复杂地下空间片区超高层建筑嵌固端的设计与施工

赵 乐 韦静林 谢一可 柳印生

1. 中国建筑第二工程局有限公司华南分公司 广东 深圳 518048；2. 广东省建筑设计研究院有限公司 广东 广州 511340

1 工程概况

广晟万博城项目位于广东省广州市万博商务区内，紧邻广州地铁7号线南村万博站，项目用地面积约3.5万 m2，建筑面积约34.86万 m2，包含住宅、商业、办公、酒店等业态，建成后将成为广州番禺区地标建筑。项目由A、B、C共3栋塔楼、1#—4#共4幢4层商业街、8层商业裙楼及4层地下室组成。其中：A塔楼地上57层，建筑高度266.15 m；B塔楼26层，建筑高度130.7 m；C塔楼31层，建筑高度153.4 m。

本项目地下室4层，埋深22 m，地下室北侧、西侧紧邻万博地下空间项目，两地下结构间通过变形缝分隔，即本项目地下室北侧、西侧为临空状态；地下室与东侧、南侧地下结构之间通过一定厚度的回填土分隔，即本项目地下室东侧、南侧临土。

2 结构设计难点分析

本工程地下室处于复杂的地下空间中，在结构计算的过程中遇到以下难题：

1）结构总高度难确定。本工程地上结构的起始位置若按常规建筑设计考虑，结合项目东侧临土，可将项目底部4层结构视作“地下室”，则项目整体结构高度为266 m；若结合项目实际情况，考虑到万博商务区九大地块的地下室均处于一个大基坑范围内，亦可将项目4层地下室视为“裙楼”，则项目整体结构高度为288 m。这两种确定结构高度的思路均有一定的合理性，造成项目结构高度确定困难。

2）由于地下室约束左右不对称，导致底部结构动力响应复杂，对结构受力产生不利影响，不论将嵌固端选择为底板，还是首层，抑或分区域选择底板和首层两种嵌固端，均不利于结构受力。

本项目地下室两边的约束条件不同，一边临土一边临空，当结构受到正、反两个方向的水平力作用时，因结构底部约束的差异而产生2种截然不同的响应。

设计单位采用SAP2000建立3个简化结构模型：首层嵌固、一临土一临空、底板嵌固，分析其动力响应（EL CENTRO波），对比各杆件、节点的主要内力。计算结构表明，当水平力向临土一边作用时，地下室顶板及以下各层受到约束，仅上部结构发生变形；当水平力向临空一边作用时，则地下室顶板及以下各层缺乏约束，地下各层及上部结构均发生变形。可见，在地震力频繁往复作用下，将导致结构响应相当复杂，尤以首层附近范围的情况最复杂。

模拟小震情况下，3种不同约束条件下，梁弯矩、柱弯矩情况，一边临土一边临空的特殊约束条件下，结构的动力响应复杂，对结构受力极为不利，即使采用后两者包络的方法，也仍有相当一部分杆件内力无法被“包住”。因此，项目团队决定采用技术措施改变结构的约束条件，设法将结构回归到四面约束的状态，便可恢复按常规的4层地下室设计、结构高度从首层板面算起。

3 地下结构砂槽约束技术

项目设计团队参考了GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中关于分缝地下室之间用粗砂填实的做法，决定在本项目与相邻的地下空间项目交界处的边梁之间设置一个空腔，空腔上、下部位设置伸缩缝，空腔中填充中粗砂，并做好防水措施，同时相应结构增设加腋结构，提高整体受力性能[1-9]。

在本项目与相邻的地下空间项目伸缩缝之间设置的砂槽可有效传递上部结构的水平力，通过砂槽对地下结构变形进行约束，使地下室回归到四边临土的常规设计状态，从而以较小的成本保证结构整体受力合理且安全。

温度变化时，降温致楼盖收缩，砂槽因不能传递拉力，故不对楼盖产生不利约束；升温致楼盖膨胀，且速率极慢，砂粒间的孔隙受缓慢挤压而释放大部分变形，少量未释放的变形致楼盖受压，并无大碍。

地震及强风时，结构瞬时快速的变形，致砂槽中的砂粒未来得及挤压孔隙而接近刚性体传力，从而实现有效传递水平力的作用。

3.1 整体设计方案

砂槽构造由本地块结构构件与相邻地块结构的构件相连接共同完成，为确保本项目与相邻的地下空间项目之间嵌固的稳定性，在首层和地下1层伸缩缝位置均设置砂槽。砂槽整体设计方案如下：

1）由于地下空间相邻区域结构标高均低于本工程相邻区域结构标高，因此砂槽标高以本工程相邻结构标高为准，地下空间地块边梁位置增设混凝土挡墙。

2）边梁或挡墙位置增设飘板。

3）砂槽空腔内结构均涂刷防水涂料。

4）同一标高位置，留设伸缩缝，伸缩缝中埋设橡胶止水带。

5）砂槽底部安装排水措施，利用排水管引入附近的集水井。

6）砂槽外部按顶板建筑做法进行防水施工。

3.2 地下1层砂槽设计方案

本项目地下1层与地下空间项目连通，楼板面标高一致，该位置砂槽可直接设置在边梁位置。地下1层位置结构边梁尺寸为400 mm×1 200 mm，砂槽宽550 mm，高1 200 mm，砂槽顶部与底部结构飘板厚度均为150 mm，两地块中间设置宽30 mm伸缩缝，伸缩缝内预埋中埋式止水带。

砂槽端部采用同飘板厚度一致，即厚度为150 mm的侧板进行封闭，沿伸缩缝竖向预埋中埋式止水带，竖向止水带与水平段搭截长度不小于300 mm。

砂槽内两侧及底部均需进行防水施工，采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽内填充中粗砂，顶部、底部结构伸缩缝内采用挤塑板填缝。顶部按地面做法进行施工。底部外侧安装可卸式止水带、不锈钢水槽，并接雨水管引至集水井。

3.3 首层砂槽设计方案

本项目东侧、南侧与相邻地下结构之间均有宽1～2 m的土方回填区域，因此仅需在项目北侧、西侧设置砂槽。

本工程首层板结构标高高于地下空间项目结构顶板，砂槽顶部标高按本工程顶板标高进行设计。本地块首层边梁高1 500 mm，考虑首层顶板防水需要，砂槽顶部需高出首层结构400 mm，因此首层砂槽高1 900 mm，宽550 mm，底部结构飘板厚150 mm、顶部飘板厚250 mm。地下空间根据上述结构参数在地板上设置宽300 mm的挡墙，确保砂槽顶部标高一致，并满足建筑施工要求。两地块中间设置宽30 mm伸缩缝，伸缩缝内预埋中埋式止水带。

首层砂槽端部采用同顶部飘板厚度一致，即用厚250 mm的侧板进行封闭，沿伸缩缝竖向预埋中埋式止水带，竖向止水带与水平段搭接长度不小于300 mm。

砂槽内两侧及底部均需进行防水施工。砂槽内填充中粗砂，顶部、底部结构伸缩缝内采用挤塑板填缝。顶部按顶板做法进行施工。底部外侧安装可卸式止水带、不锈钢水槽，并接雨水管引至集水井。

3.4 水平错位砂槽设计方案

当变形缝纵向存在错位时，需在错位位置增设封闭侧板，保证砂槽水平方向贯通，确保砂槽的整体性。封闭侧板可按端部封闭大样设计（图1）。

图1 砂槽错位封闭大样三维示意

3.5 砂槽防水设计

砂槽内空腔两侧及底部均需进行防水施工。空腔内部采用厚2.0 mm的聚合物水泥防水涂料Ⅱ型涂1遍。砂槽空腔内填充中粗砂，顶部、底部结构伸缩缝内采用挤塑板填缝。顶部伸缩缝按地面变形缝施工，防水及地面做法按相邻部位地面做法进行施工（图2）。

图2 砂槽建筑做法

当砂槽位于地下室顶板伸缩缝位置时，需考虑首层顶板防水要求，地下室顶板位置砂槽顶部需高出首层结构400 mm，且伸缩缝位置需干铺宽350 mm卷材隔离层、敷设迎水面背衬材料。

3.6 砂槽排水设计

砂槽部位防水遵循“以防为主、以排为辅”的原则，因此项目团队对砂槽底部进行了排水设计。基于原防水设计，在砂槽变形缝底部安装可卸式止水带、不锈钢水槽（按1%自找坡），不锈钢水槽采用射钉固定于砂槽结构上，并在水槽底部设置型钢支撑，水槽端部设置雨水管并引至集水井。

本文以南通蓝印花布的数字化纹样图像为研究对象，通过数码相机等设备为其进行数字化图像的采集。另外，针对蓝白两色的蓝印花布这一特点，对其数字化图像进行相关预处理，包括灰度化、中值滤波去噪和归一化等操作；经过大量实验后，确定采用加权值法与最大值法结合的灰度化处理来处理，其公式如下所示：

为确保砂槽的整体性，砂槽结构需随主体结构同步施工，同时在地下空间一侧结构顶部预留空间，便于在砂槽中填充中粗砂，砂填充完毕后封闭预留结构，进行面层施工。整体施工顺序如下：施工准备→测量放线→模板支撑架搭设→结构施工→模板拆除→内部防水施工→填充中粗砂→封闭预留空间→面层施工→底部水槽施工。

3.7 模板支撑架设计

砂槽底部空间较小，采用钢管搭设3排脚手架进行施工，架体横距900 mm、纵距1 500 mm、步距1 500 mm，并在架体两侧每3 m处设置1道抛撑。若砂槽下部为混凝土外墙或已施工的砌体外墙，则仅需在地下空间一侧设置抛撑，3排脚手架架利用顶托＋方木与墙体形成对撑构造。当支撑架底部悬空时，于两地块空洞部位设置长2 m的16#槽钢。

砂槽侧壁挡墙模板采用1 830 mm×915 mm×15 mm黑模板，根据截面尺寸统一加工成形，现场安装。竖向次楞为40 mm×90 mm方木，间距300 mm；横向主楞为φ48 mm×3.0 mm双钢管，第1道距地200 mm、第2道与第1道间距500 mm，其他主楞间距为800 mm，并采用钢管做斜撑，为保证模板的侧向刚度，在模板中间加设φ14 mm高强对拉螺杆，对拉螺杆水平间距500 mm。墙中部设置混凝土撑条保证模板截面尺寸，为安全起见，对于底部两排对拉螺杆加设双螺帽。所有临空侧支模接口处模板均需下探不少于100 mm，并用方木压紧确保接缝严密。并于一侧按间距1.5 m设置钢管斜撑，斜撑角度宜为45°～60°。

3.8 砂槽结构施工

砂槽部位模板支撑体系搭设完成、验收合格后，开始砂槽部位钢筋、混凝土结构施工。

为便于砂槽内防水施工、中粗砂填充施工，在砂槽一侧顶部飘板位置设置预留空间，并在施工缝位置设置止水钢板。

3.9 砂槽内部防水施工

砂槽处于结构边缘，其空腔内壁需进行防水设计，砂槽内部采用防水涂料。

3.10 中粗砂填充

中粗砂宜选用天然砂，其细度模数为1.6～3.7，其粒径在2.8～3.2 mm之间，其含泥量不宜大于3.0%。

砂槽内部防水施工完成且涂料完全干燥后，方可进行中粗砂的填充。中粗砂填充时应从中间向两端填充，填充应分层进行。中粗砂填充时分层填充高度不宜超过300 mm。中粗砂填充后无需进行压实，自然留置24 h即可，若留置时间内出现较大沉降需进行二次填充，确保砂槽内中粗砂填充密实。

3.11 封闭预留空间

砂槽内中粗砂填充完成后，空腔顶部预留结构利用灰砂砖做底部模板，其钢筋保护层厚度应适当增加至70 mm。混凝土浇筑时，应避免直接向交界位置投料。确保新旧混凝土交界处的捣实工作，振捣时宜向交界处逐渐推进，使其能结合紧密。

砂槽上下部两侧飘板之间设有伸缩缝，伸缩缝中需填充挤塑板，可兼做飘板结构施工时飘板结构的侧向模板。

预留结构封闭后，按照地面、变形缝做法进行面层结构施工即可。

4 结语

本项目在临空嵌固端设置砂槽，利用伸缩缝解决建筑物温差变形的释放问题，同时利用首层作为嵌固端进行地震的水平荷载、风荷载的传递，并也降低了结构计算高度，减少了结构受力分析的难度。同时通过预留空间、底部排水设计，有效地提高了项目伸缩缝位置的防水质量。本项目通过对嵌固端的选择、两侧同标高工况下的砂槽设计、两侧不同标高工况下的砂槽设计等内容进行深入分析研究，结合实际施工情况，补充完善了水平错位砂槽设计、防排水设计以及砂槽施工部署等多项内容。嵌固端砂槽施工过程中做到安全施工，施工完成后嵌固端砂槽施工质量、地下室分部分项工程一次性验收合格。

万博中央商务区采用整体规划设计且同步建设，各地块地下室相互连通，整体大开挖，共处于一个大基坑内。本项目地下室原处于两边临土、两边临空的特殊约束情况，若不采取措施，则结构动力响应复杂，结构受力不合理。本项目通过在建筑物地下室分缝的两侧设计一个等大小的槽型混凝土构件，槽型构件组合后形成空腔，并填充中粗砂，形成一个可以传递水平力的砂槽节点，使地下室回归接近四边临土的常规约束状况，成功地解决了相邻复杂地下空间嵌固技术及结构设计的难题，加快了整体施工进度，取得了良好的效益。

目前，该工程已全部竣工交付使用，文中所述复杂地下空间片区超高层嵌固端设计与施工技术为建筑结构工程地下空间传递水平力的节点连接设计提供了新思路，可为城市复杂地下空间同类工程提供借鉴。