超大超长地下室结构设计及施工需注意的问题探讨

何均权

（广州市建工设计院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

现代社会发展过程中，受经济、社会技术、土地资源等各方面因素的影响，常常需要在高层建筑设置较深较长地下室，以此提高土地资源的使用效率，但在这一过程中也出现了多种设计问题。如果设计方、施工方等各单位未能对其进行有效的处理，就有可能产生安全事故，甚至影响人们的生命安全。如今对于超长地下室的结构设计已经成为业界研究的一个重要方向，如何合理的对其结构进行设计、施工成了建设单位要重点考虑的一大难题。

1 建筑工程超长地下室设计需注意的问题

改革开放后，由于国家社会经济水平的日益提升以及城市规模的急剧增长，建筑业发展很快，出现了众多工业与民用建筑及超大超长地下室，超长结构系的结构单元长度超过了《混凝土结构设计规范》所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝、沉降缝最大间距的结构要求。其中代表性建筑主要有南京国际展览中心、广州国际会展中心、国际航空港首都新航站楼、深圳市福田地铁换乘站。这种大规模混凝土结构在长期使用过程中或多或少会产生裂缝，进而产生其他外观或使用问题。为确保结构的质量与安全，结构工程师必须具有较高的专业能力，要充分考虑建筑物的使用功能，通过计算满足结构承载能力要求，通过设置各种构造做法降低温度裂缝；施工方需要重视材料的配合比，降低施工时的温差，施工期间做好养护等措施；监理单位需要督促施工方，必要时旁站监督。多方并举，以此减少地下室出现的问题[1]。

1.1 不均匀沉降问题

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第五章表5.3.4条规定，工业与民用建筑的地下室需要控制相邻柱基的沉降差，同时也需要控制整栋建筑的整体倾斜。而位于地下室下面的不均匀土体，则是产生变形的直接原因。

结构设计开始之前，地勘就需要对工程选址的土质进行调查研究，通过钻探查明地下的情况，提供合格的数据给结构工程师作为依据。若提供的地勘钻探点过少，或者过浅，未能真实反映土质，使得设计员分析错误，则建筑物可能会产生过大的变形，危及结构安全。

拿到合格的地勘后，工程师就需要根据地勘，选择合理的基础型式，进而选择合适的持力层。而在超长地下室的设计过程中，地基土质可能变化较多，且地面高低起伏，故基础型式可能不同，持力层也可能不同。故仅仅依靠单一的做法通常很容易超出变形允许值。此时需要采用多种方法，如方案阶段要求建筑平面规则，柱距平均；基础设计时采取变刚度调平设计[1]，即核心筒下采用较大较长的桩，其他位置采用较小较短的桩，纯地下室采用独立基础或者其他沉降较大的基础；同时塔楼与地下室之间设置沉降后浇带或者加强带，每隔30~40m设置普通后浇带，等建筑完成大部分沉降后再浇筑后浇带。这样的设计方式便能够有效降低不均匀沉降的情况，同时也有效提升了地基的承载力。

1.2 混凝土裂缝问题

由于建筑功能的需要，尤其是新建住宅项目，地下室通常都连在一起，形成了超大超长地下室。钢筋混凝土是一种受压材料，受拉强度很弱，因而很容易产生裂缝。地下室普遍都位于地下水位以下，如果地下室出现了开裂的情况，其防水的功能也会受到较大程度的影响，最终导致产生各种各样的问题。而造成混凝土开裂的因素很多，如建筑方案不合理、材料不合格、混凝土强度过高、楼板太薄、覆土太重、结构不合理等，都会造成混凝土开裂。故为了减小混凝土裂缝，必须对各个环节进行有效的控制，如设计时，要求建筑方案简单对称，少凹凸角；结构计算时楼板按裂缝控制配钢筋，楼板钢筋采用双层双向配筋，钢筋间距不宜过大，以减少裂缝。材料强度也要严格控制，越高强度水化热越大，越容易开裂，故普通地下室梁板混凝土等级不超过C40。另外，适当加入膨胀剂可以起到很好的补偿作用。为了更好地保证混凝土的品质，膨胀剂的用量应该在8%~12%之间。而在构造方面，则需间隔30~40m或者在混凝土收缩应力较为集中的地方设置沉降后浇带。对钢筋之间的间距和直径进行相应的设置，但要注意的是其间距尽量控制在150mm以内。在必要的情况下，如果迎水面的护层厚度较大，可以在钢筋外侧增加钢筋网片，能够减少裂缝的出现。还应采用保湿和保温养护等多种方式控制中心和表面之间的温度差，多项措施并用，以减少混凝土裂缝的出现[2]，如图1所示。

图1 地下室混凝土裂缝

1.3 抗浮问题

对于高层建筑的修建，在设计地下室的过程中，无法避免的一个问题便是抗浮问题。要解决这一问题，就需要工程师对抗浮进行相应的计算。对于地下水位较高但地上层数较少的裙房或者无地上建筑物的地下室而言，水浮力往往超过了建筑物自重，此时就需要进行抗浮设计。工程师可以通过地勘资料，选择合理的基础型式，再考虑是增设抗浮锚杆、还是抗浮桩或者在顶板上覆土等方式并结合经济性来进行抗浮。抗浮水位一般由勘察设计院的工作人员根据历史水位提出，而对于地下水位的取值直接影响了计算结果的准确性[3]。进而影响建筑物的经济性，取值不当还可能产生事故。故结构工程师对地下水位有异议时，需要会同地勘人员一起讨论，必要时经过专家论证，最终取得合理的水位。近年来，时常有地下室水浮力过大而使柱开裂甚至断裂的事故发生就很好的说明了这个问题，如图2所示。

图2 某楼盘柱子因暴雨而开裂

1.4 变形缝问题

由于塔身高度与塔身尺寸的不同，使得某些结构复杂的高层建筑在施工时往往会出现许多薄弱环节，因此在设计的过程中，工程师需要按照实际情况考虑，才能保证结构规则，提高建筑结构的抗震性。在适当的位置设置变形缝，能够有效防止地下室由于温度变化而出现的裂缝情况。但是，设置变形缝往往使得建筑防水难处理，进而影响建筑使用。故地下室能不设缝则不设缝。不得不设置变形缝的情况下，在变形缝设置之前，还需要设计人员能够结合工程的实际情况及整体结构综合考虑，合理对其进行设置。

1.5 顶板问题

由于楼顶是高层建筑地由于塔身高度与塔身尺寸的不同，使得某些结构复杂的高层建筑在施工时往往会出现许多薄弱环节，因此在设计的过程中，工程师需要按照实际情况考虑，才能保证结构规则，提高建筑结构的抗震性。在适当的位置设置变形缝，能够有效防止地下室由于温度变化而出现的裂缝情况。但是，设置变形缝往往使得建筑防水难处理，进而影响建筑使用。故地下室能不设缝则不设缝。若地下室抗侧力构件刚度较大，可将顶板做为嵌固端，如此也可向周边土体传递水平振动效率[4]。在对变形缝进行设置前，还需要设计人员能够结合工程的实际情况以及高层建筑的整体结构合理对其进行设置。面结构的横向约束，因此，随着其刚度、强度的提高，对结构的约束能力也相应提高。而对于超长地下室，因其跨度大，在设计时必须按照相关的设计规范来进行。顶板的设计对于地下室而言非常重要，设计人员在设计时需要按照国家的相关标准和规范，既要达到相应的抗震要求，同时对于顶板的混凝土强度等级、板配筋率以及顶板的厚度都有相应的要求和规范，如图3所示。在设计的过程中，设计人员必须明确考虑这些问题，满足相应的需求[5]。

图3 顶板配筋

1.6 温度应力问题

超长地下室的结构设计时，如果地下室长度较大，或者施工时昼夜温差大，工程师就需要考虑温度的影响。多数情况下混凝土出现结构裂缝都是由于非荷载变形作用所引起。温度应力和收缩应力之间是出现裂缝的主要原因，但它们也存在着一定差别。后浇带的封闭时间对环境温度和混凝土的温度变化有很大的影响，因此在施工过程中应充分考虑到施工过程中的各种因素，从而决定封闭时间。同时通过合理的计算与分析，充分掌握温度作用对不同部位产生的影响，进而采取有效的措施减少温度作用所造成的不利影响，譬如设计时采用双层双向配筋，加大纵筋配筋率；施工过程中，温度较高时应先将材料降温，寒冷季节施工时应在混凝土表面铺设保温膜等，保证结构设计的安全性。

2 超长地下室结构施工需注意的问题

2.1 混凝土浇筑施工方式

在施工中要注意以下几个方面：既要保证浇筑间隔比初凝时间短，又要提高结构的整体性能，又要提高其结构性能。工程师根据实际情况，会选择后浇带或者跳仓法对地下室进行分块。施工时根据施工组织决定分仓和块体的先后次序，按5d的时间间隔进行浇注，控制其收缩应力，降低渗水和出现裂缝的情况。同时，通过在筏板上放置PVC管材和温度表，对其温度进行实时监控，从而可以实时了解水化热量的变化。

2.2 混凝土配合比精确

施工时，采用合格的水泥、砂石、骨料等；在进行混凝土搅拌时，要根据设计的混合比，通过多次实验获得合理的水泥砂石比，加强对摄入量的关注，不得随意增加或减少，并严格监控，保证配比的准确性。

2.3 振捣混凝土

为了保证混凝土结构的致密，防止产生裂缝，在振捣过程中应保证均匀、无欠振、无漏振，并对施工人员进行严格的监督。在进行振捣前，要加强技术和操作人员的技能培训，加强各个工序的监督，以确保振捣的质量。为了防止混凝土产生开裂、应力收缩等问题，应在距初次振捣1.5h后进行二次振捣。大体积混凝土需要分层浇捣，在混凝土凝固前浇捣第二层混凝土。

2.4 混凝土结构养护

养护混凝土是预防混凝土开裂的关键工序。第二次抹压完成后，应及时在底板上贴上薄膜，用毛毡做保温，并定期组织工人进行喷洒。炎热季节除了做好保湿养护外，材料使用前还要先进行降温，寒冷季节则需要做好保温工作。为了防止外部因素对混凝土的维护造成影响，模具拆卸时间不得少于3d，养护期不宜少于14d，在模具拆除后要及时涂上养护剂并粘贴薄膜，如图4所示。

图4 顶板养护

2.5 减水剂和缓凝剂合理应用

采用缓凝剂可以延长水化热峰值，使其更好地适应工程需要，不需要单独设置冷缝，在使用缓凝剂时要严格控制其用量，根据浇注量来确定掺入率。减水剂对提高混凝土的流动性、和易性、减少水泥用量、提升混凝土抗渗等级，优化泌水率强化抗裂效果。

2.6 科学选择掺合料与水泥

为了确保施工质量，必须正确选用水泥和外加剂，以达到良好的抗拉力和强度，防止出现开裂问题。一般选用具有较低收缩率的硅酸盐水泥，具有良好的抗裂性和膨胀性，适合在地下室工程中使用。可以选用与硅酸盐水泥类似的粉煤灰作外加剂，对改善混凝土的裂缝问题有很大的帮助。

3 结语

综上所述，对于高层建筑的建设而言，超长地下室结构的设计是一项非常复杂的工程，其中牵涉到较多的内容，存在着较多的问题。如果在结构设计的过程中，设计人员未能接受较为专业的培训，不具备过硬的专业知识，未能全方位考虑问题，就有可能导致工程在建设后存在较多的安全隐患，稍有不慎就有可能导致安全事故的发生。因此在对其结构进行设计的过程中，设计人员可以借鉴国内外一些较为成功的地下室结构设计案例，通过不断的总结分析，结合以往的设计经验，解决结构设计过程中出现的各类问题，确保设计的科学性，合理性，进而提高整体工程的质量，如此才能更好的保证工作人员及居住者的生命安全。