历史建筑加固改造及地下增层施工技术

 专业知识     |      2019-08-29 11:23
在城市的商业繁华地区,富有建筑特色的建筑物是建筑中的宝贵遗产。为满足现代商业对其使用面积和使用功能的需要,必须在保持原建筑风格的基本原则上,对既有建筑物的使用功能和结构形式进行改造。另外大量的既有建筑由于历史原因未设计地下停车场等,随着工业时代的不断发展汽车数量在不断地增加,停车难等问题越来越明显。因此,对既有建筑物地下空间的开发是一项艰巨而迫切的任务。
 
既有建筑物地下空间开发的核心技术是桩基础托换和土方开挖。在既有建筑物下方新建地下室时,需要运用原桩基础或增设新的桩基础支撑上部建筑物,才可进行建筑物下方土方的开挖。在进行土方开挖的过程中,由于桩周围土方的减少,桩基础暴露,桩的稳定性会明显降低。哈尔滨市中央大街“丝绒城”商场,在室内地下增层改造过程中,新增设的地下室外墙基础内侧打入钢管围护桩,逆作法施工,待新增框架体系建成,拆除旧建筑物的原分隔墙,只留外墙,并在新框架与原建筑外墙预埋连接件,以满足新旧结构所产生的不均匀沉降的要求。上海徐家汇地铁站换乘区,每根柱下3根桩长为37 m、直径为478 mm 的静压钢管桩托换,采用盖挖法施工完成地下加层工程。在这种既有建筑地下增层工程中,由于托换荷载大,如何保证托换桩的稳定性成为关键的技术问题。本文针对济南老商埠一期项目内一历史建筑的托换及增层的施工工艺及施工措施进行详细的阐述,为同类工程的设计和施工提供借鉴和参考。
 
1 工程概况
 
济南原皮肤病医院位于济南市老商埠区一期项目地块内,历时百年,为仿德式历史风貌建筑。该建筑物为单层的砌体结构,建筑面积约为165m2。融汇地产开发有限公司在对该地块开发的同时,拟对该建筑进行原址保护,并在其下方增设三层地下停车场。
 
在地下加层设计之前,先进行了既有建筑物检测、鉴定和水文、地质勘查。外围承重墙用条石砌筑,砂浆强度接近于0;内墙用用土坯砌筑;门窗洞口四周用砖砌筑。木屋架南北向布置,无明显腐烂和虫蛀现象,但变形严重。屋面瓦也有多处破损。经现场勘查,地下水的静止水位埋深为3。80~5。00 m;场地地层主要由第四系全新冲洪积成因的黄土状粉质粘土、碎石、粉质粘土、粘土组成,地表为人工填土,下伏中生代燕山晚期白垩系闪长岩。下车库底板设计在全风化闪长岩上,标高为-15。7 m。
 
2 加固改造方案
 
依据现场检测结果,内墙用土坯砌筑,可全部拆除;屋架支撑于外墙,内墙拆除不影响屋面结构外;墙由条石砌筑。为提高其建筑物抗震性能,在石砌外墙内侧浇筑10cm厚的混凝土板墙进行加固。条石缝内用干硬性水泥砂浆锚入钢筋,钢筋另一端尾部设弯钩浇入板墙内。为保证施工期间所托换建筑的整体性,在墙体外侧檐口和室外地坪位置用20#槽钢设置两道水平支撑,如图1(a)所示,另在墙外每隔1。5m设置一道竖向槽钢与上下两道水平支撑连成整体,如图1(b)所示。
图1(a) 水平向槽钢
图1(b) 墙外侧竖向槽钢
 
3 托换工艺及施工流程
 
针对本工程的特点,选用泥浆护壁钻孔微型钢管桩作为既有建筑物的托换结构。微型钢管桩的施工对原结构及其基础土层的扰动小,可以最大限度地靠近被托换的墙体进行施工,钻孔中心距墙体约为0.5米。其托换工艺如下:(1)用泥浆护壁成孔,成孔深度至持力层;(2)清孔后,在孔的下部灌注混凝土,直到增层地下室底板标高位置;(3)施工托换梁在两侧夹住既有建筑墙体,施工穿过墙体和托换梁的托换承台支撑住托换梁;(4)在拟建地下室高度范围插入钢管,钢管下端锚入拟建地下室底板之下的持力层至少为1m,上端支撑连接托换梁的托换承台,如图3所示;(5)在插入钢管的钻孔中灌注低强度等级的混凝土,对钢管产生约束,保证钢管的稳定性;(6)开挖既有建筑下方的土方,同时清除钢管周围低强度等级的混凝土。基础下方的土方被挖除后,既有建筑的荷载便转移至钢管上,原基础便可被截除;(7)为保证钢管的稳定性,每开挖一定深度的土方,即在钢管间设置一道水平拉结杆件,拉结杆件节点如图4所示。钢管与水平杆件的连接方法可以是螺栓连接,也可以是焊接,本工程中采用焊接。为了保护钢管与水平拉结杆件的接头处不被泥浆或填埋的沙石或混凝土所污染,在钢管插入钻孔之前,将接头处用塑料布或油毡等包裹;(8)开挖至地下室底板标高处后,进行混凝土垫层、防水层及地下室筏板的施工;(9)施工地下室柱、梁、板等结构构件;(10)在浇筑完地下室顶板后,再支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土将既有建筑物与地下室顶板相连。
 
4 托换梁的设计与施工
 
托换梁两侧夹住被托换墙体,托换承台穿过墙体和托换梁,钢管桩支撑在托换承台的两端。托换承台施工时需要在被托换墙体上掏洞、穿钢筋以及浇筑混凝土。托换梁是按照以托换承台为支点的连续梁进行设计的,托换承台是按照以钢管桩为支点的简支梁进行设计的。托换梁和托换承台现场施工图如图2( a)、( b) 所示,钢筋绑扎图如图2( a)所示,托换梁和托换承台浇注成型如图2( b)所示。
 
本工程中的托换梁属于一种夹墙梁,如图7所示,即在原条形基础上用两等截面矩形梁夹紧墙体两侧,梁长随墙体变化。浇筑夹墙梁混凝土前,将原承重墙表面的粉刷层凿除,并将砌体表面凿毛处理,以增加夹墙梁混凝土与原承重墙之间的连接,使两者间形成结合面。夹墙梁的存在,使得新加固建筑物基础力的传递呈现出新的特点:夹墙梁与原砌体墙主要靠结合面传递剪力实现荷载的转换,再通过托换承台传递至钢管桩上,结合面的受剪承载力由新增混凝土与原砖墙咬合和粘结、穿墙钢筋实现。
图2(a) 钢管与拉结杆件连接节点图
图2(b) 浇筑成型的托换梁和托换承台
 
5 托换钢管桩的设计与施工
 
采用的泥浆护壁成孔钻机成孔直径为250mm。考虑到钻孔深度达20m左右,为防止钻孔不直而造成下管困难,选用直径为146mm,壁厚为12mm的无缝钢管。为保证钢管桩的顺利插入孔内,用起重机将钢管扶直,缓缓插入,防止钢管与孔壁碰撞造成塌孔。如遇插入困难时,缓缓转动钢管。成孔的垂直度不仅影响钢管的插入,而且影响到钢管的受压稳定性,施工前提出了垂直度为0。1% 的控制限值。为此,钻孔前埋设了护筒,调整了机架的垂直度,并严格控制钻进速度。为减少桩端沉降并保证有足够的嵌固深度,钢管穿过全风化闪长岩并进入中风化岩层1m多。为保证桩周土对钢管的约束和嵌固作用,在钢管和孔壁之间进行高压注浆。
 
钢管桩上部承担既有建筑物的重量,侧面还需要承担土方开挖形成高差而产生的水平向的土压力。由于大量支撑钢管的存在,原位保护建筑的下方只可能采用人工挖土,与周边的机械挖土很可能产生土层高差,成为引起钢管桩失稳的主要因素。考虑基坑开挖和人工开挖的施工进度等因素,可将钢管桩两侧土方高差控制在1.5 m 以内。
 
为保证钢管的稳定性,每向下开挖2。5 m,在钢管间设置一道拉结支撑杆件,以减少计算长度。整个开挖深度范围内共设置6道拉结支撑杆件,如图3所示。该杆件设置在连接托换承台两端的两根钢管间以及沿墙体纵向的相邻钢管之间,如图4所示。
图3 六道钢管间拉结支撑杆件完成图
图4 拉结杆件设置位置图
该处地下水位较高,三层地下停车场的底板和外墙设计了防水层,但是支撑该历史建筑的钢管是穿过底板进入闪长岩。而浇筑该部分底板时,支撑钢管还不能拆除,因此该处设计了严格的止水措施:钢管外侧在底板厚度范围内焊接圆环止水钢板两道。支撑钢管拆除时,在底板顶面将钢管截断,将残留在底板内的钢管内壁上围焊两层圆钢板,上部用细石混凝土封口。
 
为了确保托换结构的安全,利用光纤光栅应变测试技术对4 根钢管的应力进行全程监测。最大的钢管应力发生在土方开挖至地下室设计标高阶段。对托换梁的变形情况进行实时监测,变形在规范允许值范围内。
 
6 新建地下车库施工
 
新建地下车库部分为钢筋混凝土框架结构。由于钢管桩等托换支撑结构需要在新建地下车库竣工后才能拆除,并将既有建筑荷载传递至车库顶梁上,为保证托换构件不影响梁、板、柱等构件混凝土的浇注,柱网的轴线位置与托换桩在平面上错开;主、次梁与水平支撑和斜撑等在竖向位置上错开。而楼板混凝土与钢管桩在平面位置上是无法错开的,施工中采用了拆除托换构件后再补浇构件混凝土的方案。地下车库顶梁和顶板施工完毕后,既有建筑托换梁底部与地下车库顶板仍存在空隙。用自密实混凝土将该空隙填实,实现新旧结构的连接。
 
7 结论与展望
 
(1) 利用微型钢管桩托换支撑既有建筑,然后进行既有建筑下方土方的开挖以及地下室的施工是一种既有建筑地下增层的有效方法。钢管桩能靠近被托换墙体,对原结构影响小,而且可以回收利用降低成本。
 
(2) 随着钢管四周土方的开挖,钢管稳定性降低。为保证钢管的稳定性,每向下开挖一定深度需在钢管间设置拉结支撑杆件;同时,需要控制钢管两侧挖土的高差在1.5 m 以内,减少钢管承担的土压力。钢管桩插入钻孔后,需要在孔壁与钢管间高压注浆,形成对钢管的约束和嵌固。

(3)随着年代的变迁以及人们对文物保护意识的逐渐增强,名人故居、名楼古塔等建筑物也逐渐被纳入需要整固的范围;加之城市建设加快,建设项目剧增,建筑物越来越高,基础越来越深,场地条件千差万别,有时也会给建筑基础及上部结构留下隐患或损坏,对于特别适合既有建筑物基础托换或地下增层工程的微型钢管桩工法,无疑将有更加广阔的发展和应用空间。