超大超長地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工需注意的問題探討

何均權(quán)

（廣州市建工設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

現(xiàn)代社會發(fā)展過程中，受經(jīng)濟(jì)、社會技術(shù)、土地資源等各方面因素的影響，常常需要在高層建筑設(shè)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(xiàn)了多種設(shè)計(jì)問題。如果設(shè)計(jì)方、施工方等各單位未能對其進(jìn)行有效的處理，就有可能產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為業(yè)界研究的一個重要方向，如何合理的對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工成了建設(shè)單位要重點(diǎn)考慮的一大難題。

1 建筑工程超長地下室設(shè)計(jì)需注意的問題

改革開放后，由于國家社會經(jīng)濟(jì)水平的日益提升以及城市規(guī)模的急劇增長，建筑業(yè)發(fā)展很快，出現(xiàn)了眾多工業(yè)與民用建筑及超大超長地下室，超長結(jié)構(gòu)系的結(jié)構(gòu)單元長度超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫、沉降縫最大間距的結(jié)構(gòu)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(guī)?；炷两Y(jié)構(gòu)在長期使用過程中或多或少會產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而產(chǎn)生其他外觀或使用問題。為確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全，結(jié)構(gòu)工程師必須具有較高的專業(yè)能力，要充分考慮建筑物的使用功能，通過計(jì)算滿足結(jié)構(gòu)承載能力要求，通過設(shè)置各種構(gòu)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(yǎng)護(hù)等措施；監(jiān)理單位需要督促施工方，必要時旁站監(jiān)督。多方并舉，以此減少地下室出現(xiàn)的問題[1]。

1.1 不均勻沉降問題

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）第五章表5.3.4條規(guī)定，工業(yè)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(chǎn)生變形的直接原因。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始之前，地勘就需要對工程選址的土質(zhì)進(jìn)行調(diào)查研究，通過鉆探查明地下的情況，提供合格的數(shù)據(jù)給結(jié)構(gòu)工程師作為依據(jù)。若提供的地勘鉆探點(diǎn)過少，或者過淺，未能真實(shí)反映土質(zhì)，使得設(shè)計(jì)員分析錯誤，則建筑物可能會產(chǎn)生過大的變形，危及結(jié)構(gòu)安全。

拿到合格的地勘后，工程師就需要根據(jù)地勘，選擇合理的基礎(chǔ)型式，進(jìn)而選擇合適的持力層。而在超長地下室的設(shè)計(jì)過程中，地基土質(zhì)可能變化較多，且地面高低起伏，故基礎(chǔ)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(guī)則，柱距平均；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時采取變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)[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(dú)立基礎(chǔ)或者其他沉降較大的基礎(chǔ)；同時塔樓與地下室之間設(shè)置沉降后澆帶或者加強(qiáng)帶，每隔30~40m設(shè)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(shè)計(jì)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(xiàng)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(qiáng)度很弱，因而很容易產(chǎn)生裂縫。地下室普遍都位于地下水位以下，如果地下室出現(xiàn)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(dǎo)致產(chǎn)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(qiáng)度過高、樓板太薄、覆土太重、結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)進(jìn)行有效的控制，如設(shè)計(jì)時，要求建筑方案簡單對稱，少凹凸角；結(jié)構(gòu)計(jì)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(qiáng)度也要嚴(yán)格控制，越高強(qiáng)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(dāng)加入膨脹劑可以起到很好的補(bǔ)償作用。為了更好地保證混凝土的品質(zhì)，膨脹劑的用量應(yīng)該在8%~12%之間。而在構(gòu)造方面，則需間隔30~40m或者在混凝土收縮應(yīng)力較為集中的地方設(shè)置沉降后澆帶。對鋼筋之間的間距和直徑進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，但要注意的是其間距盡量控制在150mm以內(nèi)。在必要的情況下，如果迎水面的護(hù)層厚度較大，可以在鋼筋外側(cè)增加鋼筋網(wǎng)片，能夠減少裂縫的出現(xiàn)。還應(yīng)采用保濕和保溫養(yǎng)護(hù)等多種方式控制中心和表面之間的溫度差，多項(xiàng)措施并用，以減少混凝土裂縫的出現(xiàn)[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(shè)計(jì)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(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。對于地下水位較高但地上層數(shù)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(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。工程師可以通過地勘資料，選擇合理的基礎(chǔ)型式，再考慮是增設(shè)抗浮錨桿、還是抗浮樁或者在頂板上覆土等方式并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性來進(jìn)行抗浮?？垢∷灰话阌煽辈煸O(shè)計(jì)院的工作人員根據(jù)歷史水位提出，而對于地下水位的取值直接影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。進(jìn)而影響建筑物的經(jīng)濟(jì)性，取值不當(dāng)還可能產(chǎn)生事故。故結(jié)構(gòu)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(jīng)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(fā)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑在施工時往往會出現(xiàn)許多薄弱環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)的過程中，工程師需要按照實(shí)際情況考慮，才能保證結(jié)構(gòu)規(guī)則，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性。在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置變形縫，能夠有效防止地下室由于溫度變化而出現(xiàn)的裂縫情況。但是，設(shè)置變形縫往往使得建筑防水難處理，進(jìn)而影響建筑使用。故地下室能不設(shè)縫則不設(shè)縫。不得不設(shè)置變形縫的情況下，在變形縫設(shè)置之前，還需要設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合工程的實(shí)際情況及整體結(jié)構(gòu)綜合考慮，合理對其進(jìn)行設(shè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑在施工時往往會出現(xiàn)許多薄弱環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)的過程中，工程師需要按照實(shí)際情況考慮，才能保證結(jié)構(gòu)規(guī)則，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性。在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置變形縫，能夠有效防止地下室由于溫度變化而出現(xiàn)的裂縫情況。但是，設(shè)置變形縫往往使得建筑防水難處理，進(jìn)而影響建筑使用。故地下室能不設(shè)縫則不設(shè)縫。若地下室抗側(cè)力構(gòu)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(jìn)行設(shè)置前，還需要設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合工程的實(shí)際情況以及高層建筑的整體結(jié)構(gòu)合理對其進(jìn)行設(shè)置。面結(jié)構(gòu)的橫向約束，因此，隨著其剛度、強(qiáng)度的提高，對結(jié)構(gòu)的約束能力也相應(yīng)提高。而對于超長地下室，因其跨度大，在設(shè)計(jì)時必須按照相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行。頂板的設(shè)計(jì)對于地下室而言非常重要，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時需要按照國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，既要達(dá)到相應(yīng)的抗震要求，同時對于頂板的混凝土強(qiáng)度等級、板配筋率以及頂板的厚度都有相應(yīng)的要求和規(guī)范，如圖3所示。在設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員必須明確考慮這些問題，滿足相應(yīng)的需求[5]。

圖3 頂板配筋

1.6 溫度應(yīng)力問題

超長地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)情況下混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫都是由于非荷載變形作用所引起。溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力之間是出現(xiàn)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(huán)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(yīng)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(jì)算與分析，充分掌握溫度作用對不同部位產(chǎn)生的影響，進(jìn)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(shè)計(jì)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(yīng)先將材料降溫，寒冷季節(jié)施工時應(yīng)在混凝土表面鋪設(shè)保溫膜等，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

2 超長地下室結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體性能，又要提高其結(jié)構(gòu)性能。工程師根據(jù)實(shí)際情況，會選擇后澆帶或者跳倉法對地下室進(jìn)行分塊。施工時根據(jù)施工組織決定分倉和塊體的先后次序，按5d的時間間隔進(jìn)行澆注，控制其收縮應(yīng)力，降低滲水和出現(xiàn)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而可以實(shí)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(jìn)行混凝土攪拌時，要根據(jù)設(shè)計(jì)的混合比，通過多次實(shí)驗(yàn)獲得合理的水泥砂石比，加強(qiáng)對攝入量的關(guān)注，不得隨意增加或減少，并嚴(yán)格監(jiān)控，保證配比的準(zhǔn)確性。

2.3 振搗混凝土

為了保證混凝土結(jié)構(gòu)的致密，防止產(chǎn)生裂縫，在振搗過程中應(yīng)保證均勻、無欠振、無漏振，并對施工人員進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督。在進(jìn)行振搗前，要加強(qiáng)技術(shù)和操作人員的技能培訓(xùn)，加強(qiáng)各個工序的監(jiān)督，以確保振搗的質(zhì)量。為了防止混凝土產(chǎn)生開裂、應(yīng)力收縮等問題，應(yīng)在距初次振搗1.5h后進(jìn)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(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)

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

圖4 頂板養(yǎng)護(hù)

2.5 減水劑和緩凝劑合理應(yīng)用

采用緩凝劑可以延長水化熱峰值，使其更好地適應(yīng)工程需要，不需要單獨(dú)設(shè)置冷縫，在使用緩凝劑時要嚴(yán)格控制其用量，根據(jù)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?jié)B等級，優(yōu)化泌水率強(qiáng)化抗裂效果。

2.6 科學(xué)選擇摻合料與水泥

為了確保施工質(zhì)量，必須正確選用水泥和外加劑，以達(dá)到良好的抗拉力和強(qiáng)度，防止出現(xiàn)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?？梢赃x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(jié)語

綜上所述，對于高層建筑的建設(shè)而言，超長地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，其中牽涉到較多的內(nèi)容，存在著較多的問題。如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員未能接受較為專業(yè)的培訓(xùn)，不具備過硬的專業(yè)知識，未能全方位考慮問題，就有可能導(dǎo)致工程在建設(shè)后存在較多的安全隱患，稍有不慎就有可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員可以借鑒國內(nèi)外一些較為成功的地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例，通過不斷的總結(jié)分析，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的各類問題，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性，合理性，進(jìn)而提高整體工程的質(zhì)量，如此才能更好的保證工作人員及居住者的生命安全。