俞 強(qiáng)

（福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建福州 350001）

0 引言

面對城市建設(shè)用地日趨緊張的狀況，增建地下室不失為一種增加建筑使用空間的方法[1-3]。然而受既有建筑結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)及周邊環(huán)境等條件的制約，大多建（構(gòu)）筑物往往不具備地下室增建條件。如果忽視上述制約條件冒然地增建地下室，將可能掏空建筑地基，造成原工程樁裸露，承載能力弱化，誘發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，影響上部主體結(jié)構(gòu)安全[4]。

事實(shí)上，針對房屋安全的嚴(yán)峻形勢，聚焦房屋結(jié)構(gòu)安全隱患，以對人民群眾極端負(fù)責(zé)的精神，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部長期以來在加強(qiáng)并推進(jìn)城市建成區(qū)違法建設(shè)專項(xiàng)治理工作，2021 年強(qiáng)調(diào)加快推動(dòng)違建和違法違規(guī)審批專項(xiàng)清查工作。福建省住建廳則根據(jù)《全省各領(lǐng)域安全隱患大排查大整治工作方案》有關(guān)要求，開展房屋結(jié)構(gòu)安全隱患大排查大整治百日攻堅(jiān)專項(xiàng)行動(dòng)，對具有嚴(yán)重安全隱患的既有建筑地下室超挖導(dǎo)致地基掏空問題，立即開展加固處治措施，為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)發(fā)展，創(chuàng)造良好安全的環(huán)境。

對于既有建筑地下室增層開挖，若通過前期認(rèn)真勘察、精細(xì)設(shè)計(jì)和規(guī)范化施工通?？捎行ПＷC上層結(jié)構(gòu)的安全[5]。當(dāng)前，對建筑地下增層開挖時(shí)樁基承載力的損失問題已有了較為深入的研究[6-7]，同時(shí)樁基托換技術(shù)在樁基補(bǔ)強(qiáng)方面也取得了一定的研究成果[8-10]。早期的地下室增建，如北京市音樂堂，多以逆作技術(shù)結(jié)合托換進(jìn)行，施工較為危險(xiǎn)；隨著施工工藝的進(jìn)步，小型機(jī)械化設(shè)備如錨桿靜壓樁、高壓旋噴樁等已能夠在層高受限的地下進(jìn)行[11-12]。然而，目前有關(guān)既有地下室超挖的加固改造案例較少，且與既有建筑地下增層開挖復(fù)雜技術(shù)不同[13]，超挖地下室未經(jīng)合理的工程驗(yàn)算，缺少開挖過程對建筑結(jié)構(gòu)損傷的保護(hù)措施，缺乏開挖后的加固處治措施。

鑒于此，結(jié)合某既有違建地下室超挖綜合整治工程，針對性地提出相應(yīng)的巖土與結(jié)構(gòu)加固措施，將臨時(shí)降險(xiǎn)措施與永久加固方案相結(jié)合，充分考慮現(xiàn)場施工場地狹小、工期短等不利因素，提出針對性方案，最后結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本次超挖地下室整治中巖土與結(jié)構(gòu)組合加固措施對保證建筑安全的有效性，研究成果可供同類工程參考。

1 工程概況及安全隱患

1.1 工程概況

某已建建筑為地上三層、地下一層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為人工挖孔灌注樁，樁端持力層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。建筑所在場地原為山坳地，經(jīng)回填形成現(xiàn)有場地，建筑一側(cè)為高約15 m 扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，擋墻建成后曾出現(xiàn)較大變形，因此后期增設(shè)了多道預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該建筑地下室下方經(jīng)人工開挖，形成高約5.0～8.0 m、面積約1700 m2的地下空間，造成工程樁裸露，存在嚴(yán)重的安全隱患，影響上部主體結(jié)構(gòu)安全，需進(jìn)行地基回填及地基基礎(chǔ)加固。

增建地下室平面分布范圍見圖1。為充分掌握場地地質(zhì)情況為后續(xù)地基基礎(chǔ)加固提供依據(jù)，進(jìn)行了現(xiàn)場補(bǔ)充勘察，典型剖面圖見圖2。工程場地范圍內(nèi)地層主要為：雜填土、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖以及中等風(fēng)化花崗巖。由于人工開挖，在其內(nèi)側(cè)形成的臨時(shí)邊坡高約5～7 m，邊坡坡度約50°～80°，邊坡坡面出露土層大部分為填土，坡面有線狀、股狀地下水滲出，邊坡整體穩(wěn)定性較差，局部工程樁位于邊坡上而承受側(cè)向土壓力。因此，在回填及地基基礎(chǔ)加固施工前，先采取了降險(xiǎn)處理措施以降低臨時(shí)邊坡及工程樁的危險(xiǎn)性。

圖1 開挖地下室平面示意圖

圖2 現(xiàn)場典型剖面圖

1.2 安全隱患

（1）地下室開挖后，部分工程樁在承擔(dān)豎向力的同時(shí)，承擔(dān)側(cè)向土壓力。原工程樁設(shè)計(jì)及配筋時(shí)，按其承擔(dān)豎向力進(jìn)行，并未考慮側(cè)向力的影響，因此，當(dāng)在已有地下室下方人工開挖時(shí)，于開挖邊界處形成臨時(shí)邊坡，樁基需同時(shí)承擔(dān)側(cè)向土壓力以及豎向力，致使該樁基由簡單的主要承受豎向荷載受壓構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)榧仁軌河质軓澋膹?fù)合支護(hù)樁。經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)原樁身配筋為16 根?16 鋼筋。但當(dāng)?shù)叵率议_挖后，人工挖孔樁額外受側(cè)向土壓力，取某一典型樁基計(jì)算，樁身配筋須30 根?25 鋼筋才可滿足既受壓又受彎的新要求，原有樁身設(shè)計(jì)及配筋明顯不符合現(xiàn)有情況。

（2）已有地下室人工開挖后，由于樁側(cè)土體卸載，原工程樁裸露，樁身側(cè)向失去約束。與此同時(shí)，樁基嵌固深度變小，此時(shí)樁基變?yōu)槎栈蛑?，裸露部分的樁基承載模式發(fā)生改變，樁側(cè)摩阻力部分缺失，原工程樁的配筋及構(gòu)造已不滿足新要求。圖3 為現(xiàn)場裸露樁基實(shí)拍圖。

圖3 現(xiàn)場裸露樁基

（3）地下水從臨時(shí)邊坡滲出。建筑所在場地原為山坳地，場地匯水面積大，若遇強(qiáng)降雨，將造成地下水位上升，導(dǎo)致開挖邊界臨時(shí)邊坡側(cè)向水土壓力變大，原工程樁所受側(cè)向力變大。同時(shí)地下水滲出亦可軟化地基，導(dǎo)致其承載力變低。

（4）原外側(cè)扶壁式擋墻部分立板被破壞、部分錨索被截?cái)?。在已有地下室下方人工開挖過程中，由于開挖人員缺乏安全意識，為方便開挖，破壞了部分原外側(cè)扶壁式擋墻立板，截?cái)嚅_挖空間內(nèi)的錨索。直接導(dǎo)致原有扶壁式擋墻擋土功能部分失效，邊坡存在嚴(yán)重安全隱患，危及上部建筑的安全性。圖4 為現(xiàn)場被截?cái)嗟腻^索。

圖4 現(xiàn)場截?cái)噱^索

（5）原地下室底板下土體被開挖。原地下室底板下無地基土后，底板受力模式變?yōu)轫敯?，所受荷載變大。經(jīng)驗(yàn)算當(dāng)原底板下有地基土?xí)r，人防地下室底板等效荷載為20 kN/m2，當(dāng)原底板下無地基土?xí)r，人防地下室底板等效荷載為50 kN/m2。顯然，開挖后原底板、底板梁在一般工況下承載力不滿足要求。

現(xiàn)場情況調(diào)查結(jié)果表明，在已有地下室下方人工開挖存在嚴(yán)重的安全隱患，相較于建筑樁基原設(shè)計(jì)，其承載性能明顯弱化。原工程樁裸露致使部分樁側(cè)摩阻力喪失、開挖形成的臨時(shí)邊坡導(dǎo)致樁基承受額外的側(cè)向土壓力、臨時(shí)邊坡土體的滲流破壞、原地下室底板的功能變化以及部分原支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等不利因素均對上部建筑的安全穩(wěn)定構(gòu)成極大的威脅，亟需回填違建超挖地下室并對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固改造處理。

2 加固處治措施及方案

為保證上部建筑的安全，針對已有安全隱患，應(yīng)對超挖地下室采取工程加固措施。在發(fā)現(xiàn)超挖地下室后，立即采用臨時(shí)降險(xiǎn)方案處治以降低臨時(shí)邊坡及工程樁的危險(xiǎn)性，經(jīng)反復(fù)討論和對比后，采用巖土與結(jié)構(gòu)組合加固模式對地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以最大限度保證上部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。同時(shí)考慮到超挖地下室誘發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的不確定性，在發(fā)現(xiàn)超挖空間后立即對建筑主體結(jié)構(gòu)、扶壁式擋墻及工程樁等進(jìn)行沉降及水平位移監(jiān)測，施工期還應(yīng)加密監(jiān)測，若出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)反饋，確保施工安全。

2.1 臨時(shí)降險(xiǎn)

臨時(shí)降險(xiǎn)方案計(jì)劃通過在臨時(shí)邊坡前設(shè)置排水盲溝、仰斜排水孔、級配砂石墊層、砂袋反壓以及中粗砂反濾層，實(shí)現(xiàn)堆載反壓及引排地下水的應(yīng)急目的，降低因極端降雨導(dǎo)致地下水上升誘發(fā)的臨時(shí)邊坡側(cè)向水土壓力突增風(fēng)險(xiǎn)，其核心在于保證臨時(shí)邊坡安全穩(wěn)定，具體布置如圖5 所示。在臨時(shí)降險(xiǎn)施工過程中，首先清理平整場地，挖除表層虛土、“橡皮土”和泡軟的填土，換填黏性土并夯實(shí)緊密、平整。施工排水盲溝和仰斜排水孔時(shí)，因在降險(xiǎn)處理階段，暫無法形成完整排水系統(tǒng)，排水盲溝內(nèi)地下水可先暫時(shí)通過臨時(shí)水溝排出空腔。級配砂石墊層施工后，在其表面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜。坡向反壓砂袋堆放結(jié)合中粗砂反濾層施工同時(shí)進(jìn)行。反壓砂袋堆放設(shè)計(jì)時(shí)與原工程樁預(yù)留小段距離，避免由砂袋倚靠工程樁帶來的不利影響。

2.2 地基基礎(chǔ)加固-巖土措施

綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)性，在地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)時(shí)，將臨時(shí)降險(xiǎn)措施與永久加固方案相結(jié)合，在臨時(shí)降險(xiǎn)方案工程措施基礎(chǔ)上構(gòu)建完整的排水系統(tǒng)，包括排水盲溝、級配砂石墊層的全局鋪設(shè)，與降險(xiǎn)處理階段排水盲溝連接。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件設(shè)置相應(yīng)的工程加固措施，如對東側(cè)回填土較厚（3～9 m）區(qū)域采用施打高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固，以提高該區(qū)域的地基承載力。對人防地下室下部開挖區(qū)域進(jìn)行回填處理，擴(kuò)大坡腳堆放反壓砂袋區(qū)域，在降險(xiǎn)處理階段的反壓砂袋外側(cè)繼續(xù)堆載，堆載累計(jì)總寬度約10 m，而后采用泡沫混凝土填筑人防地下室部分剩余空腔。為確保施工質(zhì)量，填筑完成后，再次在底板開孔進(jìn)行注漿，將剩余空隙填充密實(shí)。上述加固措施具體布設(shè)見圖6。

采用輕質(zhì)泡沫混凝土可保證回填后對原地基不會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，同時(shí)高流動(dòng)性確保施工的順利進(jìn)行，克服現(xiàn)場施工場地狹小的不足，且施工無需碾壓振搗。最重要的是泡沫混凝土固化后可保持垂直自立，減小對原支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力，可減輕回填對原結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的消極影響，又可作為臨時(shí)邊坡的坡前支擋結(jié)構(gòu)。在具體的施工過程中，泡沫混凝土分層填筑，每層厚度不大于0.8 m，上一層澆筑作業(yè)應(yīng)在下一層澆筑終凝后進(jìn)行，并且由于泡沫混凝土優(yōu)良的固化后垂直自立性，外側(cè)采用40 mm 厚掛網(wǎng)抹面作為保護(hù)層即可。在排水盲溝、級配砂石墊層布設(shè)完成后，在其表面鋪設(shè)一層土工膜，防止后期回填過程中混凝土阻塞排水系統(tǒng)。

對于非人防區(qū)域，人工挖孔樁采用墩基的計(jì)算方式校核，其基礎(chǔ)承載力滿足要求，對樁身則采用框架柱的構(gòu)造及配筋對其進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，也滿足要求。因此，可不進(jìn)行回填處理，但為防止其因開挖面長期裸露而誘發(fā)危害，可采用100 mm 厚的C15 素混凝土進(jìn)行地面硬化，同時(shí)做好隔水防潮措施。

2.3 地基基礎(chǔ)加固-結(jié)構(gòu)措施

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，大部分扶壁式擋墻擋板存在切割開洞、露筋及錨桿施工貫穿現(xiàn)象，個(gè)別扶壁存在混凝土脫落、露筋現(xiàn)象。同時(shí)，樁身及護(hù)壁裸露高度為1933～6541 mm，部分樁基構(gòu)件存在護(hù)壁剝落樁身裸露、錨桿施工貫穿、樁身底部修補(bǔ)現(xiàn)象。在原地下室底板損傷調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在開挖區(qū)域內(nèi)，地下室底板板面局部存在通長縱向裂縫，個(gè)別集水坑一側(cè)大面積混凝土受損，鋼筋裸露扭曲，部分集水坑底板已切割開洞。鑒于此，在采用地基回填、高壓旋噴樁加固等巖土地基加固巖土措施的同時(shí)，同樣應(yīng)修復(fù)上述結(jié)構(gòu)損傷及缺陷，降低建筑失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

在結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮對裸露樁基的保護(hù)、板間空洞填補(bǔ)以及損傷混凝土補(bǔ)強(qiáng)，針對樁身或已有結(jié)構(gòu)的混凝土脫落、露筋現(xiàn)象制定混凝土損傷修復(fù)方案。對于底板的通長縱向裂縫制定相應(yīng)的裂縫處理方法。對擋板大面積混凝土受損、鋼筋裸露扭曲、底板開洞現(xiàn)象則綜合采用植筋方法、外設(shè)混凝土保護(hù)層以及粘鋼加固方法修復(fù)，以保證后期結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

此外，鑒于裸露部分樁基功能已轉(zhuǎn)換為框架柱，此時(shí)通過對非人防區(qū)域人工挖孔樁底新增樁底承臺(tái)并用地梁連接，以滿足相關(guān)基礎(chǔ)構(gòu)造要求，并加強(qiáng)其整體性，新增承臺(tái)及地梁結(jié)構(gòu)布設(shè)如圖7、圖8 所示。同時(shí)，對部分裸露樁基表面增設(shè)20 mm 厚防水砂漿防護(hù)，完成樁基結(jié)構(gòu)向框架柱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，并防止由于后期樁身混凝土脫落導(dǎo)致的強(qiáng)度不足。

圖7 樁底承臺(tái)布筋方案

圖8 樁底承臺(tái)構(gòu)造

3 加固效果

考慮到地下室超挖可能對原擋墻及建筑主體和建筑樁基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，為掌握其影響情況，同時(shí)確保周邊建筑的安全，為后期加固施工提供依據(jù)，對擋墻、兩棟主體建筑及其地下室墻柱、孔樁等進(jìn)行沉降、水平位移監(jiān)測。本工程于2020 年4 月開始對超挖地下室進(jìn)行基礎(chǔ)加固，2020 年7 月超挖地下室已基本回填，監(jiān)測工作于2020 年4 月13 日開始，至2020 年11 月16 日結(jié)束。加固監(jiān)測項(xiàng)目共布設(shè)了64 個(gè)沉降觀測點(diǎn)，其中建筑布設(shè)16 個(gè)沉降觀測點(diǎn)、擋墻布設(shè)15 個(gè)沉降觀測點(diǎn)、地下室結(jié)構(gòu)柱布設(shè)17個(gè)沉降觀測點(diǎn)、挖孔樁布設(shè)16 個(gè)沉降觀測點(diǎn)，與工作基點(diǎn)組成閉合環(huán)線路。

在加固監(jiān)測項(xiàng)目工程加固改造施工及地下室回填期間，建筑沉降變化-0.12～1.10 mm；擋墻沉降變化-0.31～1.07 mm；地下室結(jié)構(gòu)柱沉降變化-0.19～1.01 mm；挖孔樁沉降變化-0.24～0.85 mm，較為明顯地，各監(jiān)測項(xiàng)變形均保持在較小值，變形處于規(guī)范規(guī)定的相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

通過統(tǒng)計(jì)建筑沉降變化平均值可以得到建筑、擋墻、地下室結(jié)構(gòu)柱以及人工挖孔樁觀測周期內(nèi)平均沉降速率-時(shí)間-平均累計(jì)沉降量（V-T-S）曲線圖，如圖9-圖12 所示。

圖9 建筑V-T-S 變化曲線圖

圖10 擋墻V-T-S 變化曲線圖

圖11 地下室V-T-S 變化曲線圖

圖12 孔樁V-T-S 變化曲線圖

從上述建筑、擋墻、地下室結(jié)構(gòu)柱以及人工挖孔樁沉降觀測曲線圖可知，該建筑在加固施工期間（2020 年4 月13 日至2020 年6 月14 日）各監(jiān)測點(diǎn)尚有緩慢的沉降，在加固施工完成后（2020 年6 月15 日至2020 年11 月16 日），各監(jiān)測點(diǎn)沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，沉降速率已經(jīng)接近于零。由此可見，經(jīng)地基基礎(chǔ)加固后，該建筑主體已達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)加固取得良好的效果。

4 結(jié)論

超挖地下室存在嚴(yán)重的安全隱患，相較于建筑的原設(shè)計(jì)，其承載性能弱化明顯，原結(jié)構(gòu)功能發(fā)生轉(zhuǎn)變，破壞了建筑結(jié)構(gòu)與土體的力學(xué)平衡狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即進(jìn)行加固整改。通過對該違建超挖地下室的綜合整治，得到以下結(jié)論：

（1）基于臨時(shí)降險(xiǎn)措施與永久加固方案相結(jié)合的理念，對超挖地下室造成的加固結(jié)構(gòu)的損壞或缺陷及時(shí)采取如粘鋼加固、植筋、混凝土缺陷修復(fù)、裂縫處理或表面加固防護(hù)等措施補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。在地基基礎(chǔ)巖土加固時(shí)，盡可能地減少對原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，針對狹小空間，選取高壓旋噴樁處理軟弱地基，輕質(zhì)泡沫混凝土進(jìn)行回填。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，經(jīng)整治加固后，該建筑主體已達(dá)到安全穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)加固取得良好的效果。

（2）既有地下室超挖極易誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，且由于巖土工程的獨(dú)特性，對該類整治工程而言，應(yīng)對已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，了解已有結(jié)構(gòu)在人工開挖后的損傷或缺陷情況，尤其是查明原建筑工程樁受力變化、地下環(huán)境變化影響等，評估其承載能力現(xiàn)狀，基于此設(shè)計(jì)針對性的治理方案。

（3）盡管該類工程項(xiàng)目規(guī)模一般不大，但涉及勘察、設(shè)計(jì)、檢測、監(jiān)測、施工、監(jiān)理、材料、造價(jià)等行業(yè)，需各方協(xié)作推進(jìn)。同時(shí)，在涉及地下空間結(jié)構(gòu)加固時(shí)，結(jié)構(gòu)與巖土加固措施往往是密不可分的，本工程中巖土與結(jié)構(gòu)措施組合應(yīng)用的工作思路可供類似工程參考。