超大超長地下室結構設計及施工需注意的問題探討

何均權

（廣州市建工設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

現代社會發展過程中，受經濟、社會技術、土地資源等各方面因素的影響，常常需要在高層建筑設置較深較長地下室，以此提高土地資源的使用效率，但在這一過程中也出現了多種設計問題。如果設計方、施工方等各單位未能對其進行有效的處理，就有可能產生安全事故，甚至影響人們的生命安全。如今對于超長地下室的結構設計已經成為業界研究的一個重要方向，如何合理的對其結構進行設計、施工成了建設單位要重點考慮的一大難題。

1 建筑工程超長地下室設計需注意的問題

改革開放后，由于國家社會經濟水平的日益提升以及城市規模的急劇增長，建筑業發展很快，出現了眾多工業與民用建筑及超大超長地下室，超長結構系的結構單元長度超過了《混凝土結構設計規范》所規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫、沉降縫最大間距的結構要求。其中代表性建筑主要有南京國際展覽中心、廣州國際會展中心、國際航空港首都新航站樓、深圳市福田地鐵換乘站。這種大規模混凝土結構在長期使用過程中或多或少會產生裂縫，進而產生其他外觀或使用問題。為確保結構的質量與安全，結構工程師必須具有較高的專業能力，要充分考慮建筑物的使用功能，通過計算滿足結構承載能力要求，通過設置各種構造做法降低溫度裂縫；施工方需要重視材料的配合比，降低施工時的溫差，施工期間做好養護等措施；監理單位需要督促施工方，必要時旁站監督。多方并舉，以此減少地下室出現的問題[1]。

1.1 不均勻沉降問題

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第五章表5.3.4條規定，工業與民用建筑的地下室需要控制相鄰柱基的沉降差，同時也需要控制整棟建筑的整體傾斜。而位于地下室下面的不均勻土體，則是產生變形的直接原因。

結構設計開始之前，地勘就需要對工程選址的土質進行調查研究，通過鉆探查明地下的情況，提供合格的數據給結構工程師作為依據。若提供的地勘鉆探點過少，或者過淺，未能真實反映土質，使得設計員分析錯誤，則建筑物可能會產生過大的變形，危及結構安全。

拿到合格的地勘后，工程師就需要根據地勘，選擇合理的基礎型式，進而選擇合適的持力層。而在超長地下室的設計過程中，地基土質可能變化較多，且地面高低起伏，故基礎型式可能不同，持力層也可能不同。故僅僅依靠單一的做法通常很容易超出變形允許值。此時需要采用多種方法，如方案階段要求建筑平面規則，柱距平均；基礎設計時采取變剛度調平設計[1]，即核心筒下采用較大較長的樁，其他位置采用較小較短的樁，純地下室采用獨立基礎或者其他沉降較大的基礎；同時塔樓與地下室之間設置沉降后澆帶或者加強帶，每隔30~40m設置普通后澆帶，等建筑完成大部分沉降后再澆筑后澆帶。這樣的設計方式便能夠有效降低不均勻沉降的情況，同時也有效提升了地基的承載力。

1.2 混凝土裂縫問題

由于建筑功能的需要，尤其是新建住宅項目，地下室通常都連在一起，形成了超大超長地下室。鋼筋混凝土是一種受壓材料，受拉強度很弱，因而很容易產生裂縫。地下室普遍都位于地下水位以下，如果地下室出現了開裂的情況，其防水的功能也會受到較大程度的影響，最終導致產生各種各樣的問題。而造成混凝土開裂的因素很多，如建筑方案不合理、材料不合格、混凝土強度過高、樓板太薄、覆土太重、結構不合理等，都會造成混凝土開裂。故為了減小混凝土裂縫，必須對各個環節進行有效的控制，如設計時，要求建筑方案簡單對稱，少凹凸角；結構計算時樓板按裂縫控制配鋼筋，樓板鋼筋采用雙層雙向配筋，鋼筋間距不宜過大，以減少裂縫。材料強度也要嚴格控制，越高強度水化熱越大，越容易開裂，故普通地下室梁板混凝土等級不超過C40。另外，適當加入膨脹劑可以起到很好的補償作用。為了更好地保證混凝土的品質，膨脹劑的用量應該在8%~12%之間。而在構造方面，則需間隔30~40m或者在混凝土收縮應力較為集中的地方設置沉降后澆帶。對鋼筋之間的間距和直徑進行相應的設置，但要注意的是其間距盡量控制在150mm以內。在必要的情況下，如果迎水面的護層厚度較大，可以在鋼筋外側增加鋼筋網片，能夠減少裂縫的出現。還應采用保濕和保溫養護等多種方式控制中心和表面之間的溫度差，多項措施并用，以減少混凝土裂縫的出現[2]，如圖1所示。

圖1 地下室混凝土裂縫

1.3 抗浮問題

對于高層建筑的修建，在設計地下室的過程中，無法避免的一個問題便是抗浮問題。要解決這一問題，就需要工程師對抗浮進行相應的計算。對于地下水位較高但地上層數較少的裙房或者無地上建筑物的地下室而言，水浮力往往超過了建筑物自重，此時就需要進行抗浮設計。工程師可以通過地勘資料，選擇合理的基礎型式，再考慮是增設抗浮錨桿、還是抗浮樁或者在頂板上覆土等方式并結合經濟性來進行抗浮。抗浮水位一般由勘察設計院的工作人員根據歷史水位提出，而對于地下水位的取值直接影響了計算結果的準確性[3]。進而影響建筑物的經濟性，取值不當還可能產生事故。故結構工程師對地下水位有異議時，需要會同地勘人員一起討論，必要時經過專家論證，最終取得合理的水位。近年來，時常有地下室水浮力過大而使柱開裂甚至斷裂的事故發生就很好的說明了這個問題，如圖2所示。

圖2 某樓盤柱子因暴雨而開裂

1.4 變形縫問題

由于塔身高度與塔身尺寸的不同，使得某些結構復雜的高層建筑在施工時往往會出現許多薄弱環節，因此在設計的過程中，工程師需要按照實際情況考慮，才能保證結構規則，提高建筑結構的抗震性。在適當的位置設置變形縫，能夠有效防止地下室由于溫度變化而出現的裂縫情況。但是，設置變形縫往往使得建筑防水難處理，進而影響建筑使用。故地下室能不設縫則不設縫。不得不設置變形縫的情況下，在變形縫設置之前，還需要設計人員能夠結合工程的實際情況及整體結構綜合考慮，合理對其進行設置。

1.5 頂板問題

由于樓頂是高層建筑地由于塔身高度與塔身尺寸的不同，使得某些結構復雜的高層建筑在施工時往往會出現許多薄弱環節，因此在設計的過程中，工程師需要按照實際情況考慮，才能保證結構規則，提高建筑結構的抗震性。在適當的位置設置變形縫，能夠有效防止地下室由于溫度變化而出現的裂縫情況。但是，設置變形縫往往使得建筑防水難處理，進而影響建筑使用。故地下室能不設縫則不設縫。若地下室抗側力構件剛度較大，可將頂板做為嵌固端，如此也可向周邊土體傳遞水平振動效率[4]。在對變形縫進行設置前，還需要設計人員能夠結合工程的實際情況以及高層建筑的整體結構合理對其進行設置。面結構的橫向約束，因此，隨著其剛度、強度的提高，對結構的約束能力也相應提高。而對于超長地下室，因其跨度大，在設計時必須按照相關的設計規范來進行。頂板的設計對于地下室而言非常重要，設計人員在設計時需要按照國家的相關標準和規范，既要達到相應的抗震要求，同時對于頂板的混凝土強度等級、板配筋率以及頂板的厚度都有相應的要求和規范，如圖3所示。在設計的過程中，設計人員必須明確考慮這些問題，滿足相應的需求[5]。

圖3 頂板配筋

1.6 溫度應力問題

超長地下室的結構設計時，如果地下室長度較大，或者施工時晝夜溫差大，工程師就需要考慮溫度的影響。多數情況下混凝土出現結構裂縫都是由于非荷載變形作用所引起。溫度應力和收縮應力之間是出現裂縫的主要原因，但它們也存在著一定差別。后澆帶的封閉時間對環境溫度和混凝土的溫度變化有很大的影響，因此在施工過程中應充分考慮到施工過程中的各種因素，從而決定封閉時間。同時通過合理的計算與分析，充分掌握溫度作用對不同部位產生的影響，進而采取有效的措施減少溫度作用所造成的不利影響，譬如設計時采用雙層雙向配筋，加大縱筋配筋率；施工過程中，溫度較高時應先將材料降溫，寒冷季節施工時應在混凝土表面鋪設保溫膜等，保證結構設計的安全性。

2 超長地下室結構施工需注意的問題

2.1 混凝土澆筑施工方式

在施工中要注意以下幾個方面：既要保證澆筑間隔比初凝時間短，又要提高結構的整體性能，又要提高其結構性能。工程師根據實際情況，會選擇后澆帶或者跳倉法對地下室進行分塊。施工時根據施工組織決定分倉和塊體的先后次序，按5d的時間間隔進行澆注，控制其收縮應力，降低滲水和出現裂縫的情況。同時，通過在筏板上放置PVC管材和溫度表，對其溫度進行實時監控，從而可以實時了解水化熱量的變化。

2.2 混凝土配合比精確

施工時，采用合格的水泥、砂石、骨料等；在進行混凝土攪拌時，要根據設計的混合比，通過多次實驗獲得合理的水泥砂石比，加強對攝入量的關注，不得隨意增加或減少，并嚴格監控，保證配比的準確性。

2.3 振搗混凝土

為了保證混凝土結構的致密，防止產生裂縫，在振搗過程中應保證均勻、無欠振、無漏振，并對施工人員進行嚴格的監督。在進行振搗前，要加強技術和操作人員的技能培訓，加強各個工序的監督，以確保振搗的質量。為了防止混凝土產生開裂、應力收縮等問題，應在距初次振搗1.5h后進行二次振搗。大體積混凝土需要分層澆搗，在混凝土凝固前澆搗第二層混凝土。

2.4 混凝土結構養護

養護混凝土是預防混凝土開裂的關鍵工序。第二次抹壓完成后，應及時在底板上貼上薄膜，用毛氈做保溫，并定期組織工人進行噴灑。炎熱季節除了做好保濕養護外，材料使用前還要先進行降溫，寒冷季節則需要做好保溫工作。為了防止外部因素對混凝土的維護造成影響，模具拆卸時間不得少于3d，養護期不宜少于14d，在模具拆除后要及時涂上養護劑并粘貼薄膜，如圖4所示。

圖4 頂板養護

2.5 減水劑和緩凝劑合理應用

采用緩凝劑可以延長水化熱峰值，使其更好地適應工程需要，不需要單獨設置冷縫，在使用緩凝劑時要嚴格控制其用量，根據澆注量來確定摻入率。減水劑對提高混凝土的流動性、和易性、減少水泥用量、提升混凝土抗滲等級，優化泌水率強化抗裂效果。

2.6 科學選擇摻合料與水泥

為了確保施工質量，必須正確選用水泥和外加劑，以達到良好的抗拉力和強度，防止出現開裂問題。一般選用具有較低收縮率的硅酸鹽水泥，具有良好的抗裂性和膨脹性，適合在地下室工程中使用。可以選用與硅酸鹽水泥類似的粉煤灰作外加劑，對改善混凝土的裂縫問題有很大的幫助。

3 結語

綜上所述，對于高層建筑的建設而言，超長地下室結構的設計是一項非常復雜的工程，其中牽涉到較多的內容，存在著較多的問題。如果在結構設計的過程中，設計人員未能接受較為專業的培訓，不具備過硬的專業知識，未能全方位考慮問題，就有可能導致工程在建設后存在較多的安全隱患，稍有不慎就有可能導致安全事故的發生。因此在對其結構進行設計的過程中，設計人員可以借鑒國內外一些較為成功的地下室結構設計案例，通過不斷的總結分析，結合以往的設計經驗，解決結構設計過程中出現的各類問題，確保設計的科學性，合理性，進而提高整體工程的質量，如此才能更好的保證工作人員及居住者的生命安全。