某地下室改造住宅塔樓的基礎分析

摘要 近些年來，隨著城市基礎設施建設及城鄉住房改造的大規模開展，改造項目越來越多。由于改造項目與新建項目設計與施工的條件不同，改造項目必須經過特別的分析與設計，方能確保結構體系符合相關規范在強度、剛度及穩定性等方面的規定。介紹一棟超限高層住宅剪力墻塔樓在地下室主體結構拆除改造過程中對其基礎的分析與設計。分析對比了對應于地下室不同拆改方案基礎的受力與變形，以及相對應的設計控制要點，確定了合適的地下室拆改方案，確定后的地下室改造方案可以滿足業主原設計樁基礎不破壞、不加固即可滿足新建筑設計方案結構的承載要求，取得了較好的經濟效益。

關鍵詞 改造； 單樁承載力； 基礎分析； JCCAD

中圖分類號 TU470+.3 文獻標志碼 A

1工程概況

項目位于上海市黃埔區，原設計為地下4層，地上由2棟高層住宅塔樓A（29層）、塔樓B（23層）及4棟多層裙房組成，高層住宅塔樓為剪力墻結構，多層裙房為框架結構。其中住宅塔樓B在其地下室主體結構施工完成，地上主體結構也已施工至4層位置（圖1虛線范圍）時，應業主要求，住宅塔樓B的建筑設計方案全面修改，樓層數也增加至25層，基于新建筑設計方案確定的主體結構為超限高層剪力墻結構。根據計算分析，原住宅塔樓B已施工完成的主體結構已不滿足改建后結構的設計要求，需全部拆除直至地下室基礎底板板面標高位置，而基礎底板及基樁業主希望保留繼續使用。為滿足日后正常使用的需要，改建后地下室主體結構層數與原結構設計相同，改建后地下室樓（地）面標高除在原基礎底板因考慮改建的剪力墻與筏板能更可靠連接而增加200 mm現澆鋼筋混凝土面層外，其它各層結構樓面標高與原設計相同。改造后地下室主體結構各層樓面結構標高分別為-17.000 m（地下4層）、-13.000 m（地下3層）、-9.200 m（地下2層）及-5.400 m（地下1層），地面±0.000維持原設計絕對標高不變。

根據地勘報告勘察結果，項目場地在其所揭露深度150.3 m范圍內地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質的差異，可劃分為12個主要層次，基樁入土深度范圍內土層分布見表1。

2地下水

根據上海地區常規設計經驗，以及地勘報告的結論，本項目基礎抗浮設計水位取地表下0.5 m，抗壓設計水位取地表下1.5 m；承壓水埋深呈周期性變化，一般為3.0～11.0 m。因本項目為改建項目，項目建設持續時間較長，考慮到原設計方案的主體已出±0.00至地上4層，符合基坑坑內停止降水的設計條件。為降低基坑內降水費用提高項目經濟性，此時，塔樓B所處范圍基坑已停止坑內降水，降水井也已進行了回填封堵。由于坑內降水井已封堵，基坑內停止降水后的地下水水位標高已無法準確確定，故在進行項目地下室改造設計與分析時，出于安全方面的考慮，仍假設現基坑坑內總水頭與坑外總水頭相同，分析時采用基坑坑外的地下水位標高。根據現場基坑坑外水位觀測井實地監測，基坑坑外地下潛水水位較高（原基坑開挖過程中無承壓水及其影響），各觀測點基坑坑外潛水水位標高詳見表2。

3樁基礎設計

住宅塔樓B原設計基樁為抗壓樁，樁徑700 mm，樁長34.0 m，混凝土強度等級C30，基樁上端23 m長度范圍內配筋為16 mm×16，下端11.0 m長度范圍內無配筋，單樁豎向抗壓承載力設計值Rd=2 800 kN。基樁設計見圖2。

實際施工過程中，塔樓B已施工樁位與原設計圖紙一致，樁位平面布置如圖3所示。根據表2基坑外地下水位監測結果判斷，塔住宅樓B及其地下室范圍在拆除與重建的施工過程中，樁基礎中的部分基樁存在臨時抗浮工況，即在此改造過程中基樁將承受上拔力。由于原設計的基樁為抗壓樁，未考慮基樁的抗浮，在此情況下，只能根據樁身周邊的土層分布情況、基樁的實際配筋以及基樁樁身裂縫控制寬度限值來反向推算原設計基樁的單樁抗拔承載力。經計算，基樁樁身裂縫寬度若按ωmax=0.3 mm控制，則原設計基樁可承受的軸向拉力為765 kN；若以樁身配筋的強度圖2基樁詳（單位：mm）控制（鋼筋強度取用設計值），原設計基樁可承受的軸向拉力為965 kN；根據土的物理力學性能指標計算所得到基樁可承受的軸向拉力均大于這2個數值，因此可以確定，基樁的抗拔承載力主要由基樁樁身控制。

4方案分析

4.1計算條件

（1）地下水位：根據前述表2基坑坑外實測地下水位數據，基礎分析時臨時抗浮工況地下水水位標高按-1.500 m（相對標高）取值。若無特別說明，以下基礎分析分析中地下水水位標高均以相對標高表示。

（2）單樁豎向抗拔承載力：根據上述分析計算結果，若以樁身裂縫控制，計算所得單樁豎向抗拔承載力為765 kN，若以樁身配筋強度控制，則單樁豎向抗拔承載力為965 kN。

（3）荷載：分析中僅考慮結構構件自重，不考慮建筑面層重量及活荷載貢獻，混凝土容重偏于安全取值24.0 kN/m3。

（4）計算軟件：PKPM 軟件中JCCAD模塊。

4.2基準方案：住宅塔樓B的±0.000以上主體結構一次性拆除基于施工現場實際情況及業主的要求，住宅塔樓B擬±0.000以上主體結構一次性拆除。根據這一方案，經JCCAD分析，結果表明原設計地下室基礎底板的實際配筋可滿足現在的計算要求，標準抗浮荷載組合下除個別幾根基樁所受拉力略超745 kN外（但小于965 kN），其它基樁所受拉力均小于745 kN，如圖4所示。因此，可以認為，住宅塔樓B在拆除全部地上主體結構時，原設計樁基礎可以滿足本方案主體結構拆除的承載要求而無需采取其他基礎加強措施。

根據本基準方案的計算分析結果，為提高設計方案的經濟性及便于施工，根據業主的指令，住宅塔樓B投影范圍內的地下室主體結構在拆改過程中擬不考慮基礎底板上附加配重的抗浮方案，若基礎存在抗浮問題，則采用基坑坑內降水。以下各進度在改造過程中的基礎分析，均假定±0.000以上主體結構已經全部拆除，且拆改范圍僅存在與地下室，并以本基準方案分析所得結果為前提。

本項目中，塔樓B緊鄰地下連續墻（地下室外墻，二墻合一），位于基坑邊緣，其地下室結構的拆除，將影響到基坑的穩定性，處理不當，將帶來嚴重的安全與質量事故。故在對塔樓B各拆改進程進行分析時，需結合圍護設計綜合考慮。經與圍護設計單位協商，出于安全考慮，在拆除塔樓B的地下室結構時，將其地下室范圍劃分為A、B、C共3個區（詳見圖5所示），先后施工，具體進度流程：

第一步：A區拆除至基礎底板。

第二步：A區地庫新建結構施工，同時C區支撐施工。

第三步：A區地庫結構施工完成，同時C區支撐施工完成。

第四步：B、C區拆除至基礎底板。

第五步：B、C區地庫新建結構施工（伴隨新建結構施工的同時，支撐由下至上逐層同步拆除）。對應于以上分區及進度流程，對塔樓B地下室主體結構拆改過程中的基礎分析如下列所述。

4.3進程一：A區地下室拆除至地下1層樓面標高

當A區拆除至地下室一層樓面標高時，由JCCAD計算所得到的分析結果表明，原設計基礎底板的實配鋼筋能滿足現在的計算要求，標準抗浮荷載工況下局部基樁所受到的拉力大于765 kN，基樁所受到的最大拉力為924 kN，均小于按基樁配筋強度控制計算所得承載力965 kN，標準抗浮荷載組合下基樁反力示意見圖6所示。此時，考慮到現有計算過程中已忽略周邊裙房地下室范圍內基礎對塔樓B基礎底板抗浮的有利作用，因此可得出結論：地下室由上至下拆除至地下室一層樓面標高時，可不考慮基坑的坑內降水，當由地下一層標高位置繼續向下拆除時，則應該考慮基坑的坑內降水。

4.4進程二：A區地下室拆除至基礎底板

A區拆除至基礎底板時，經JCCAD計算分析，其結果表明，基坑坑內的地下水位需由-1.500 m降至-10.500 m，原設計筏板實際配筋方能滿足現計算要求，此時，在標準抗浮荷載組合下僅有一根基樁所受的拉力要大于765 kN，但小于965 kN。因此，在進行本進程的拆除前，需要提前將基坑坑內的地下水水位標高降低至-10.500 m，此時基礎分析所得基樁反力如圖7所示。

4.5進程三：A區地下室新建結構施工完畢，B、C區地下室拆除至基礎底板根據進程二分析結果，基坑坑內的地下水水位標高已降至-10.500 m，此時JCCAD計算分析結果表明，原設計基礎底板實際配筋可滿足現計算要求，標準抗浮荷載組合下基樁所受到的拉力均小于765 kN（圖8），基礎的強度、剛度及穩定性可確保現場正常施工。

4.6進程四：B、C區新建結構施工至地下室2層樓面標高

由于A區已改建完成，B、C區新建結構已至地下2層，此時經分析，基坑坑內水位可允許回升至-1.500 m標高位置，即基坑坑內已可停止降水，降水井可以封閉。考慮到新舊混凝土的連接牢靠問題，為增強改建后的剪力墻與原設計基礎底板之間的連接，特別地在基礎底板板面增設一層厚度為200 mm的現澆鋼筋混凝土面層，增設的鋼筋混凝土面層以荷載形式輸入JCCAD進行分析，結果表明標準抗浮荷載組合下所有基樁所受到的拉力均小于765 kN（圖9），原設計基樁及基礎底板的強度、剛度及穩定性均可滿足改建后塔樓B的結構設計要求，確保后期現場改建結構的安全可靠。至此，住宅塔樓B的地下室主體結構改造工作已全部完成，地下室結構的整體剛度也已形成，后續±0.000以上主體結構可正常按新建結構施工。

5結論與建議

綜上分析，對于本項目中所涉及到住宅塔樓B在地下室主體結構改造過程中所進行的基礎分析與設計，給出建議：

（1） 根據文中對住宅塔樓B地下室主體結構改造的施工分區及進程安排，其基坑坑內的降水起始時間為原有結構拆除至地庫1層樓面標高時，終止時間為B、C區地下室2層新建樓面結構施工完成時，期間要求基坑坑內地下水水位標高降至不高于-10.500 m位置。

（2） 在進行地下室主體結構改造前，由于新設計方案中部分剪力墻下落至原裙房地下室范圍，其基礎底板厚度要小于住宅塔樓的基礎底板厚度，因此需先將塔樓B按新設計方案確定的基礎底板外擴至原抗水板區域的基礎底板補強（詳見圖3）。

（3）在塔樓B地下室主體結構改造過程期間，必須實施信息化施工，嚴密監測基坑坑內地下水水位的變化、基坑支護結構的穩定性和坑外地面變形。

（4）為降低對周邊已建結構的影響及少布置降水點，基坑坑內降水點應盡可能布置在塔樓B改建結構區域周邊，且隨時評估地下水水位變化對周邊已建結構的影響，不能因為降水導致周邊已建結構基樁出現超載的現象。

（5）若需在原有基礎底版上開洞設置降水點，必須提供可靠的防水措施，且需要專業公司提交降水方案供設計審核，以防止基坑坑內底板下的壓力水泄露導致地庫漫水。此外，在降水結束后需立即對基礎底板上的降水點孔洞采取有效措施嚴密封堵，以消除后期基礎底板滲漏的隱患。

6后記

改造項目本就繁瑣，本工程尤顯特別。項目中住宅塔樓B，其上部為超限高層建筑結構，因此在對地下室改造的過程中，結構工程師不僅僅要關注到結構體系本身的安全與及方案的適用，還需兼具考慮基坑穩定性、對周邊環境的影響以及經濟和便利性，每一步都需慎重對待。所幸，本項目在后續實施過程中，參照上述分析成果，經過精心設計與施工，樁基礎未出現任何強度、剛度及穩定性的問題，實為欣慰。

參考文獻

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