新建內嵌式地下結構的既有建筑地下空間拓展技術*

李 湛，李欽銳

(1.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013； 2.中國建筑科學研究院有限公司地基基礎研究所，北京 100013；3.北京市地基基礎與地下空間開發利用工程技術研究中心，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。當地上建筑面積增加受限時，新建、改建與擴建地下結構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用地緊張矛盾、建設節約型城市具有重要的社會、經濟價值[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，在既有建筑內部進行地下空間拓展成為可行且有效的方法。

新建內嵌式地下結構的既有建筑地下空間拓展技術指在保留上部既有建筑的情況下，在既有建筑基礎或地下室內部采用結構及巖土工程技術方法，通過新建地下結構、增加既有地下結構層數或層高、改變既有地下結構平面與豎向布置等形式，實現既有建筑地下空間拓展與功能提升的加固改造技術。本文基于該技術，對結構與地基基礎荷載托換及荷載傳遞路徑的建立、托換結構設計、建筑沉降與變形控制等進行介紹。

1 荷載托換結構

新建內嵌式地下結構時，既有上部結構、地基基礎荷載托換的基本技術主要包括地基基礎側向托換、建筑內部承重構件臨時性整體托換、建筑內部承重構件永久性整體托換。荷載托換結構設計時，一般應滿足承載力、變形和穩定性要求。上述3種荷載托換結構設計，采用結構力學與巖土力學方法，能夠得到便于工程應用的實用設計方法，滿足一般工程應用需求。

1.1 地基基礎側向托換

1.1.1荷載托換技術

地基基礎側向托換指緊鄰基礎并在既有基礎與新建內嵌式地下結構之間設置地基基礎側向樁(墻)等托換構件，實現土體開挖后、新建地下結構建成前地基基礎荷載的托換，如圖1所示。

圖1 地基基礎側向托換

地基基礎側向托換不改變既有承重結構體系。當托換結構按臨時結構設計時，新建地下結構建成后，既有地基基礎荷載由既有地基與新建地下結構共同承擔。當托換結構按永久結構設計時，新建地下結構建成后，托換結構仍可承擔部分既有地基基礎荷載。新建內嵌式地下結構與原基礎或地下結構外墻不進行結構連接。

地基基礎側向托換結構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。既有建筑及基礎沉降主要由開挖后托換結構的變形引起，可通過增加托換結構剛度或增設支撐、拉錨等托換構件進行控制。

1.1.2托換結構實用設計方法

平面桿系彈性支點法具有可靠、成熟的工程經驗，在工程中得到普遍應用[5]。地基基礎側向托換結構采用平面桿系彈性支點法進行設計，能夠滿足工程應用需求。

托換樁設計荷載包括既有建筑傳至基礎底面的荷載q1、基礎外土重及地面超載q2、托換樁外側土壓力Pk(土自重對應的土壓力)、托換樁內側支撐力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《建筑基坑支護技術規程》規定方法計算[5]。為限制土體開挖過程中既有地基的沉降與變形，托換樁外側總土壓力宜按靜止土壓力計算。

圖2 側向托換設計荷載

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

1.2 臨時性整體托換

1.2.1荷載托換技術

既有建筑內部承重構件可采用臨時性托換結構進行托換，如圖3所示。臨時性托換結構一般由托換樁-承臺(托換梁)組成，可利用原有基礎經加固后作為托換承臺，也可在既有基礎以上的位置新建托換承臺。既有建筑外圍地基基礎仍采用地基基礎側向托換結構進行托換。

圖3 臨時性整體托換示意

采用臨時性托換結構時，土體下挖完成后，將被托換的上部結構承重構件向下延伸，建立新的荷載傳遞體系，既有上部結構荷載可傳至新建地下結構上，臨時性托換結構即可拆除。

既有上部結構沉降與變形取決于臨時性托換結構沉降與變形，可通過托換結構設計與沉降控制，將既有建筑沉降與變形控制在允許范圍內。

1.2.2托換結構實用設計方法

托換樁-承臺結構設計荷載包括上部結構傳至基礎頂的豎向力V、彎矩M、剪力H，如圖4所示。

圖4 臨時性整體托換設計荷載

進行托換樁-承臺結構設計時，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、變形和穩定性控制要求。考慮實用性，可采用JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[6]規定的方法進行設計，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，托換樁設計時應考慮樁身壓屈穩定性，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

既有建筑內部承重構件永久性托換指上部荷載托換結構與新建地下結構合二為一的荷載托換技術，如圖5所示。與臨時性托換結構不同，永久性托換結構是新建地下結構的一部分。永久性托換結構在土體下挖前建成，地下結構建造過程為逆作過程[9]。首先完成永久性托換結構及托換結構以下既有承重結構拆除施工，土體開挖后再進行永久性托換結構以下新建地下結構施工。

圖5 永久性整體托換示意

永久性托換結構及其承擔的上部結構荷載需采用地基基礎側向托換結構向地基傳遞。永久性托換結構荷載傳遞包括以下階段：①永久性托換結構施工完成后，將首層內部承重結構分擔的荷載轉移至托換結構上；②永久性托換結構以下的原承重結構拆除后，永久性托換結構及其承擔的上部結構荷載轉移至地基基礎側向托換結構上；③新建地下室結構建成后，既有上部結構荷載由新建地下結構及地基承擔。

采用永久性托換結構時，既有上部結構變形包括：①永久性托換結構變形引起的既有上部結構變形；②地基基礎側向結構變形引起的永久性托換結構與既有上部結構變形。應將上部結構變形之和控制在允許范圍內。

1.3.2托換結構實用設計方法

永久性托換結構包括梁、板、墻等構件，與既有結構外圍的承重結構之間不進行傳力的結構連接。永久性托換結構設計荷載包括托換結構自重及被托換的既有結構內部承重結構分擔的上部結構荷載，永久性托換結構設計由結構分析完成。

通過永久性托換結構分析，可得到作用在側向托換結構的托換樁頂部荷載，包括豎向力V、彎矩M、剪力H，進而得到側向托換結構設計分析模型，如圖6a所示。

圖6 永久性整體托換設計荷載

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，但需將作用于樁頂的彎矩等效為作用于樁頂的力偶。彎矩等效為力偶會對樁頂局部范圍內的內力產生一定影響，可通過設置較小的力偶矩，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，由于上部結構、地基基礎、新建內嵌式地下結構形式不同，會遇到不同的地基基礎及上部荷載托換結構形式。

當實用設計方法難以滿足工程需求時，可采用有限元數值分析方法進行托換結構設計分析。有限元分析可適應更復雜的上部結構形式，且可考慮上部結構-地基基礎-托換結構的共同作用。

2.1 地基基礎復合托換

采用地基基礎側向托換時，受既有基礎影響，會減少新建內嵌式地下結構使用面積。當具備施工條件時，可在既有基礎或加固后的既有基礎上設置托換樁等荷載托換構件，形成地基基礎復合托換結構，實現既有地基基礎及上部結構荷載的托換，如圖7所示。地基基礎及上部結構荷載由托換樁等托換結構與既有地基共同承擔。

圖7 地基基礎復合托換示意

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部承重結構進行荷載托換時，為在新建地下結構內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件向下延伸時，可采用臨時性托換與永久性托換相結合的組合托換技術，如圖8所示。

圖8 組合托換示意

2.3 既有樁基礎托換

當既有地基基礎為樁基礎時，可采用地基基礎側向托換技術對既有地基基礎荷載進行托換，如圖9所示。

圖9 既有樁基礎托換示意

當施工條件允許在既有基礎上增加托換樁時，也可采用地基基礎復合托換技術進行既有地基基礎及上部結構荷載托換。當既有樁基礎滿足托換樁設計要求時，可利用既有樁基礎作為托換樁。

2.4 既有筏板基礎托換

當既有地下結構為筏板基礎時，可采用地基基礎側向托換或地基基礎復合托換與臨時性托換相結合的形式，如圖10所示。此時，臨時性托換結構可換為永久托換結構，便于在新建地下室內部實現更靈活的平面與豎向布置形式。

圖10 既有筏板基礎托換示意

3 地下空間拓展關鍵技術

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構或既有地下結構加固改造過程，又是構建既有上部結構、地基基礎荷載托換結構及荷載傳遞路徑的過程。

上部結構荷載托換結構體系的構建與既有結構形式、地基基礎形式、新建內嵌式地下結構形式等因素密切相關，應保證上部結構荷載路徑明確、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構構件過程中，還需確保原結構承重體系穩定，必要時應增加結構支撐構件或對既有上部結構構件進行加固。

3.2 建筑沉降與變形控制

沉降已穩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。

按照現行規范設計的建筑，其地基變形允許值s0可按GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[10]有關規定確定。對于加固完成的后期變形量s3，可按JGJ 123—2012《既有建筑地基基礎加固技術規范》[11]有關規定計算。

對于建成年代較久、未按現行規范設計的建筑或有保護要求的建筑，當其地基變形允許值s0及已發生的地基變形值s1難以確定時，可根據建筑結構形式、地基基礎形式、重要性程度、結構現狀等因素，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。

沉降穩定的既有建筑加固改造引起的附加變形，可通過設計分析預估。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、砌體組合結構。既有建筑首層下為架空樓板，采用混凝土條形基礎。通過新建內嵌式地下結構增建1層地下室，新建內嵌式地下室基礎埋深增加0.45～1.4m，如圖11所示。

圖11 新建內嵌式地下室剖面

原結構使用狀況良好，地基基礎加固方案以保持原地基基礎受力及變形狀態為原則，在原結構架空樓板下，采用微型鋼管樁及鋼花管組成的地基基礎側向托換結構，實現加固改造過程中地基基礎荷載的托換[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、混凝土組合結構。地下1層層高約3m(凈高約1.8m)，采用素混凝土條形(墻)基礎。

改造后地下結構南北向(中軸部位)建筑剖面如圖12所示。為實現改造后地下室建筑功能，拆除原地下室內部全部承重結構，改建為2個長14.5m、寬15.5m的大跨度地下結構，并在之間新建直徑約13.5m、自首層通向地下室的旋轉樓梯，在旋轉樓梯范圍內同時拆除了首層及地下室內全部承重結構。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5.05m處新建純地下結構，并與改造后的既有地下室之間建設聯絡通道。

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側向托換相結合的方法，實現既有地基基礎及上部結構荷載托換。首先施工地基基礎側向托換鋼管樁，然后施工托換首層內部上部承重構件的永久性托換結構，如圖13所示。

圖13 上部結構及地基基礎荷載托換結構示意

待地下室內部承重墻拆除后，地下室內土體向下開挖，同步施工地基基礎水平向托換構件，開挖至新建內嵌式地下室基底標高后，完成永久性托換結構以下新建地下結構施工，如圖14所示。

圖14 新建內嵌式地下室剖面

5 結語

采用新建內嵌式地下結構進行既有建筑地下空間拓展是既有建筑地下空間開發的有效方法之一，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、技術條件及經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)新建內嵌式地下結構的既有建筑地下空間拓展技術在既有建筑基礎或地下室內部實施，具有風險大、技術難度高的特點，涉及結構、巖土、施工、監測、機械設備等，需綜合運用相關技術。

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

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

5)在永久性荷載托換過程中，需結合地基基礎側向托換結構實現荷載傳遞。對于由永久性托換結構與地基基礎側向托換結構組成的整體結構受力，需深入研究其在開挖工況下的工程特性及對既有上部結構的影響。

新建內嵌式地下結構的地下空間拓展技術適用于多種結構及地基基礎形式，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利用、建設節約型城市中發揮積極作用。