu)造由本地塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件與相鄰地塊結(jié)構(gòu)的構(gòu)件相連接共同完成，為確保本項(xiàng)目與相鄰的地下空間項(xiàng)目之間嵌固的穩(wěn)定性，在首層和地下1層伸縮縫位置均設(shè)置砂槽。砂槽整體設(shè)計(jì)方案如下：

1）由于地下空間相鄰區(qū)域結(jié)構(gòu)標(biāo)高均低于本工程相鄰區(qū)域結(jié)構(gòu)標(biāo)高，因此砂槽標(biāo)高以本工程相鄰結(jié)構(gòu)標(biāo)高為準(zhǔn)，地下空間地塊邊梁位置增設(shè)混凝土擋墻。

2）邊梁或擋墻位置增設(shè)飄板。

3）砂槽空腔內(nèi)結(jié)構(gòu)均涂刷防水涂料。

4）同一標(biāo)高位置，留設(shè)伸縮縫，伸縮縫中埋設(shè)橡膠止水帶。

5）砂槽底部安裝排水措施，利用排水管引入附近的集水井。

6）砂槽外部按頂板建筑做法進(jìn)行防水施工。

3.2 地下1層砂槽設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目地下1層與地下空間項(xiàng)目連通，樓板面標(biāo)高一致，該位置砂槽可直接設(shè)置在邊梁位置。地下1層位置結(jié)構(gòu)邊梁尺寸為400 mm×1 200 mm，砂槽寬550 mm，高1 200 mm，砂槽頂部與底部結(jié)構(gòu)飄板厚度均為150 mm，兩地塊中間設(shè)置寬30 mm伸縮縫，伸縮縫內(nèi)預(yù)埋中埋式止水帶。

砂槽端部采用同飄板厚度一致，即厚度為150 mm的側(cè)板進(jìn)行封閉，沿伸縮縫豎向預(yù)埋中埋式止水帶，豎向止水帶與水平段搭截長度不小于300 mm。

砂槽內(nèi)兩側(cè)及底部均需進(jìn)行防水施工，采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽內(nèi)填充中粗砂，頂部、底部結(jié)構(gòu)伸縮縫內(nèi)采用擠塑板填縫。頂部按地面做法進(jìn)行施工。底部外側(cè)安裝可卸式止水帶、不銹鋼水槽，并接雨水管引至集水井。

3.3 首層砂槽設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目東側(cè)、南側(cè)與相鄰地下結(jié)構(gòu)之間均有寬1～2 m的土方回填區(qū)域，因此僅需在項(xiàng)目北側(cè)、西側(cè)設(shè)置砂槽。

本工程首層板結(jié)構(gòu)標(biāo)高高于地下空間項(xiàng)目結(jié)構(gòu)頂板，砂槽頂部標(biāo)高按本工程頂板標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計(jì)。本地塊首層邊梁高1 500 mm，考慮首層頂板防水需要，砂槽頂部需高出首層結(jié)構(gòu)400 mm，因此首層砂槽高1 900 mm，寬550 mm，底部結(jié)構(gòu)飄板厚150 mm、頂部飄板厚250 mm。地下空間根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)在地板上設(shè)置寬300 mm的擋墻，確保砂槽頂部標(biāo)高一致，并滿足建筑施工要求。兩地塊中間設(shè)置寬30 mm伸縮縫，伸縮縫內(nèi)預(yù)埋中埋式止水帶。

首層砂槽端部采用同頂部飄板厚度一致，即用厚250 mm的側(cè)板進(jìn)行封閉，沿伸縮縫豎向預(yù)埋中埋式止水帶，豎向止水帶與水平段搭接長度不小于300 mm。

砂槽內(nèi)兩側(cè)及底部均需進(jìn)行防水施工。砂槽內(nèi)填充中粗砂，頂部、底部結(jié)構(gòu)伸縮縫內(nèi)采用擠塑板填縫。頂部按頂板做法進(jìn)行施工。底部外側(cè)安裝可卸式止水帶、不銹鋼水槽，并接雨水管引至集水井。

3.4 水平錯(cuò)位砂槽設(shè)計(jì)方案

當(dāng)變形縫縱向存在錯(cuò)位時(shí)，需在錯(cuò)位位置增設(shè)封閉側(cè)板，保證砂槽水平方向貫通，確保砂槽的整體性。封閉側(cè)板可按端部封閉大樣設(shè)計(jì)（圖1）。

圖1 砂槽錯(cuò)位封閉大樣三維示意

3.5 砂槽防水設(shè)計(jì)

砂槽內(nèi)空腔兩側(cè)及底部均需進(jìn)行防水施工。空腔內(nèi)部采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽空腔內(nèi)填充中粗砂，頂部、底部結(jié)構(gòu)伸縮縫內(nèi)采用擠塑板填縫。頂部伸縮縫按地面變形縫施工，防水及地面做法按相鄰部位地面做法進(jìn)行施工（圖2）。

圖2 砂槽建筑做法

當(dāng)砂槽位于地下室頂板伸縮縫位置時(shí)，需考慮首層頂板防水要求，地下室頂板位置砂槽頂部需高出首層結(jié)構(gòu)400 mm，且伸縮縫位置需干鋪寬350 mm卷材隔離層、敷設(shè)迎水面背襯材料。

3.6 砂槽排水設(shè)計(jì)

砂槽部位防水遵循“以防為主、以排為輔”的原則，因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)砂槽底部進(jìn)行了排水設(shè)計(jì)?；谠浪O(shè)計(jì)，在砂槽變形縫底部安裝可卸式止水帶、不銹鋼水槽（按1%自找坡），不銹鋼水槽采用射釘固定于砂槽結(jié)構(gòu)上，并在水槽底部設(shè)置型鋼支撐，水槽端部設(shè)置雨水管并引至集水井。

本文以南通藍(lán)印花布的數(shù)字化紋樣圖像為研究對(duì)象，通過數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備為其進(jìn)行數(shù)字化圖像的采集。另外，針對(duì)藍(lán)白兩色的藍(lán)印花布這一特點(diǎn)，對(duì)其數(shù)字化圖像進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理，包括灰度化、中值濾波去噪和歸一化等操作；經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，確定采用加權(quán)值法與最大值法結(jié)合的灰度化處理來處理，其公式如下所示：

為確保砂槽的整體性，砂槽結(jié)構(gòu)需隨主體結(jié)構(gòu)同步施工，同時(shí)在地下空間一側(cè)結(jié)構(gòu)頂部預(yù)留空間，便于在砂槽中填充中粗砂，砂填充完畢后封閉預(yù)留結(jié)構(gòu)，進(jìn)行面層施工。整體施工順序如下：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→模板支撐架搭設(shè)→結(jié)構(gòu)施工→模板拆除→內(nèi)部防水施工→填充中粗砂→封閉預(yù)留空間→面層施工→底部水槽施工。

3.7 模板支撐架設(shè)計(jì)

砂槽底部空間較小，采用鋼管搭設(shè)3排腳手架進(jìn)行施工，架體橫距900 mm、縱距1 500 mm、步距1 500 mm，并在架體兩側(cè)每3 m處設(shè)置1道拋撐。若砂槽下部為混凝土外墻或已施工的砌體外墻，則僅需在地下空間一側(cè)設(shè)置拋撐，3排腳手架架利用頂托＋方木與墻體形成對(duì)撐構(gòu)造。當(dāng)支撐架底部懸空時(shí)，于兩地塊空洞部位設(shè)置長2 m的16#槽鋼。

砂槽側(cè)壁擋墻模板采用1 830 mm×915 mm×15 mm黑模板，根據(jù)截面尺寸統(tǒng)一加工成形，現(xiàn)場(chǎng)安裝。豎向次楞為40 mm×90 mm方木，間距300 mm；橫向主楞為φ48 mm×3.0 mm雙鋼管，第1道距地200 mm、第2道與第1道間距500 mm，其他主楞間距為800 mm，并采用鋼管做斜撐，為保證模板的側(cè)向剛度，在模板中間加設(shè)φ14 mm高強(qiáng)對(duì)拉螺桿，對(duì)拉螺桿水平間距500 mm。墻中部設(shè)置混凝土撐條保證模板截面尺寸，為安全起見，對(duì)于底部兩排對(duì)拉螺桿加設(shè)雙螺帽。所有臨空側(cè)支模接口處模板均需下探不少于100 mm，并用方木壓緊確保接縫嚴(yán)密。并于一側(cè)按間距1.5 m設(shè)置鋼管斜撐，斜撐角度宜為45°～60°。

3.8 砂槽結(jié)構(gòu)施工

砂槽部位模板支撐體系搭設(shè)完成、驗(yàn)收合格后，開始砂槽部位鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)施工。

為便于砂槽內(nèi)防水施工、中粗砂填充施工，在砂槽一側(cè)頂部飄板位置設(shè)置預(yù)留空間，并在施工縫位置設(shè)置止水鋼板。

3.9 砂槽內(nèi)部防水施工

砂槽處于結(jié)構(gòu)邊緣，其空腔內(nèi)壁需進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，砂槽內(nèi)部采用防水涂料。

3.10 中粗砂填充

中粗砂宜選用天然砂，其細(xì)度模數(shù)為1.6～3.7，其粒徑在2.8～3.2 mm之間，其含泥量不宜大于3.0%。

砂槽內(nèi)部防水施工完成且涂料完全干燥后，方可進(jìn)行中粗砂的填充。中粗砂填充時(shí)應(yīng)從中間向兩端填充，填充應(yīng)分層進(jìn)行。中粗砂填充時(shí)分層填充高度不宜超過300 mm。中粗砂填充后無需進(jìn)行壓實(shí)，自然留置24 h即可，若留置時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大沉降需進(jìn)行二次填充，確保砂槽內(nèi)中粗砂填充密實(shí)。

3.11 封閉預(yù)留空間

砂槽內(nèi)中粗砂填充完成后，空腔頂部預(yù)留結(jié)構(gòu)利用灰砂磚做底部模板，其鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)適當(dāng)增加至70 mm?；炷翝仓r(shí)，應(yīng)避免直接向交界位置投料。確保新舊混凝土交界處的搗實(shí)工作，振搗時(shí)宜向交界處逐漸推進(jìn)，使其能結(jié)合緊密。

砂槽上下部兩側(cè)飄板之間設(shè)有伸縮縫，伸縮縫中需填充擠塑板，可兼做飄板結(jié)構(gòu)施工時(shí)飄板結(jié)構(gòu)的側(cè)向模板。

預(yù)留結(jié)構(gòu)封閉后，按照地面、變形縫做法進(jìn)行面層結(jié)構(gòu)施工即可。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目在臨空嵌固端設(shè)置砂槽，利用伸縮縫解決建筑物溫差變形的釋放問題，同時(shí)利用首層作為嵌固端進(jìn)行地震的水平荷載、風(fēng)荷載的傳遞，并也降低了結(jié)構(gòu)計(jì)算高度，減少了結(jié)構(gòu)受力分析的難度。同時(shí)通過預(yù)留空間、底部排水設(shè)計(jì)，有效地提高了項(xiàng)目伸縮縫位置的防水質(zhì)量。本項(xiàng)目通過對(duì)嵌固端的選擇、兩側(cè)同標(biāo)高工況下的砂槽設(shè)計(jì)、兩側(cè)不同標(biāo)高工況下的砂槽設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行深入分析研究，結(jié)合實(shí)際施工情況，補(bǔ)充完善了水平錯(cuò)位砂槽設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)以及砂槽施工部署等多項(xiàng)內(nèi)容。嵌固端砂槽施工過程中做到安全施工，施工完成后嵌固端砂槽施工質(zhì)量、地下室分部分項(xiàng)工程一次性驗(yàn)收合格。

萬博中央商務(wù)區(qū)采用整體規(guī)劃設(shè)計(jì)且同步建設(shè)，各地塊地下室相互連通，整體大開挖，共處于一個(gè)大基坑內(nèi)。本項(xiàng)目地下室原處于兩邊臨土、兩邊臨空的特殊約束情況，若不采取措施，則結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力不合理。本項(xiàng)目通過在建筑物地下室分縫的兩側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)等大小的槽型混凝土構(gòu)件，槽型構(gòu)件組合后形成空腔，并填充中粗砂，形成一個(gè)可以傳遞水平力的砂槽節(jié)點(diǎn)，使地下室回歸接近四邊臨土的常規(guī)約束狀況，成功地解決了相鄰復(fù)雜地下空間嵌固技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題，加快了整體施工進(jìn)度，取得了良好的效益。

目前，該工程已全部竣工交付使用，文中所述復(fù)雜地下空間片區(qū)超高層嵌固端設(shè)計(jì)與施工技術(shù)為建筑結(jié)構(gòu)工程地下空間傳遞水平力的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)提供了新思路，可為城市復(fù)雜地下空間同類工程提供借鑒。