舊建筑地下室擴建工程的結構改造

趙永強

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

如今，國內一線城市的土地資源日益稀缺，新建工程的成本極為昂貴。然而受技術水平及經濟條件的影響，國內20世紀80年代以前的老舊建筑對地下空間的開發和利用較少，將其全部整體拆除重建不但在經濟上不合理，也影響城市風貌的傳承。因此，如何合理改造老舊建筑，關系人民福祉，是在工程建設領域落實綠色發展理念的具體體現，是促進生態文明建設的必然選擇[1]。本文將以某工程地下室擴建的案例為背景，介紹舊建筑地下結構改造技術，主要內容包括為提高既有結構的承載力進行的舊建筑加固和地下障礙物清除。

1 工程概況

1.1 工程背景

上海某大樓建成于1987年，是上海中心城區當時著名的五星級酒店，原結構主樓30層，裙房5層，設1層地 下室。

1.2 地質水文

本次勘探結果及原勘察報告揭露，擬建場地在 120.30 m深度范圍內的地基土屬第四系中更新統Q2至全新統Q4沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布特點。在工程深度影響范圍內的土層從上至下依次為②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤1-1粉質黏土、⑤1-2粉質黏土、⑦1粉砂、⑦2細粉砂、⑧1粉質黏土、⑧2粉質黏土（圖1）。

圖1 地質條件剖面

1.3 周邊環境

北側為主干路，下方分布有多條管線，且有運營中的地鐵區間隧道通過，本次改建地下室外墻邊線與隧道結構外邊線最近距離8 m；場地西側為正在使用中的上海展覽中心停車場，其配電房距基坑僅1.9 m；場地南側為2棟4～7層居民樓，擬建地下室外墻邊線與居民樓最近距離7 m；場地東側為華業小區道路，道路西側為1～4層混凝土建筑物，擬建地下室外墻邊線與建筑物距離約9.5 m。綜上所述，擬建場地周圍環境條件極其復雜。

2 改建方案

2.1 設計方案

本工程擬對原建筑進行改建，將原裙房區域1層地下室擴建為地下4層，主樓區域地下室仍為1層不變。改建后建筑面積約7萬 m2。

總體方案在原有場地內部重新施工地下連續墻圍護，在完成新地下連續墻圍護后重新開挖，清除原地下室部分結構，重新施工新的地下室（圖2）。

圖2 改造方案圍護平面示意

利用原有基礎，不僅可以節約投資、節約時間，同時還避免了拆除原有結構對周邊環境產生的危害，使得原建工程的投資部分得以利用，降低了其在社會上造成的不良影響[2]。

2.2 地下工程改造難點

本工程由原地下1層擴建為地下4層，場地條件特殊，因此圍護結構、樁基及地基加固的工藝及方案等都需要考慮既有結構的影響，由于主體建筑保留，施工場地極為狹小，特別是地下連續墻施工需要使用250 t以上的履帶吊，但無重型道路供其使用，而原地下室結構不具備讓其行駛的條件。

此外，本工程必須清除部分原結構頂板、側墻及底板才能施工，清障作業量極大。因原有建筑年代久遠，還存在大量未知障礙物，部分地下資料缺失，造成施工過程中突發變量較多，如：原資料顯示鋼管樁埋深35 m，實際卻深達43.5 m；原有地下結構圍護鋼板樁資料均未顯示，造成施工期間反復清障（圖3）。

3 既有地下結構改造方案

3.1 既有地下結構加固方案

圖3 部分原圍護形成地下障礙物

本工程受外部條件制約，圍護施工階段，所有重型設備需立于結構頂板上施工。原地下室結構形式：最大柱距為7.8 m×8.4 m，頂板厚度為175 mm，采用單向板布置，主梁為450 mm×800 mm，次梁為400 mm×600 mm。底板厚度500 mm、樁基為φ609 mm鋼管樁，深度43.5 m。考慮地下連續墻施工期間重型設備的行走安全性以及對周邊環境的保護，根據對原結構頂板進行的復核計算，厚175 mm頂板無法滿足道路承載力要求，因此需要通過對地下室頂板進行支撐加固，使地下室上方能夠承受大型施工設備的荷載。

本工程在頂板及底板之間安裝鋼管形成鋼立柱，間距約4 m且避開新工程樁，設于原有主梁及次梁跨中，東側局部跨度較大處，增加臨時鋼梁。采用φ609 mm鋼管柱，壁厚16 mm，長度約4 m。此外沿地下連續墻兩側澆筑隔墻和深導墻，并與新澆筑的厚350 mm加強頂板相連。

通過Ansys有限元軟件整體建模，驗算原有梁板體系在施作厚350 mm頂板和厚400 mm導墻后在施工荷載作用下的受力，具體模擬情況如圖4所示。

圖4 Ansys有限元建模

有限元軟件計算后得到在擬定荷載條線下本方案加固后的頂板的最大應力為4.72 MPa，小于允許應力14.3 MPa，頂板的最大位移1.97 mm也滿足設計要求。因此數值模擬計算證明該加固方案可行。

3.2 既有地下結構加固施工流程

原地下結構的加固主要是通過安裝鋼管立柱和加厚頂板實現的，鋼管立柱的施工流程為：原材料進場及復試→頂板開孔→材料吊裝→上下底座固定→鋼管柱直立運輸及固定→環箍焊接→驗收→下一根鋼管柱施工。

1）立柱運輸：鋼管立柱由活絡頭、中間管、固定端組成，配置長度比凈空略短10 cm（最終靠活絡頭調節長度），最終在地面拼裝好后，用汽車吊從外部垂直吊起，然后用叉車托住立柱水平運輸至安裝位置。

2）立柱安裝：活絡頭端朝下，用叉車吊著固定端把立柱豎起，放在樓板下，臨時固定。

3）預應力施加：用叉車把千斤頂放置在活絡頭上，通過液壓裝置加壓，油表讀數0.6 MPa。加壓后，用鋼楔把活絡頭固定好，然后松開液壓裝置，取走千斤頂。

4）上下底座固定：鋼管柱上下底座采用鋼錨板，根據設計方案，上底座開孔，并植入鋼筋于梁中，鋼筋穿入孔中，并與鋼錨板焊接連接，焊接要求需滿足相關規范要求。下底座需設三角形綴板，與鋼管柱樁身焊接連接，并于底板植筋，用于固定下底座鋼錨板（圖5）。

圖5 既有結構加固效果

3.3 地下障礙物處理

本工程的圍護體系必須清除部分原結構頂板、側墻及底板才能施工，清障作業量極大。初步統計鋼筋混凝土清障面積約730 m2，深度5～7 m。

同時，因施工過程中突發變量較多，如采用傳統的全回轉鉆機清障，則預計需要引孔717次，深度5～7 m，具體工作量如表1所示。

表1 清障工作量統計

為減小未知障礙物造成的影響，項目調整施工順序，先鑿底板并鑿除至土層后，探查實際障礙物情況，并與相關方一同調整清障方案。

大部分區域障礙物在采取措施后可采用人工清除的方案。調整后需190孔，減少工作量73%，大大降低了工程成本并加快工程進度的推進。

此外由于上部結構荷載增加，設計要求增加工程樁基礎，但新增工程樁的施工受多種地下障礙物的影響。本工程為提高施工效率，采用了先進的地下舊基礎清障結合灌注樁作業的一體化施工技術，在采用全回轉鉆機在指定位置引孔清障過程中同步完成鉆孔灌注樁施工[3]。

除了混凝土障礙物以外，場地內部還存在大量鋼管樁，深度達43.5 m。采用全回轉挖機拔樁時，套管在進入貫入度較大的土層后，易因為摩阻力變大導致套管和鋼管樁摩擦后斷裂。為避免上述現象發生，拔樁前使用旋噴樁機對套筒內土體進行“水切”，于鋼管樁周邊設4～6個水切孔。

4 施工效果及監測數據分析

4.1 監測數據分析

頂板支撐加固施工自2016年7月進場進行施工，至2017年7月基本完成，中間穿插進行了部分清障工程和主樓拆除，在相關因素共同影響作用下，對運營地鐵隧道區間段所造成的沉降最大值僅2.7 mm，符合設計限值10 mm的要求。由此證明本項目對于舊建筑的結構加固是相當成功的，在整個施工過程中未對周邊環境造成明顯影響。

4.2 效益分析

本改造工程在社會效益方面的體現主要在于對既有建筑最大化地利用，契合了環保的要求，經濟效益主要表現在以下2個方面：

第一，建設周期短，節省成本。舊建筑的改造比拆除重建所花費的建筑周期短得多，省去了部分或全部的主體結構和建筑基礎的施工時間，這樣可以使建設資金大大減少，降低成本，提升經濟價值。

第二，減少環境治理成本。由于舊建筑改造避免了建筑垃圾的產生，所以大量建筑垃圾的減少可以對城市環境的保護起到一定的積極作用。從這方面而言，舊建筑改造可以減少政府在治理環境污染方面的支出。

5 結語

本工程為既有建筑地下工程改建，文中所介紹的施工方法技術先進、經濟可行、綠色環保，幫助城市在保留老建筑風貌的同時改善其功能，拓展其空間，為城市的持續發展作出貢獻。

此外，該施工方法還減少了老舊建筑改造成本，特別是地下障礙物清理的成本，降低鬧市區實施大規模地下工程改造的負面影響，希望能為今后同類工程的施工樹立典型并提供借鑒。

[1] 何春霞,孫洪磊,呂行,等.老舊小區更新改造國內外現狀及改造技 術分析[J].生態城市與綠色建筑,2017(增刊1):22-25.

[2] 馮遠麗.某高層建筑已建基礎及地下室的改造利用[J].四川建筑科 學研究,2012,38(4):87-89.

[3] 吳潔妹,趙永強,袁俊相.地下舊基礎清障結合灌注樁作業的一體化 施工關鍵技術[J].建筑施工,2018,40(12):2026-2028.