復雜地下空間片區超高層建筑嵌固端的設計與施工

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. 廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東 廣州 511340

1 工程概況

廣晟萬博城項目位于廣東省廣州市萬博商務區內，緊鄰廣州地鐵7號線南村萬博站，項目用地面積約3.5萬 m2，建筑面積約34.86萬 m2，包含住宅、商業、辦公、酒店等業態，建成后將成為廣州番禺區地標建筑。項目由A、B、C共3棟塔樓、1#—4#共4幢4層商業街、8層商業裙樓及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。

本項目地下室4層，埋深22 m，地下室北側、西側緊鄰萬博地下空間項目，兩地下結構間通過變形縫分隔，即本項目地下室北側、西側為臨空狀態；地下室與東側、南側地下結構之間通過一定厚度的回填土分隔，即本項目地下室東側、南側臨土。

2 結構設計難點分析

本工程地下室處于復雜的地下空間中，在結構計算的過程中遇到以下難題：

1）結構總高度難確定。本工程地上結構的起始位置若按常規建筑設計考慮，結合項目東側臨土，可將項目底部4層結構視作“地下室”，則項目整體結構高度為266 m；若結合項目實際情況，考慮到萬博商務區九大地塊的地下室均處于一個大基坑范圍內，亦可將項目4層地下室視為“裙樓”，則項目整體結構高度為288 m。這兩種確定結構高度的思路均有一定的合理性，造成項目結構高度確定困難。

2）由于地下室約束左右不對稱，導致底部結構動力響應復雜，對結構受力產生不利影響，不論將嵌固端選擇為底板，還是首層，抑或分區域選擇底板和首層兩種嵌固端，均不利于結構受力。

本項目地下室兩邊的約束條件不同，一邊臨土一邊臨空，當結構受到正、反兩個方向的水平力作用時，因結構底部約束的差異而產生2種截然不同的響應。

設計單位采用SAP2000建立3個簡化結構模型：首層嵌固、一臨土一臨空、底板嵌固，分析其動力響應（EL CENTRO波），對比各桿件、節點的主要內力。計算結構表明，當水平力向臨土一邊作用時，地下室頂板及以下各層受到約束，僅上部結構發生變形；當水平力向臨空一邊作用時，則地下室頂板及以下各層缺乏約束，地下各層及上部結構均發生變形。可見，在地震力頻繁往復作用下，將導致結構響應相當復雜，尤以首層附近范圍的情況最復雜。

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，結構的動力響應復雜，對結構受力極為不利，即使采用后兩者包絡的方法，也仍有相當一部分桿件內力無法被“包住”。因此，項目團隊決定采用技術措施改變結構的約束條件，設法將結構回歸到四面約束的狀態，便可恢復按常規的4層地下室設計、結構高度從首層板面算起。

3 地下結構砂槽約束技術

項目設計團隊參考了GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中關于分縫地下室之間用粗砂填實的做法，決定在本項目與相鄰的地下空間項目交界處的邊梁之間設置一個空腔，空腔上、下部位設置伸縮縫，空腔中填充中粗砂，并做好防水措施，同時相應結構增設加腋結構，提高整體受力性能[1-9]。

在本項目與相鄰的地下空間項目伸縮縫之間設置的砂槽可有效傳遞上部結構的水平力，通過砂槽對地下結構變形進行約束，使地下室回歸到四邊臨土的常規設計狀態，從而以較小的成本保證結構整體受力合理且安全。

溫度變化時，降溫致樓蓋收縮，砂槽因不能傳遞拉力，故不對樓蓋產生不利約束；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。

地震及強風時，結構瞬時快速的變形，致砂槽中的砂粒未來得及擠壓孔隙而接近剛性體傳力，從而實現有效傳遞水平力的作用。

3.1 整體設計方案

砂槽構造由本地塊結構構件與相鄰地塊結構的構件相連接共同完成，為確保本項目與相鄰的地下空間項目之間嵌固的穩定性，在首層和地下1層伸縮縫位置均設置砂槽。砂槽整體設計方案如下：

1）由于地下空間相鄰區域結構標高均低于本工程相鄰區域結構標高，因此砂槽標高以本工程相鄰結構標高為準，地下空間地塊邊梁位置增設混凝土擋墻。

2）邊梁或擋墻位置增設飄板。

3）砂槽空腔內結構均涂刷防水涂料。

4）同一標高位置，留設伸縮縫，伸縮縫中埋設橡膠止水帶。

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行防水施工。

3.2 地下1層砂槽設計方案

本項目地下1層與地下空間項目連通，樓板面標高一致，該位置砂槽可直接設置在邊梁位置。地下1層位置結構邊梁尺寸為400 mm×1 200 mm，砂槽寬550 mm，高1 200 mm，砂槽頂部與底部結構飄板厚度均為150 mm，兩地塊中間設置寬30 mm伸縮縫，伸縮縫內預埋中埋式止水帶。

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

砂槽內兩側及底部均需進行防水施工，采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽內填充中粗砂，頂部、底部結構伸縮縫內采用擠塑板填縫。頂部按地面做法進行施工。底部外側安裝可卸式止水帶、不銹鋼水槽，并接雨水管引至集水井。

3.3 首層砂槽設計方案

本項目東側、南側與相鄰地下結構之間均有寬1～2 m的土方回填區域，因此僅需在項目北側、西側設置砂槽。

本工程首層板結構標高高于地下空間項目結構頂板，砂槽頂部標高按本工程頂板標高進行設計。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構400 mm，因此首層砂槽高1 900 mm，寬550 mm，底部結構飄板厚150 mm、頂部飄板厚250 mm。地下空間根據上述結構參數在地板上設置寬300 mm的擋墻，確保砂槽頂部標高一致，并滿足建筑施工要求。兩地塊中間設置寬30 mm伸縮縫，伸縮縫內預埋中埋式止水帶。

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

砂槽內兩側及底部均需進行防水施工。砂槽內填充中粗砂，頂部、底部結構伸縮縫內采用擠塑板填縫。頂部按頂板做法進行施工。底部外側安裝可卸式止水帶、不銹鋼水槽，并接雨水管引至集水井。

3.4 水平錯位砂槽設計方案

當變形縫縱向存在錯位時，需在錯位位置增設封閉側板，保證砂槽水平方向貫通，確保砂槽的整體性。封閉側板可按端部封閉大樣設計（圖1）。

圖1 砂槽錯位封閉大樣三維示意

3.5 砂槽防水設計

砂槽內空腔兩側及底部均需進行防水施工。空腔內部采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽空腔內填充中粗砂，頂部、底部結構伸縮縫內采用擠塑板填縫。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行施工（圖2）。

圖2 砂槽建筑做法

當砂槽位于地下室頂板伸縮縫位置時，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構400 mm，且伸縮縫位置需干鋪寬350 mm卷材隔離層、敷設迎水面背襯材料。

3.6 砂槽排水設計

砂槽部位防水遵循“以防為主、以排為輔”的原則，因此項目團隊對砂槽底部進行了排水設計。基于原防水設計，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構上，并在水槽底部設置型鋼支撐，水槽端部設置雨水管并引至集水井。

本文以南通藍印花布的數字化紋樣圖像為研究對象，通過數碼相機等設備為其進行數字化圖像的采集。另外，針對藍白兩色的藍印花布這一特點，對其數字化圖像進行相關預處理，包括灰度化、中值濾波去噪和歸一化等操作；經過大量實驗后，確定采用加權值法與最大值法結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，砂槽結構需隨主體結構同步施工，同時在地下空間一側結構頂部預留空間，便于在砂槽中填充中粗砂，砂填充完畢后封閉預留結構，進行面層施工。整體施工順序如下：施工準備→測量放線→模板支撐架搭設→結構施工→模板拆除→內部防水施工→填充中粗砂→封閉預留空間→面層施工→底部水槽施工。

3.7 模板支撐架設計

砂槽底部空間較小，采用鋼管搭設3排腳手架進行施工，架體橫距900 mm、縱距1 500 mm、步距1 500 mm，并在架體兩側每3 m處設置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設置拋撐，3排腳手架架利用頂托＋方木與墻體形成對撐構造。當支撐架底部懸空時，于兩地塊空洞部位設置長2 m的16#槽鋼。

砂槽側壁擋墻模板采用1 830 mm×915 mm×15 mm黑模板，根據截面尺寸統一加工成形，現場安裝。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，為保證模板的側向剛度，在模板中間加設φ14 mm高強對拉螺桿，對拉螺桿水平間距500 mm。墻中部設置混凝土撐條保證模板截面尺寸，為安全起見，對于底部兩排對拉螺桿加設雙螺帽。所有臨空側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密。并于一側按間距1.5 m設置鋼管斜撐，斜撐角度宜為45°～60°。

3.8 砂槽結構施工

砂槽部位模板支撐體系搭設完成、驗收合格后，開始砂槽部位鋼筋、混凝土結構施工。

為便于砂槽內防水施工、中粗砂填充施工，在砂槽一側頂部飄板位置設置預留空間，并在施工縫位置設置止水鋼板。

3.9 砂槽內部防水施工

砂槽處于結構邊緣，其空腔內壁需進行防水設計，砂槽內部采用防水涂料。

3.10 中粗砂填充

中粗砂宜選用天然砂，其細度模數為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%。

砂槽內部防水施工完成且涂料完全干燥后，方可進行中粗砂的填充。中粗砂填充時應從中間向兩端填充，填充應分層進行。中粗砂填充時分層填充高度不宜超過300 mm。中粗砂填充后無需進行壓實，自然留置24 h即可，若留置時間內出現較大沉降需進行二次填充，確保砂槽內中粗砂填充密實。

3.11 封閉預留空間

砂槽內中粗砂填充完成后，空腔頂部預留結構利用灰砂磚做底部模板，其鋼筋保護層厚度應適當增加至70 mm。混凝土澆筑時，應避免直接向交界位置投料。確保新舊混凝土交界處的搗實工作，振搗時宜向交界處逐漸推進，使其能結合緊密。

砂槽上下部兩側飄板之間設有伸縮縫，伸縮縫中需填充擠塑板，可兼做飄板結構施工時飄板結構的側向模板。

預留結構封閉后，按照地面、變形縫做法進行面層結構施工即可。

4 結語

本項目在臨空嵌固端設置砂槽，利用伸縮縫解決建筑物溫差變形的釋放問題，同時利用首層作為嵌固端進行地震的水平荷載、風荷載的傳遞，并也降低了結構計算高度，減少了結構受力分析的難度。同時通過預留空間、底部排水設計，有效地提高了項目伸縮縫位置的防水質量。本項目通過對嵌固端的選擇、兩側同標高工況下的砂槽設計、兩側不同標高工況下的砂槽設計等內容進行深入分析研究，結合實際施工情況，補充完善了水平錯位砂槽設計、防排水設計以及砂槽施工部署等多項內容。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量、地下室分部分項工程一次性驗收合格。

萬博中央商務區采用整體規劃設計且同步建設，各地塊地下室相互連通，整體大開挖，共處于一個大基坑內。本項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，則結構動力響應復雜，結構受力不合理。本項目通過在建筑物地下室分縫的兩側設計一個等大小的槽型混凝土構件，槽型構件組合后形成空腔，并填充中粗砂，形成一個可以傳遞水平力的砂槽節點，使地下室回歸接近四邊臨土的常規約束狀況，成功地解決了相鄰復雜地下空間嵌固技術及結構設計的難題，加快了整體施工進度，取得了良好的效益。

目前，該工程已全部竣工交付使用，文中所述復雜地下空間片區超高層嵌固端設計與施工技術為建筑結構工程地下空間傳遞水平力的節點連接設計提供了新思路，可為城市復雜地下空間同類工程提供借鑒。