澳門歷史城區(qū)老舊建筑加固技術(shù)

張洪磊，劉 凱，田 浩，陳廣賢，謝向陽

(中國建筑工程(澳門)有限公司，澳門 999078)

0 引言

隨著澳門城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人口密度不斷攀升，居民賴以生存的城市空間已趨于飽和，尤其是歷史城區(qū)，不論從空間規(guī)劃還是從安全角度，均難以滿足新時代澳門城市發(fā)展需求，導(dǎo)致建筑物老化及因此產(chǎn)生的衍生問題日趨嚴(yán)重[1]。

根據(jù)澳門特別行政區(qū)地圖繪制暨地籍局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2019年6 月，澳門樓齡30年及以上的商住及工業(yè)樓宇已高達5 173 座。由于歷史及地理因素，這些“高齡”建筑大部分均集中于澳門半島西南部歷史城區(qū)[2]。歷史城區(qū)內(nèi)道路狹窄，建筑密度極高，樓宇互相緊鄰。因此，澳門特區(qū)政府提出都市更新的概念，旨在利用政策和措施對城市的老舊空間進行功能升級改造和城市更新，從而實現(xiàn)合理利用土地、發(fā)揮城市空間多元功能及推動城市和諧及可持續(xù)發(fā)展。然而，若要在歷史城區(qū)密集街區(qū)群中對單個建筑進行維修保養(yǎng)或拆除重建，將面臨許多挑戰(zhàn)。例如，①由于施工場地限制，可能無法使用大型機械設(shè)備，無固定場地堆放、加工材料；②由于建筑密集、年代久遠，且大多采用天然基礎(chǔ)，若不采取預(yù)防措施，極易引起相鄰建筑沉降、開裂、傾斜甚至倒塌；③由于城區(qū)附近有大量商鋪及居民，施工造成的噪聲、粉塵、光污染容易引發(fā)不滿，增加項目被投訴的風(fēng)險。總之，在歷史城區(qū)密集街區(qū)進行都市更新，面臨諸多挑戰(zhàn)，影響都市更新在澳門歷史城區(qū)的進展。

本文以澳門某項目為例，介紹一種在舊屋旁進行都市等新施工時對舊屋的綜合加固保護方案，該方案適用于無地下室且高度≤15m的單層或多層磚木或磚混結(jié)構(gòu)老舊建筑物，適用于地質(zhì)條件較差、地下水位較高、易產(chǎn)生不均勻沉降的沿海或填海地區(qū)，并且對歷史城區(qū)都市更新過程中，在密集老舊建筑群中間進行樁基礎(chǔ)及基坑開挖施工的情況有良好的效果。使用該綜合加固保護方案，能有效保證新建項目基礎(chǔ)施工期間舊屋穩(wěn)定與完整，并且能最大化地保留舊屋原有使用空間和功能，為澳門密集街區(qū)的都市更新提供有效借鑒。

1 工程概況

項目緊鄰澳門大三巴牌坊等眾多著名旅游景點，業(yè)態(tài)為商鋪與酒店復(fù)合體，地下1層，地上5層，加1層閣樓。整棟建筑總高度約為20m，占地600余m2。20世紀(jì)90年代以來，由于城市規(guī)劃等因素，街區(qū)逐漸呈衰落態(tài)勢，周圍建筑逐漸老化失修。

項目東北側(cè)緊貼2棟舊屋，年代久遠，破舊不堪，墻體開裂十分嚴(yán)重，存在一定的倒塌及索賠隱患。舊屋為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上建造磚柱及磚墻用以傳遞荷載，而每層則以木梁為水平承重構(gòu)件，樓板以木板或鐵板托底+混凝土構(gòu)造而成的磚木結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)埋深大約在地面以下1m左右，基礎(chǔ)所在土層為回填土，地下平均水位也位于地面以下1m左右，因回填土層密實度較差、疏松多孔、滲透系數(shù)大，同時地下水位較高，因此，舊屋條形基礎(chǔ)很容易受到周圍土層變化擾動而發(fā)生位移。因此，項目前期地下施工最大風(fēng)險為樁基礎(chǔ)施工及基坑開挖時對相鄰舊屋基礎(chǔ)附近的松散土體擾動引起水土流失，進一步導(dǎo)致相鄰舊屋基礎(chǔ)不均勻沉降，甚至導(dǎo)致舊屋倒塌，致使項目停工，同時引發(fā)巨大社會關(guān)注。

2 門式鋼架替換承重構(gòu)件加固法

綜合加固保護方案首先提出對舊屋主要受力構(gòu)件(梁、柱、板)進行加固，主要加固方案包括門式鋼架替換承重構(gòu)件加固法、加大截面加固法、外包鋼板加固法、包碳纖維加固法。其中加大截面加固法由于現(xiàn)場濕作業(yè)較多、施工周期較長，故排除此方法；外包鋼板加固法在本例舊屋磚混結(jié)構(gòu)中并不適用，因此，亦不是舊屋加固的最優(yōu)方法；碳纖維加固法施工簡單快捷、價格低廉，是常用的加固方法，試驗證明，梁底粘貼雙層碳纖維布，在一定試驗條件下，梁極限承載力可提高約22%[3]，然而，由于舊屋承重構(gòu)件尤其是木梁老化已十分嚴(yán)重，因此，在承重構(gòu)件上粘貼碳纖維布也不是最佳選擇。綜合考慮，該項目最終選擇門式鋼架替換承重構(gòu)件加固法。

門式鋼架替換承重構(gòu)件加固法的實質(zhì)是對原有建筑物承重構(gòu)件進行替換，多個門式框架組成了支撐起整個舊屋所在空間的鋼架，將原有建筑物自重及外部荷載全部轉(zhuǎn)移至鋼結(jié)構(gòu)門式框架。如圖1所示，以不同型號工字鋼分別組成底層框架柱和上層框架柱，鋼柱間設(shè)有工字鋼主梁和次梁以形成門式框架，框架間距應(yīng)考慮舊屋自重及各類活荷載后由計算得出。并且在門式鋼架底部增加現(xiàn)澆混凝土條形基礎(chǔ)(見圖2)，將鋼架柱腳聯(lián)系成穩(wěn)固整體，增加了條形基礎(chǔ)與天然地基接觸面，強化了門式鋼架整體穩(wěn)定性。每層框架柱之間通過承托鋼板進行連接。為增大門式框架梁與舊屋所用的圓木梁接觸面積，使樓面恒荷載均勻分布在門式框架各梁上，在主體縱向結(jié)構(gòu)次梁上設(shè)置支承槽鋼焊接在梁上。

圖1 門式鋼架體系示意

圖2 鋼架柱腳新增混凝土條形基礎(chǔ)

由于舊屋面向新建項目一側(cè)無支撐，而舊屋外墻體已嚴(yán)重風(fēng)化、松散、開裂及傾斜，因此，本方案于舊屋外墻內(nèi)、外部設(shè)置橫向?qū)垆?，并借助槽鋼托架焊接于門式框架鋼柱(見圖3)。

圖3 外墻對拉槽鋼結(jié)構(gòu)示意

此加固方案旨在從舊屋內(nèi)部進行加固改造，一方面強化門式鋼架整體穩(wěn)定性，另一方面為整個承重鋼架及其所受荷載提供堅實基礎(chǔ)。與此同時，由于門式框架占用空間較少，盡量保證了舊屋使用空間，因此，舊屋正常使用功能幾乎不受影響。

3 馬歇管灌漿地基改良措施

由于舊屋地基附近土體為回填土，其抗壓縮和抗剪切變形能力較差，當(dāng)基礎(chǔ)受到上部較大荷載時，基礎(chǔ)一側(cè)進行土方開挖作業(yè)，極易導(dǎo)致舊屋鋼結(jié)構(gòu)門式框架發(fā)生整體傾斜。因此，需對舊屋基礎(chǔ)附近土體進行強化。

綜合項目自身特點及周圍地質(zhì)勘探結(jié)果，前期考慮使用靜壓樁托換原理對建筑物進行頂升糾偏[4]或使用化學(xué)灌漿法對土體進行改良加強。采用靜壓樁托換原理對建筑物進行頂升糾偏成本較低，施工難度不高，對環(huán)境友好，但在頂升過程中，稍有不慎易引起墻體開裂或使本身已開裂的墻體倒塌，因此，該法只適用于體系完好、整體性較強的建筑。旋噴法注漿技術(shù)(如高壓旋噴樁)是一種較成熟的土壤強化技術(shù)，對軟弱地基處理具有十分顯著的效果[5]，且適用性較強，可與其他土壤改良方法組合使用，亦可取得良好效果[6]，但高壓旋噴樁成樁半徑一般>0.5m。因此，使用高壓旋噴樁對土體進行加固將使新建項目地庫面積減小。

馬歇管灌漿技術(shù)通過加壓劈裂注漿將原本松散多孔的地下土體填密、膠結(jié)、硬化，從而提高土層密度、硬度及降低滲透系數(shù)，增強土體抵抗沉降變形及水土流失的能力。馬歇管灌漿技術(shù)施工過程對周圍土體的擾動較小，同時其成孔直徑可達100mm左右，對新建項目地庫面積幾乎無影響(見圖4)。因此，從新建項目使用面積角度考慮，使用馬歇管灌漿技術(shù)更為合適。

圖4 馬歇管灌漿剖面

4 門式鋼架體系外部斜撐加固措施

除采用馬歇管灌漿技術(shù)對舊屋地基土體進行強化改良以降低土體側(cè)移或水土流失帶來的影響外，還可采用直接在舊屋外部加支撐的方法對舊屋整體變形或位移進行限制，方案有縱橫式支撐加固法或斜立式支撐加固法。

1)縱橫式支撐加固法通過門式鋼架及鋼梁、鋼柱，將由于舊屋不均勻沉降所產(chǎn)生的荷載傳遞至工程樁(見圖5)。工程樁選擇上部無柱梁位置的管樁，樁頭伸至地面，支撐完成再拆除至地下室底板面，封閉樓板。實際工程案例證明，該方案能有效減小土體變形和鄰近建筑物沉降[7]，但該方案焊接鋼梁時所需垂直運輸工具因場地限制無法提供，且單排樁方式在不利工況下有不足以抵抗水平推力的風(fēng)險。因此，最終改進為雙排樁加斜支撐的方式(見圖6)。

圖5 縱橫式支撐加固法示意

圖6 門式鋼架體系外部斜支撐加固示意

斜立式支撐加固法是在基坑開挖前，建造外部預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)斜支撐對舊屋門式鋼架體系進行斜向支撐加固。因舊屋原有支撐體系已全部采用門式鋼架替代，且首層門式鋼架主梁在施工時已于外墻表面預(yù)留如圖7所示的鋼板為安裝斜支撐提供連接基面。因此，在新建項目一側(cè)對舊屋門式鋼架體系進行預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)斜支撐加固，能起到對舊屋整體施加外部推力的作用，以有效抵抗舊屋向基坑一側(cè)沉降和傾斜。按該方案實施后，在開挖及地庫施工階段，僅發(fā)生輕微均勻沉降，未發(fā)現(xiàn)裂縫，達到預(yù)期目標(biāo)。

圖7 主梁穿出外墻預(yù)留鋼板示意

5 加固系統(tǒng)監(jiān)測方案

對舊屋進行全方位加固后，為驗證加固方案有效性，建立了加固系統(tǒng)形變及位移相復(fù)核監(jiān)測方案。在每步加固系統(tǒng)施工前，提前分析可能會出現(xiàn)形變及位移的危險區(qū)域，設(shè)置多種類型監(jiān)測點并嚴(yán)密觀測，以便隨時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險并制定相應(yīng)措施。方案設(shè)置的監(jiān)測點主要分為6種，種類及監(jiān)測方案如表1所示。

表1 監(jiān)測點種類及監(jiān)測方案

該監(jiān)測系統(tǒng)能通過不同監(jiān)測點間數(shù)據(jù)對比復(fù)核來剔除無效數(shù)據(jù)，反映舊屋更真實精準(zhǔn)的變化情況。例如，建筑物沉降監(jiān)測點(E)和傾斜監(jiān)測點(H)設(shè)置在舊屋外墻距地面1m左右高處，主要反映舊屋在靠近新建項目一側(cè)的沉降和傾斜情況；建筑物外墻位移監(jiān)測點(TSB)設(shè)置在舊屋靠近新建項目一側(cè)的外墻頂部和中部，一方面可通過測量監(jiān)測點位的高程變化而獲得舊屋沉降情況，用來與沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行對比復(fù)核，另一方面通過測量上、下2個監(jiān)測點水平坐標(biāo)差(如TSB1，TSB1a)來反映舊屋傾斜情況，用來與傾斜監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行對比復(fù)核。因此，該監(jiān)測方案能提供更準(zhǔn)確的監(jiān)測信息，有效減少測量誤差和隨機誤差。

6 結(jié)語

以實際項目為例，提出了3個加固施工技術(shù)方案+1個加固系統(tǒng)形變及位移監(jiān)測方案的舊屋綜合加固保護方案，該方案首先對舊屋建筑進行承重系統(tǒng)替換，保證其建筑主體整體性和剛度，然后通過改良地基土體、增加開挖側(cè)支撐的方式，增強了舊屋基礎(chǔ)穩(wěn)定性，避免舊屋在新建項目基坑施工過程中出現(xiàn)傾斜。經(jīng)過形變及位移相復(fù)核監(jiān)測方案的科學(xué)觀測，驗證了該綜合加固保護方案有效性。采用該方案，能很好地保護建筑原有組成構(gòu)件，保持其整體性。最大限度地保留建筑原有使用空間，將加固方案對建筑使用的影響降至最低。同時避免了建筑整體發(fā)生位移及不均勻沉降。