既有建筑嵌套建造地下室设计与施工

胡晓静

（上海勘测设计研究院 上海 200434)

1 引言

在无地下室的既有建筑底层增建地下室，是地下空间开发和结构改造相结合的一项重要课题。文献1针对天然地基上的框架建筑，提出结合增建地下室，利用新建底板将原柱（墙)下分离的基础连接起来，从而形成满堂基础并作为地下室底板，其优点是可最大限度开发利用地下空间，还可提高基础整体承载能力。但新老结构连接构造复杂，对既有建筑影响较大。既有建筑改造中有时会遇到底层功能或荷载有较大改变，需要拓建地下室，但要求不改变既有建筑结构和基础传力体系。为此借鉴基础设计中的补偿基础原理，提出了一种在既有建筑室内嵌套建造地下室的方法：在室内挖除地坪以下至原基础底面标高间回填土，嵌套构筑地下式或半地下式封闭箱体，作为建筑底层改造后的功能空间的补偿基础，同时在箱体内部形成新的可供利用的地下空间，如图1。这里需要解决的难点是，如何采取恰当的施工方法，并巧妙设计封闭箱体结构及荷载分布，使新增地下空间不影响原结构基础稳定，且与既有建筑浑成一体。

2 补偿原理

通常岩土工程所称补偿原理即补偿基础原理，系指以新建建筑重量代替基坑开挖卸去的土重，使得坑底土体不产生导致较大沉降的附加应力，即利用新增荷载产生的应力p补偿开挖卸载失去的地基应力σ0。在既有建筑室内空间条件下，下部土体长期受地坪活荷载以及既有建筑基底压力的作用，其结果将可能形成超固结效应，使σ0超过自重应力 σe。设基础底面水的浮力为 u，室内完全补偿的基础满足：

根据式（1)，当增建地下室箱体自重及其上荷载之和产生的基底应力p不超过地坪土体自重时，基底将不产生附加应力，即增建地下室新增荷载将被室内基坑开挖移去的土重所补偿，从而既有建筑将不因改造而产生新的沉降。实际地基受卸载回弹影响，会发生回弹再压缩沉降，但回弹、再压缩变形主要为弹性变形，对既有建筑基础稳定影响很小。因此，通过适当控制增建地下室箱体结构及其荷载，在室内嵌套建造地下室是可行的。

如图1所示，利用前述室内地下空间补偿原理在既有建筑内部嵌套建造地下室，为达到补偿充分、新增地下空间功能适用的满意效果，既有建筑应具备一定条件，包括：建筑和结构基本完好，或可方便地予以加固处理，使在规定的期限内可正常使用而无须大修改造；建筑有较大开间、进深，层高较大，室内空间较开阔，方便嵌套地下室施工；结构型式宜为钢筋混凝土框、排架或钢框架、钢排架；基础宜为柱下独立基础或条形基础，基础间有较大净空。

图1 室内嵌套建造地下室方法示意

3 结构布置与构造

3.1 合理埋深

增建地下室采用较大的埋深可提供更大的补偿，方便地下室结构布置并增加地下室层高。但由于要嵌套在既有建筑室内，埋深的选择受既有基础埋深、地下水位、开挖及施工方法以及场地工程地质条件等多方面因素制约，一般取增建地下室落深不超过既有基础埋深，这样开挖方便，对既有建筑的影响容易控制，对场地土层条件适应面广，软土地基也可应用。当底层建筑空间允许时，将地下室顶板抬高，即构造成半地下室，可解决地下室层高不足的问题。

当采用既有基础埋深不足以补偿嵌套地下室建造需要，或经方案比选确有必要在室内建造多层地下室时，必须采取基坑围护措施，对既有建筑及基础加以可靠保护，在确保既有建筑基础稳定的前提下，方可采用大埋深补偿基础。

3.2 结构型式

结构选型的主要着眼点是结构重量较轻、荷载分布较均匀、传力直接，形成的地下空间开阔易用，嵌套建造施工方便。可供选择的结构型式有箱形基础墙承重，或筏板基础柱、墙承重。

图1中增建地下室为典型的箱形基础，箱基底板嵌套在既有基础之间，顶板在箱基外墙处外挑至既有建筑柱或墙边。这种结构型式刚度大，整体稳定性好，有利于上部布置大型设备，可按箱室分布分块挖土施工，但箱室间沟通需在纵、横隔墙上开洞，构造和施工较复杂，尤其是箱基内部空间狭小，一般仅能用于储藏等有限用途。

图2、图3所示嵌套地下室采用筏板基础柱、墙承重。基础底板为整体片筏，地下室以外墙和柱承重，顶板为平板，柱顶设柱帽，与顶板构成板柱体系。底板座落在既有基础之间，顶板外挑至既有建筑外墙或框架柱边。如此形成的地下空间较为开阔通畅，适于多种功能。采用柱承重为主时，根据需要，顶、底板也可布置成肋形梁板结构。

3.3 新老结构衔接构造

室内增建地下室的关键是将地下室结构嵌套在既有建筑和其承重结构之间。地下室顶板作为改建后底层楼板，一般贴邻既有建筑墙、柱布置，其外缘随外墙和柱凹进或凸出，呈锯齿状，间隙为抗震缝宽度，一般取 70～15mm，遇内部既有框架柱则开洞将框架柱环绕其中，如图 3。外缘抗震缝一般采用建筑构造覆盖，内部洞边间隙则可按建筑水平缝处理，或做反梁等防坠物构造。为使顶板布置相对规则并减小外挑跨度，结合室内景观设计，还可在顶板上灵活开洞，洞下设树槽植树。

底板作为地下室柱、墙的基础仅能利用既有基础之间的净面积，考虑到开挖和施工需要，底板边缘与既有基础间应留有一定净距离。外墙沿底板边缘布置并围合封闭。为减少顶板外挑，外墙可做成向外侧倾斜，斜外墙与既有基础顶面间有回填土时，应使回填土表面与外墙面脱开，或在其间垫以厚层聚苯板。底板与外墙均应采用防水混凝土。

当增建地下室顶板由柱支承时，外墙可不与顶板整浇，但墙顶仍应高于室外地坪。此时在既有建筑外墙上对应位置处开设窗洞，可帮助地下室通风采光。

图2、图3所示将入口踏步跨越既有基础布置的嵌套方式，有效扩大了地下空间范围，使新老建筑融为一体。

4 开挖施工对策

在室内进行基坑开挖，为保证既有建筑基础稳定，除限制基坑深度外，采取恰当的开挖施工方法是非常必要的。由于既有建筑基础底面以上部分的坑壁侧移受到原基础和外墙的约束，对天然地基上的浅基础，开挖至基础底面以上通常是安全的，而继续挖深则可能导致原基础的倾斜甚至失稳，必须进行支挡围护。

基坑落深小于既有基础埋深，土层条件较好时，可采用分层分块流水开挖、盆式挖土、抽条挖土等方法控制卸荷影响。坑底面以上 500mm深度内、与既有建筑和既有基础相邻处，均必须人工开挖。挖至坑底立即浇筑垫层。地下水位较高时，可在坑内设碎石盲沟和集水井排水，必要时也可布设轻型井点降水。

图4为上海中山变电站室内基坑开挖时的情形。开挖时值12月，开挖至地面下约1m处遇地下水，在基坑南侧（图中右侧)东、西各设置了两处集水坑抽水，开挖至坑底设计标高时挖深1.4m，低于原建筑基础垫层底面约 5～10cm，在坑底纵横向布置了碎石盲沟与集水井连通，保持坑底疏干状态。

图2 嵌套地下室顶板结构平面示意图

图3 A-A剖面

L.齐瓦特在文献2中介绍了在墨西哥高压缩性土地基上建造补偿基础采用的特殊开挖方法，其特点是基坑分层开挖和荷载逐步替换。第一步，开挖基坑至安全深度，一般不超过总深度的一半；第二步，按箱基隔墙的位置逐个开挖基槽，浇筑隔墙钢筋混凝土，然后依次挖去墙间的土并浇筑底板，封闭后充水加压。室内增建地下室采用多箱室箱形基础时，此法完全适用。

当增建室内地下室（或设备基础)埋深超过既有建筑基础，或地下水位较高时，不进行基坑围护，开挖将是困难和危险的。囿于室内施工条件，常见的围护方案，如地下连续墙、板桩等，一般难以实施。为此，可考虑采用一种特殊的逆作法：

（1)开挖基坑至安全深度，一般开挖至接近基础底面处；

（2)按拟建室内地下室外墙的位置分段开挖基槽，浇筑外墙钢筋混凝土，并立即采用平面支撑或斜撑加以支护；然后依次开挖下一段外墙基槽、浇筑混凝土、实施支护，直至外墙全部封闭，各段墙体间设钢板止水连接；

（3)挖去坑内的土并浇筑底板，与外墙间设止水连接；

（4)其他地下室结构可由下至上按正常工序施工。

当需要在室内局部区域作大埋深开挖时，也可借鉴沉井基础施工工艺，采用沉井逆作法：首先，在既有基础间就地浇筑第一节井筒，边挖土边下沉，逐层加高井筒，从而利用沉井将围护结构形成与挖土过程相结合，以完成室内大埋深基坑的开挖。

图4 中山变电站室内基坑开挖

5 工程实例

上海造币厂35kV变电站位于上海市嘉定区曹安路 3513号上海造币厂封浜厂区，利用厂区中心既有厂房建筑改建形成。原建筑为元币坯模仓库，平面尺寸为 73.00m×12.48m，框架结构，柱距6m，自轴1至轴14共14榀框架，每榀单跨 12m，底层层高 6.5m，柱下条形基础，埋深1.9m。根据厂区规划，该仓库底层拟移往别处，轴5至轴14间可腾空，从而该部分空间可用于容纳35kV变电站。原建筑开间、进深与层高均较大，经房屋质量检测鉴定，房屋结构质量良好，场地适合嵌套地下室施工。

如图5，新建地下层与原建筑结构完全脱开布置，总高自原基础底面标高-2.0m至改建后室内地坪标高1.1m，结构基础为梁板式筏板基础，筏板顶面标高-1.2m，基础两侧接近原外纵墙轴线处地基梁局部抬高并向外墙悬挑。底板和侧墙采用防水混凝土。侧墙四面围合封闭，墙上预埋电缆套管供进出线穿行，墙顶标高0.00m，高出室外地面0.15m，与地下层顶板间尚有约 1m高的间隙，在外墙对应位置处设置通风百叶窗，实现地下空间自然通风。地下室主体为单层框架，框架柱、梁根据变电站设备布置需要进行布置。地下室中部设一楼梯，与一层楼面相接，供安装检修人员出入。

图5 上海造币厂变电站室内嵌套地下室

增建地下层后，形成地下空间建筑面积约400m2，全部用于布置进出线电缆。地下层空间较空阔，进出线布置和检修维护均十分方便。

本例地下室埋深较浅，采用人工分层开挖，根据补偿原理，控制改建后地基应力不超过基底土层的历史应力。实测沉降显示结构完工后原建筑沉降观测值变动不超过1mm。工程于2004年中完工，迄今变电站地下空间结构和原建筑均运行良好。

6 结论与建议

（1)通过采取恰当的施工方法和嵌套地下室结构构造，将补偿原理应用于既有建筑室内地下空间开发，在室内嵌套建造地下室是可行的，且不影响原结构，并与既有建筑浑成一体。

（2)室内建造地下室引起的沉降效应是一个包含回弹、再压缩变形在内的复杂过程，目前实测资料尚不多，地基变形的规律和特征有赖积累更多的观测资料以展开深入研究。室内地下空间应用补偿原理除考虑土体自重应力补偿外，如何计及地坪活荷载等影响以充分发挥地基补偿潜力，也值得进一步探讨。

（3)无论在寸土寸金的中心城区，或在大量既有工业建筑厂房的改造利用中，室内地下空间开发均有较大需求。推广应用在既有建筑室内嵌套建造地下室，对城市地下空间开发具有现实意义。

1 胡晓静.既有建筑增建地下室与基础加固设计[J].建筑结构, 2010, 40(S2):280-282.

2 L.齐瓦特.难处理地基的基础工程[M].北京: 水利出版社, 1982.07, 第一版