目前, 有序、合理、综合、高效地开发利用城市地下空间资源, 成为合理扩充基础设施容量, 提高城市综合防灾能力, 节约土地资源的最为有效的途径之一。1977年, 第一次地下空间国际学术会议在瑞典召开, 首次提出将地下空间作为国家新型国土资源^[1]。当前, 日本等发达国家已经将地下50m的空间作为今后的开发目标, 我国地下空间的开发和研究刚刚起步。许多既有建筑物 (购物中心、居民生活小区等) 内没有设置或预留停车位, 而地面停车设施需要大量城市用地, 导致停车问题日益突出^[2]。对既有建筑进行增层加固改造, 建设城市地下停车场就成为节约建设用地、节省投资的有效途径。此外, 有一部分具有历史价值不允许拆除但需加大使用面积的既有建筑物也需要地下增层技术的发展革新。截至2015年, 我国既有建筑面积超过500亿m², 既有建筑物地下空间资源丰富, 若能对其进行有序合理的开发利用, 将对扩大基础设施容量和提高土地资源利用率有很大帮助, 对缓解现有土地资源用地紧张局面起到至关重要的作用。

目前, 既有建筑物地下增层越来越引起学者们的重视, 近年来国内外相关技术人员已开展并实施了多项工程实践。

在奥地利维也纳U3人民剧院地下增层工程中, 利用钢管桩支撑上部结构。为了防止钢管桩失稳, 通过竖向间隔施工的混凝土承台对托换桩施加水平约束 (见图1) 。

德国柏林的波兹坦Huth酒庄, 通过扩建地下室, 从而对建筑物进行保护。新加的地下室要连接波兹坦广场上的城市火车站和购物商场。扩建工程采用混凝土桩进行了托换 (见图2) ^[3]。

1988年蒙特利尔大教堂为扩大地下空间, 采用墙体外侧设直径900mm钢管混凝土桩, 内部设承重桩, 桩顶设两面夹住墙体的预应力托换梁支撑上部结构实现地下增层 (见图3) ^[4]。

我国地下增层的实践起步较晚, 1998年在北京音乐堂地下增层改建工程中, 需要在保留主体框架结构的基础上, 在观众厅下增加1层高度为6.5m的地下室, 改造后地下室基础为桩筏形基础^[5,6]。该工程采用“两桩托一柱”的设计方案, 即在柱两侧设桩, 桩顶部设承台梁与原柱连接, 使得上部荷载沿桩基和筏形基础传递 (见图4) 。为了防止桩基失稳, 选用了8m深的人工挖孔端承桩, 桩径达到1m。

位于哈尔滨市中央大街的“丝绒城”商场采用逆作法进行室内增层改造, 在新增的地下室外墙基础内侧设置钢管桩。待新增框架体系建成后, 拆除旧建筑的隔墙, 只保留外墙, 同时将连接件预埋于新框架和旧建筑外墙, 以满足两者之间所产生的不均匀沉降等要求^[7]。

上海轨道交通9号线徐家汇换乘枢纽站, 利用托换加固技术进行地下空间增层作为换乘大厅。施工选用开口钢管桩静压工艺, 采取跳桩施工以减小由于连续施工对群桩所产生的不均匀沉降, 即先进行承台桩的施工, 后再进行边跨桩的施工。该工程为首次在已运营车站的低净空地下室下进行增层加固的成功案例^[8]。

淮安15层 (局部17层) 框-剪结构商住楼的地下增层工程, 在充分论证和结构分析的基础上, 最终采用了长21m、桩径为1m的混凝土灌注桩被动托换的方案 (见图5) 。托换桩采用钻孔灌注桩以减小桩间距过小引起的偏移, 其施工简单, 但沉降大、对施工空间要求高^[9,10]。

在扬州工行办公大楼增设1层地下室的工程实践中, 鉴于原办公楼1层高度有限, 不足4m, 桩基托换作业空间较狭窄, 沉桩容易导致基础发生冲切破坏, 通过三维数值模拟和现场检测, 为控制结构变形选用了锚杆静压桩托换方案 (见图6) , 采用灌注桩围护结构来减小钻孔灌注桩施工对原有基础的影响, 并有效减小了基坑开挖引起的水平位移, 成功实现了地下室的增层。这一工程为地下增层在有限作业空间内的开展提供了借鉴^[11,12]。

济南商埠区某历史建筑地下增层和原位保护工程中, 选用直径146mm、壁厚12mm的无缝钢管为支撑, 采用泥浆护壁钻孔桩的方式减少对原建筑的扰动影响 (见图7) 。托换梁设置于既有建筑墙体的两侧, 并用托换承台支撑。土方开挖每开挖2.5m设置1道水平和斜向的拉结杆件来保证钢管的稳定性。为既有建筑物地下增层的设计和施工提供了重要依据^[13,14,15]。

除了以上工程实践中介绍的利用桩基加托换梁 (或承台) 技术方法之外, 科研人员还提出了以下几种既有建筑地下增层的方案: (1) 利用拟建地下室的部分顶板和底板交替支撑既有建筑物, 完成开挖土方和施工地下室的板式基础托换法的技术方案^[16,17]; (2) 将建筑物顶升或提升一定高度, 在正下方建造地下室, 同时可增设隔震层, 提高既有建筑抗震性能的方案^[18]; (3) 利用建筑平移技术, 将既有建筑移至建好的地下室上方进行连接, 或将既有建筑暂时移开, 待建好地下室后移回原位等^[19]。

既有建筑地下增层工程是一项复杂的技术, 需要岩土工程和结构工程知识的密切结合, 并合理地应用基础托换、基坑支护、桩基工程、地基处理等各项技术来妥善处理遇到的各种工程问题。其中, 托换梁和托换承台的承载力计算、托换桩的承载力计算、桩周土开挖过程中桩的稳定性分析都是影响既有结构安全的重要因素。

既有建筑地下增层的施工工艺和逆作法有相似之处, 但最大的区别在于:逆作法先施工临时支撑柱, 再施工上方的结构, 因此临时支撑柱与上部竖向构件上下对齐, 支撑柱可作为地下室竖向构件的部分, 浇筑为一个整体。而既有建筑地下增层托换桩只能在原竖向构件 (柱或墙体) 两侧 (见图8) 或中间设置 (见图9) , 然后用托换承台或梁将托换桩与原竖向构件相连。

对于两侧设置托换桩的方案, 为减小竖向构件占地面积, 桩宜尽可能靠近原竖向构件, 或者托换桩作为临时支撑构件在施工完地下室竖向构件后拆除。锚杆静压桩具有无噪声、设备轻巧、适合在狭小空间施工的优点, 通常可作为首选方案。托换承台设计除了考虑正常使用状态下抗冲切验算、混凝土新旧结合面的连接强度之外, 还应考虑压桩过程中, 压桩反力对承台的影响。

对于中间设置托换桩的方案, 托换桩的施工不必紧贴原竖向构件, 有了更大的操作空间, 同时减少了占地面积。但托换梁跨中需要承担上部结构竖向构件传递的竖向集中力, 因此该梁应按照受弯构件设计, 为减少该梁截面高度并提高其抗剪能力, 可考虑采用型钢混凝土或施加预应力。将托换梁以及拟建地下室的梁板作为基坑支护的水平支撑, 不仅可以降低成本, 也可提高托换梁的抗剪承载力。

托换桩若作为地下增层施工过程中的临时支撑, 施工完拟建地下室竖向构件 (墙或柱) 后拆除, 只需要对施工情况下的桩的强度、稳定性进行验算。

托换桩若采用“以桩代柱”, 既作为上部结构的支撑, 又作为拟建地下室竖向构件, 则设计时不仅要考虑施工期间的荷载, 还需要将其设计为永久构件。

施工期间, 托换桩随着桩周土的开挖, 其稳定性会逐渐降低, 而拟建地下室梁板施工完毕, 其稳定性又会提高。另外, 挖土期间桩侧出现较大土层高差, 也会影响桩的稳定性。因此, 土方开挖期间托换桩的稳定性验算是地下增层设计的重要内容^[20]。现有JTS167-4—2012《港口工程桩基规范》提出的高承台桩稳定性的计算方法, 可对计算托换桩稳定性提供借鉴^[21]。笔者基于虚拟嵌固点法, 通过试验和数值分析, 提出了桩身处于半嵌固状态稳定性计算公式, 比规范公式更符合桩的实际受力状态^[22,23]。

由于受既有建筑层高限制, 无论预制还是现浇, 托换桩都需要接长^[24]。接头处理不当会影响桩的承载力。另外, 不同托换桩的接头在竖向应相互错开, 以免在同一薄弱面上破坏。

地下增层要考虑托换结构沉降变形对上部结构的影响。被托换建筑物的自身变形已在托换前完成, 托换过程对建筑物而言是一个二次变形, 并且这一过程是在相对短暂的时间内完成的。建筑物承受二次变形的能力, 低于新建建筑物承受自身一次变形的能力, 托换结构变形允许值应小于新建建筑物变形允许值^[25]。

对于桩尖支撑在坚硬持力层上的端承桩, 桩的变形主要是桩身混凝土弹性压缩和徐变, 在托换结构变形中占的比例很小。此时, 托换梁的挠曲成为托换结构变形的主要部分。而对于摩擦桩, 土体因附加内力产生的沉降变形以及桩土间的滑移等都会产生大的沉降变形。

对于桩身压缩、托换梁的挠曲等, 用通常弹性结构分析的方法即可得到较精确的解答。而土体沉降变形、桩土间的滑移量等需要在分析桩-土间荷载传递规律的基础上深入分析。现有的分析方法有基于Mindlin解的方法、有三维建模数值分析的方法等^[26,27,28]。其中, 如何正确选取土体弹性 (压缩) 模量是分析成败的关键。

对于跨度大或荷载大的托换结构, 采用主动托换是控制沉降变形的有效方法。在沉降变形分析的基础上, 加强施工过程的监控, 才能保证地下增层的顺利实施^[29]。

随着城市建设的发展, 既有建筑地下增层需求日益增多。国内外利用桩基托换技术开展了不同结构形式、不同施工方法的地下增层的工程实践, 为该技术的发展提供了很好的借鉴。同时看到, 由于缺少规范、规程以及配套的法律法规, 既有建筑地下增层技术未能全面应用和推广, 今后需要在以下几个方面开展工作。

1) 托换承台 (梁) 的受力机理尚不明确, 特别是型钢混凝土、钢骨混凝土等受弯构件的承载力, 需进一步研究。

2) 为提高托换桩稳定性, 可在桩间加设临时水平或斜向支撑。下部嵌固于土体、中部加支撑的桩的稳定性需进一步研究。

3) 进一步研究建筑地下增层的工艺。

4) 尽早开展相关规范、规程的编制工作和地下增层的立法工作。

相信在国内外科研人员共同努力下, 既有建筑地下增层技术能够迅速发展、成熟, 为我国经济社会发展做出贡献。