既有違建地下室超挖整治工程處治措施研究

俞 強

（福建省建筑設計研究院有限公司，福建福州 350001）

0 引言

面對城市建設用地日趨緊張的狀況，增建地下室不失為一種增加建筑使用空間的方法[1-3]。然而受既有建筑結構、地基基礎及周邊環(huán)境等條件的制約，大多建（構）筑物往往不具備地下室增建條件。如果忽視上述制約條件冒然地增建地下室，將可能掏空建筑地基，造成原工程樁裸露，承載能力弱化，誘發(fā)嚴重的安全隱患，影響上部主體結構安全[4]。

事實上，針對房屋安全的嚴峻形勢，聚焦房屋結構安全隱患，以對人民群眾極端負責的精神，住房和城鄉(xiāng)建設部長期以來在加強并推進城市建成區(qū)違法建設專項治理工作，2021 年強調加快推動違建和違法違規(guī)審批專項清查工作。福建省住建廳則根據(jù)《全省各領域安全隱患大排查大整治工作方案》有關要求，開展房屋結構安全隱患大排查大整治百日攻堅專項行動，對具有嚴重安全隱患的既有建筑地下室超挖導致地基掏空問題，立即開展加固處治措施，為保障經(jīng)濟社會平穩(wěn)發(fā)展，創(chuàng)造良好安全的環(huán)境。

對于既有建筑地下室增層開挖，若通過前期認真勘察、精細設計和規(guī)范化施工通?？捎行ПＷC上層結構的安全[5]。當前，對建筑地下增層開挖時樁基承載力的損失問題已有了較為深入的研究[6-7]，同時樁基托換技術在樁基補強方面也取得了一定的研究成果[8-10]。早期的地下室增建，如北京市音樂堂，多以逆作技術結合托換進行，施工較為危險；隨著施工工藝的進步，小型機械化設備如錨桿靜壓樁、高壓旋噴樁等已能夠在層高受限的地下進行[11-12]。然而，目前有關既有地下室超挖的加固改造案例較少，且與既有建筑地下增層開挖復雜技術不同[13]，超挖地下室未經(jīng)合理的工程驗算，缺少開挖過程對建筑結構損傷的保護措施，缺乏開挖后的加固處治措施。

鑒于此，結合某既有違建地下室超挖綜合整治工程，針對性地提出相應的巖土與結構加固措施，將臨時降險措施與永久加固方案相結合，充分考慮現(xiàn)場施工場地狹小、工期短等不利因素，提出針對性方案，最后結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證本次超挖地下室整治中巖土與結構組合加固措施對保證建筑安全的有效性，研究成果可供同類工程參考。

1 工程概況及安全隱患

1.1 工程概況

某已建建筑為地上三層、地下一層的鋼筋混凝土框架結構，基礎為人工挖孔灌注樁，樁端持力層為碎塊狀強風化花崗巖。建筑所在場地原為山坳地，經(jīng)回填形成現(xiàn)有場地，建筑一側為高約15 m 扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，擋墻建成后曾出現(xiàn)較大變形，因此后期增設了多道預應力錨索進行加固。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該建筑地下室下方經(jīng)人工開挖，形成高約5.0～8.0 m、面積約1700 m2的地下空間，造成工程樁裸露，存在嚴重的安全隱患，影響上部主體結構安全，需進行地基回填及地基基礎加固。

增建地下室平面分布范圍見圖1。為充分掌握場地地質情況為后續(xù)地基基礎加固提供依據(jù)，進行了現(xiàn)場補充勘察，典型剖面圖見圖2。工程場地范圍內(nèi)地層主要為：雜填土、碎塊狀強風化花崗巖以及中等風化花崗巖。由于人工開挖，在其內(nèi)側形成的臨時邊坡高約5～7 m，邊坡坡度約50°～80°，邊坡坡面出露土層大部分為填土，坡面有線狀、股狀地下水滲出，邊坡整體穩(wěn)定性較差，局部工程樁位于邊坡上而承受側向土壓力。因此，在回填及地基基礎加固施工前，先采取了降險處理措施以降低臨時邊坡及工程樁的危險性。

圖1 開挖地下室平面示意圖

圖2 現(xiàn)場典型剖面圖

1.2 安全隱患

（1）地下室開挖后，部分工程樁在承擔豎向力的同時，承擔側向土壓力。原工程樁設計及配筋時，按其承擔豎向力進行，并未考慮側向力的影響，因此，當在已有地下室下方人工開挖時，于開挖邊界處形成臨時邊坡，樁基需同時承擔側向土壓力以及豎向力，致使該樁基由簡單的主要承受豎向荷載受壓構件轉變?yōu)榧仁軌河质軓澋膹秃现ёo樁。經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)原樁身配筋為16 根?16 鋼筋。但當?shù)叵率议_挖后，人工挖孔樁額外受側向土壓力，取某一典型樁基計算，樁身配筋須30 根?25 鋼筋才可滿足既受壓又受彎的新要求，原有樁身設計及配筋明顯不符合現(xiàn)有情況。

（2）已有地下室人工開挖后，由于樁側土體卸載，原工程樁裸露，樁身側向失去約束。與此同時，樁基嵌固深度變小，此時樁基變?yōu)槎栈蛑懵恫糠值臉痘休d模式發(fā)生改變，樁側摩阻力部分缺失，原工程樁的配筋及構造已不滿足新要求。圖3 為現(xiàn)場裸露樁基實拍圖。

圖3 現(xiàn)場裸露樁基

（3）地下水從臨時邊坡滲出。建筑所在場地原為山坳地，場地匯水面積大，若遇強降雨，將造成地下水位上升，導致開挖邊界臨時邊坡側向水土壓力變大，原工程樁所受側向力變大。同時地下水滲出亦可軟化地基，導致其承載力變低。

（4）原外側扶壁式擋墻部分立板被破壞、部分錨索被截斷。在已有地下室下方人工開挖過程中，由于開挖人員缺乏安全意識，為方便開挖，破壞了部分原外側扶壁式擋墻立板，截斷開挖空間內(nèi)的錨索。直接導致原有扶壁式擋墻擋土功能部分失效，邊坡存在嚴重安全隱患，危及上部建筑的安全性。圖4 為現(xiàn)場被截斷的錨索。

圖4 現(xiàn)場截斷錨索

（5）原地下室底板下土體被開挖。原地下室底板下無地基土后，底板受力模式變?yōu)轫敯?，所受荷載變大。經(jīng)驗算當原底板下有地基土時，人防地下室底板等效荷載為20 kN/m2，當原底板下無地基土時，人防地下室底板等效荷載為50 kN/m2。顯然，開挖后原底板、底板梁在一般工況下承載力不滿足要求。

現(xiàn)場情況調查結果表明，在已有地下室下方人工開挖存在嚴重的安全隱患，相較于建筑樁基原設計，其承載性能明顯弱化。原工程樁裸露致使部分樁側摩阻力喪失、開挖形成的臨時邊坡導致樁基承受額外的側向土壓力、臨時邊坡土體的滲流破壞、原地下室底板的功能變化以及部分原支護結構破壞等不利因素均對上部建筑的安全穩(wěn)定構成極大的威脅，亟需回填違建超挖地下室并對地基基礎進行加固改造處理。

2 加固處治措施及方案

為保證上部建筑的安全，針對已有安全隱患，應對超挖地下室采取工程加固措施。在發(fā)現(xiàn)超挖地下室后，立即采用臨時降險方案處治以降低臨時邊坡及工程樁的危險性，經(jīng)反復討論和對比后，采用巖土與結構組合加固模式對地基基礎進行加固處理，以最大限度保證上部結構的安全穩(wěn)定。同時考慮到超挖地下室誘發(fā)結構失穩(wěn)的不確定性，在發(fā)現(xiàn)超挖空間后立即對建筑主體結構、扶壁式擋墻及工程樁等進行沉降及水平位移監(jiān)測，施工期還應加密監(jiān)測，若出現(xiàn)異常情況，應及時反饋，確保施工安全。

2.1 臨時降險

臨時降險方案計劃通過在臨時邊坡前設置排水盲溝、仰斜排水孔、級配砂石墊層、砂袋反壓以及中粗砂反濾層，實現(xiàn)堆載反壓及引排地下水的應急目的，降低因極端降雨導致地下水上升誘發(fā)的臨時邊坡側向水土壓力突增風險，其核心在于保證臨時邊坡安全穩(wěn)定，具體布置如圖5 所示。在臨時降險施工過程中，首先清理平整場地，挖除表層虛土、“橡皮土”和泡軟的填土，換填黏性土并夯實緊密、平整。施工排水盲溝和仰斜排水孔時，因在降險處理階段，暫無法形成完整排水系統(tǒng)，排水盲溝內(nèi)地下水可先暫時通過臨時水溝排出空腔。級配砂石墊層施工后，在其表面鋪設一層復合土工膜。坡向反壓砂袋堆放結合中粗砂反濾層施工同時進行。反壓砂袋堆放設計時與原工程樁預留小段距離，避免由砂袋倚靠工程樁帶來的不利影響。

2.2 地基基礎加固-巖土措施

綜合考慮安全性與經(jīng)濟性，在地基基礎加固設計時，將臨時降險措施與永久加固方案相結合，在臨時降險方案工程措施基礎上構建完整的排水系統(tǒng)，包括排水盲溝、級配砂石墊層的全局鋪設，與降險處理階段排水盲溝連接。同時根據(jù)現(xiàn)場工程地質條件設置相應的工程加固措施，如對東側回填土較厚（3～9 m）區(qū)域采用施打高壓旋噴樁進行地基加固，以提高該區(qū)域的地基承載力。對人防地下室下部開挖區(qū)域進行回填處理，擴大坡腳堆放反壓砂袋區(qū)域，在降險處理階段的反壓砂袋外側繼續(xù)堆載，堆載累計總寬度約10 m，而后采用泡沫混凝土填筑人防地下室部分剩余空腔。為確保施工質量，填筑完成后，再次在底板開孔進行注漿，將剩余空隙填充密實。上述加固措施具體布設見圖6。

采用輕質泡沫混凝土可保證回填后對原地基不會產(chǎn)生較大的附加應力，同時高流動性確保施工的順利進行，克服現(xiàn)場施工場地狹小的不足，且施工無需碾壓振搗。最重要的是泡沫混凝土固化后可保持垂直自立，減小對原支護結構的側向壓力，可減輕回填對原結構擾動的消極影響，又可作為臨時邊坡的坡前支擋結構。在具體的施工過程中，泡沫混凝土分層填筑，每層厚度不大于0.8 m，上一層澆筑作業(yè)應在下一層澆筑終凝后進行，并且由于泡沫混凝土優(yōu)良的固化后垂直自立性，外側采用40 mm 厚掛網(wǎng)抹面作為保護層即可。在排水盲溝、級配砂石墊層布設完成后，在其表面鋪設一層土工膜，防止后期回填過程中混凝土阻塞排水系統(tǒng)。

對于非人防區(qū)域，人工挖孔樁采用墩基的計算方式校核，其基礎承載力滿足要求，對樁身則采用框架柱的構造及配筋對其進行復核計算，也滿足要求。因此，可不進行回填處理，但為防止其因開挖面長期裸露而誘發(fā)危害，可采用100 mm 厚的C15 素混凝土進行地面硬化，同時做好隔水防潮措施。

2.3 地基基礎加固-結構措施

現(xiàn)場調查結果表明，大部分扶壁式擋墻擋板存在切割開洞、露筋及錨桿施工貫穿現(xiàn)象，個別扶壁存在混凝土脫落、露筋現(xiàn)象。同時，樁身及護壁裸露高度為1933～6541 mm，部分樁基構件存在護壁剝落樁身裸露、錨桿施工貫穿、樁身底部修補現(xiàn)象。在原地下室底板損傷調查中發(fā)現(xiàn)，在開挖區(qū)域內(nèi)，地下室底板板面局部存在通長縱向裂縫，個別集水坑一側大面積混凝土受損，鋼筋裸露扭曲，部分集水坑底板已切割開洞。鑒于此，在采用地基回填、高壓旋噴樁加固等巖土地基加固巖土措施的同時，同樣應修復上述結構損傷及缺陷，降低建筑失穩(wěn)風險。

在結構加固修補設計時，重點考慮對裸露樁基的保護、板間空洞填補以及損傷混凝土補強，針對樁身或已有結構的混凝土脫落、露筋現(xiàn)象制定混凝土損傷修復方案。對于底板的通長縱向裂縫制定相應的裂縫處理方法。對擋板大面積混凝土受損、鋼筋裸露扭曲、底板開洞現(xiàn)象則綜合采用植筋方法、外設混凝土保護層以及粘鋼加固方法修復，以保證后期結構的安全穩(wěn)定。

此外，鑒于裸露部分樁基功能已轉換為框架柱，此時通過對非人防區(qū)域人工挖孔樁底新增樁底承臺并用地梁連接，以滿足相關基礎構造要求，并加強其整體性，新增承臺及地梁結構布設如圖7、圖8 所示。同時，對部分裸露樁基表面增設20 mm 厚防水砂漿防護，完成樁基結構向框架柱結構的轉換，并防止由于后期樁身混凝土脫落導致的強度不足。

圖7 樁底承臺布筋方案

圖8 樁底承臺構造

3 加固效果

考慮到地下室超挖可能對原擋墻及建筑主體和建筑樁基礎等結構產(chǎn)生影響，為掌握其影響情況，同時確保周邊建筑的安全，為后期加固施工提供依據(jù)，對擋墻、兩棟主體建筑及其地下室墻柱、孔樁等進行沉降、水平位移監(jiān)測。本工程于2020 年4 月開始對超挖地下室進行基礎加固，2020 年7 月超挖地下室已基本回填，監(jiān)測工作于2020 年4 月13 日開始，至2020 年11 月16 日結束。加固監(jiān)測項目共布設了64 個沉降觀測點，其中建筑布設16 個沉降觀測點、擋墻布設15 個沉降觀測點、地下室結構柱布設17個沉降觀測點、挖孔樁布設16 個沉降觀測點，與工作基點組成閉合環(huán)線路。

在加固監(jiān)測項目工程加固改造施工及地下室回填期間，建筑沉降變化-0.12～1.10 mm；擋墻沉降變化-0.31～1.07 mm；地下室結構柱沉降變化-0.19～1.01 mm；挖孔樁沉降變化-0.24～0.85 mm，較為明顯地，各監(jiān)測項變形均保持在較小值，變形處于規(guī)范規(guī)定的相對穩(wěn)定標準。

通過統(tǒng)計建筑沉降變化平均值可以得到建筑、擋墻、地下室結構柱以及人工挖孔樁觀測周期內(nèi)平均沉降速率-時間-平均累計沉降量（V-T-S）曲線圖，如圖9-圖12 所示。

圖9 建筑V-T-S 變化曲線圖

圖10 擋墻V-T-S 變化曲線圖

圖11 地下室V-T-S 變化曲線圖

圖12 孔樁V-T-S 變化曲線圖

從上述建筑、擋墻、地下室結構柱以及人工挖孔樁沉降觀測曲線圖可知，該建筑在加固施工期間（2020 年4 月13 日至2020 年6 月14 日）各監(jiān)測點尚有緩慢的沉降，在加固施工完成后（2020 年6 月15 日至2020 年11 月16 日），各監(jiān)測點沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，沉降速率已經(jīng)接近于零。由此可見，經(jīng)地基基礎加固后，該建筑主體已達到穩(wěn)定的狀態(tài)，結構加固取得良好的效果。

4 結論

超挖地下室存在嚴重的安全隱患，相較于建筑的原設計，其承載性能弱化明顯，原結構功能發(fā)生轉變，破壞了建筑結構與土體的力學平衡狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)后應立即進行加固整改。通過對該違建超挖地下室的綜合整治，得到以下結論：

（1）基于臨時降險措施與永久加固方案相結合的理念，對超挖地下室造成的加固結構的損壞或缺陷及時采取如粘鋼加固、植筋、混凝土缺陷修復、裂縫處理或表面加固防護等措施補強結構。在地基基礎巖土加固時，盡可能地減少對原結構的擾動，針對狹小空間，選取高壓旋噴樁處理軟弱地基，輕質泡沫混凝土進行回填?，F(xiàn)場監(jiān)測結果表明，經(jīng)整治加固后，該建筑主體已達到安全穩(wěn)定的狀態(tài)，結構加固取得良好的效果。

（2）既有地下室超挖極易誘發(fā)安全風險，且由于巖土工程的獨特性，對該類整治工程而言，應對已有結構進行檢查，了解已有結構在人工開挖后的損傷或缺陷情況，尤其是查明原建筑工程樁受力變化、地下環(huán)境變化影響等，評估其承載能力現(xiàn)狀，基于此設計針對性的治理方案。

（3）盡管該類工程項目規(guī)模一般不大，但涉及勘察、設計、檢測、監(jiān)測、施工、監(jiān)理、材料、造價等行業(yè)，需各方協(xié)作推進。同時，在涉及地下空間結構加固時，結構與巖土加固措施往往是密不可分的，本工程中巖土與結構措施組合應用的工作思路可供類似工程參考。