地基擾動條件下的歷史保護建筑改擴建施工技術

曾維強

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

1 項目概況

相輝堂原名登輝堂，始建于1922年，在2006年被評選為上海市第四批優(yōu)秀歷史建筑。相輝堂改擴建工程項目分為兩部分：其一是對現有的相輝堂南堂進行加固修繕，其二是緊鄰相輝堂南堂北側擴建一個新北堂。項目平面如圖1所示。

圖1 相輝堂改擴建工程項目平面

相輝堂南堂主體為混凝土框排架結構，屋面采用三角形木屋架且為不上人的四坡青瓦屋面，基礎采用柱下獨立基礎，埋深約為0.9 m。南堂修繕后為地上2層，1層主要布置多功能室、貴賓接待室、公共衛(wèi)生間以及設備用房，2層主要布置禮堂和舞臺。2層建筑面積約為1 777 m2。建筑檐口高度為9.80 m，屋脊高度為14.98 m。緊鄰南堂北側擴建的新北堂為現澆鋼筋混凝土框架結構，地上1層建筑面積為1 200 m2，2層建筑面積為2 070 m2。新北堂基坑的面積約為2 886 m2，周長約為256 m，總挖土方量約為18 500 m3，普遍開挖深度約為5.6 m，局部開挖最深處為8.0 m。

2 施工難點

根據相輝堂南堂的損傷調查，南堂存在屋頂漏水、南立面屋檐木構件腐爛、窗角墻面產生裂縫、底部墻體潮濕、個別混凝土構件銹脹開裂等問題，主體結構正常使用情況下的安全性不足且綜合抗震能力不滿足抗震鑒定要求。

不僅如此，本工程項目周邊環(huán)境復雜，擴建的北堂基坑距離東側的優(yōu)秀歷史建筑子彬樓約為31 m，距離南堂的最小距離僅為4.5 m，北堂三軸攪拌樁施工時的外邊線幾乎貼著南堂北立面的室外樓梯。因此，北堂施工過程中引起的地基擾動[1]、施工材料堆放和施工機械操作產生的荷載等，均會對南堂的地基基礎和建筑主體產生較大影響。

3 關鍵施工技術的應用

針對施工難點，為確保工程能夠安全、順利完成，采用了自動化監(jiān)測技術[2]、靜壓錨桿鋼管樁地基基礎加固技術[3]、形式多樣的結構加固技術、緊鄰歷史保護建筑的基坑施工技術[4-5]和壓力注漿基礎加固技術等關鍵技術，以此提高相輝堂南堂自身的安全性和降低北堂施工對南堂造成的影響。其中，靜壓錨桿鋼管樁地基基礎加固技術和壓力注漿基礎加固技術的區(qū)別在于，前者是施工前的主動加固，而后者是施工過程中的應急加固。

3.1 自動化監(jiān)測技術

從南堂改建前到北堂施工完畢，對南堂采取成套高精度、高靈敏無線信息自動化監(jiān)控技術。相較于現有的監(jiān)測手段，自動化監(jiān)測系統實時性好、采樣頻率高、數據傳輸穩(wěn)定，有效減少了監(jiān)測工作量，通過信息化手段，實時、持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地獲取建筑的各項參數信息。監(jiān)測系統前端由多個傾角儀、位移計、靜力水準儀和采集模塊組成，采集的數據以有線的方式傳遞到DTU（數據傳輸設備），然后通過DTU超遠距離傳輸功能將數據傳輸到服務器，在服務器端進行數據的解析、入庫等操作，最后顯示界面程序會調取數據庫中的數據并將其關聯至Revit模型，待輕量化處理后再發(fā)布至Web頁面。

監(jiān)測方法及對象如下：

1）在靠近北堂基坑一側的外墻上部及屋架圈梁側面布置6套精密傾角儀，對墻體和屋架結構的傾斜變形進行 監(jiān)測。

2）在南北兩側外墻的內側上部與橫梁之間布置6套位移計，對墻體和屋架橫梁間的相對位移進行監(jiān)測。

3）在建筑四周角落和靠近北堂基坑一側的外墻處布置7套靜力水準儀（各套靜力水準儀之間用水管進行連接），對基礎不均勻沉降進行監(jiān)測。

通過線上和線下的信息化集合監(jiān)控，確保了南堂始終處于安全穩(wěn)定的監(jiān)測之下，現場管理人員可以根據監(jiān)控結果對南堂的監(jiān)測數據進行整理和匯總分析，形成數據存檔的動、靜態(tài)管控。形成了涵蓋傾角、位移、沉降等數據的成套高精度、高靈敏傳感監(jiān)測體系，對結構變形進行持續(xù)實時觀測，實現了對相輝堂歷史保護建筑沉降、平面變形和木屋架變形狀態(tài)的實時監(jiān)測反饋。

監(jiān)測數據表明，北堂承臺大底板的施工對南堂的主體結構影響較大，其中位移變形最大的位置為靠近北堂一側的室外樓梯監(jiān)測點，位移變形達到3.5 mm；不均勻沉降最大的位置為南堂西南角監(jiān)測點，沉降值達到6 mm；屋架傾斜變形最大的位置為西北方向某位置，最大傾斜率達到－0.07%。

3.2 靜壓錨桿鋼管樁地基基礎加固技術

考慮到南堂主體結構在正常使用情況下安全性不足，主動對南堂地基基礎采取靜壓錨桿鋼管樁加固技術。該技術是歷史保護建筑地基基礎主動加固穩(wěn)定技術中應用很廣泛的一種措施。

按照《上海市歷史文化風貌區(qū)和優(yōu)秀歷史建筑保護條例》中三類保護“建筑的結構體系不得改變”的要求，采用47根靜壓錨桿鋼管樁在南堂四周墻下布置。樁孔直徑為350 mm，鋼管樁的樁長為15 m（共6節(jié)，每節(jié)2.5 m），樁徑為273 mm，壁厚為10 mm，材質為Q235B，單樁設計承載力為120 kN。鋼管樁最上面一節(jié)焊接6根直徑為18 mm的抗拔錨固筋，錨固長度為35倍鋼筋直徑，焊縫長度為200 mm。采用6根M30抗拔錨桿，錨桿埋設深度為400 mm。

靜壓錨桿鋼管樁地基基礎加固技術的工藝流程如下：樁孔定位→核對、清理樁孔→錨桿加工制作及埋設→安裝壓樁反力架→第1節(jié)就位、校正→壓樁→深度及壓力值記 錄→下一節(jié)就位、校正→焊接→壓樁（圖2）→壓樁到設計深度→驗收→拆除壓樁反力架→切割樁頭→清孔（配制微膨脹早強混凝土）→封樁（圖3）。

圖2 壓樁施工

圖3 焊接抗拔錨筋封樁

3.3 形式多樣的結構加固技術

為提高南堂主體結構的安全性，除對南堂地基基礎采用靜壓錨桿鋼管樁加固技術外，本工程項目施工前還對南堂的結構梁、柱采取了一系列形式多樣的加固保護措施。

經專業(yè)監(jiān)測，南堂結構梁、柱存在如下安全問題：

1）局部木屋架下弦梁靠近北側1/4處有較明顯的斜向裂縫和斷裂痕跡，局部木屋架下弦梁有輕微裂縫。

2）屋面圈梁、框架梁和次梁的截面較小。

3）1層和2層的大部分柱子因截面小、配筋少而導致承載力不足。

針對上述問題，本工程采取了如下技術措施：

1）對已經產生明顯裂縫和斷裂痕跡的木屋架下弦梁外包L形鋼板和U形鋼卡箍；對有輕微裂縫的木屋架下弦梁外包U形鋼卡箍；對其他所有未產生裂縫的木屋架下弦梁綁扎碳纖維布以增加約束力，確保木屋架下弦梁能夠承受安裝施工過程中少量管道設備和吊頂的均布面荷載。

2）對屋面圈梁采用增加截面加固法，在梁的左側增大100 mm寬度；對框架梁和次梁進行外粘鋼加固。

3）對截面較小的柱子灌注混凝土漿料，從而增大截面面積和提高承載力。

3.4 緊鄰歷史保護建筑的基坑施工技術

根據建筑現狀和施工分析，擴建的新北堂基坑采用鉆孔灌注樁加三軸攪拌樁（緊鄰南堂一側除外）作為基坑圍護結構，采用水泥攪拌樁進行加固，支撐體系為1道混凝土支撐加底板斜換撐，基礎采用樁承臺加混凝土底板。鉆孔灌注樁分為兩類，分別為φ700 mm@900 mm（樁長為12 m）和φ800 mm@1 000 mm（樁長為14 m），三軸攪拌樁為φ850 mm（樁長為20 m）。

緊鄰南堂一側的基坑圍護采用SMW工法樁密插，密插型鋼的型號為H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，長度為15 m，共79根，形成一道剛度較大的排樁，有效阻隔了基坑內挖土和降水對南堂的影響。不僅如此，基坑施工時還對靠近南堂一側的承臺空隙澆筑水泥漿，深度與攪拌樁相同。本工程項目按照最嚴格的變形控制要求來控制新北堂基坑的變形，且采用2個程序來計算南堂的變形位移情況，確保其變形在允許值范圍以內。

3.5 壓力注漿基礎加固技術

在新北堂施工全過程中，利用自動化監(jiān)測技術時刻關注南堂的沉降情況，一旦發(fā)現南堂建筑沉降接近預警值，就立即采用壓力注漿基礎加固技術進行加固。首先對南堂基礎進行注漿加固，然后對南堂基礎與北堂基坑坑壁之間的土體進行注漿加固。北堂基坑降水處理過程中若發(fā)生防水帷幕滲漏，同樣可采用壓力注漿的方式進行堵漏。如有必要，可根據監(jiān)測結果及時調整基坑開挖順序，對坑底回填土方或砂包，采用坑底注漿的方式進行加固，待基坑變形穩(wěn)定后，再開挖土方。

4 結語

通過采用自動化監(jiān)測技術、靜壓錨桿鋼管樁地基基礎加固技術、形式多樣的結構加固技術、緊鄰歷史保護建筑的基坑施工技術和壓力注漿基礎加固技術，有效地提高了歷史保護建筑自身的安全性，降低歷史保護建筑自身加固施工與緊鄰擴建多功能劇場地下結構施工的雙重地基擾動影響，保證了歷史保護建筑的安全性。

本工程中相關施工技術的應用，能夠為今后類似的工程施工提供參考經驗。