保護(hù)建筑頂升工程技術(shù)要求與投資分析

鄭皆斐，姚 蓁，毛章偉

（1.上海申康衛(wèi)生基建管理有限公司，上海 200080；2.上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市中大規(guī)模的規(guī)劃調(diào)整，以及舊城改造城市更新等工程建設(shè)活動的開展，不可避免遇到許多具有悠久歷史文化保護(hù)建筑的阻礙。如果一旦采取原建筑拆除的措施，則會造成巨大的資源浪費(fèi)，對環(huán)境保護(hù)及歷史文化將產(chǎn)生極大的破壞作用。如果能采取合理科學(xué)的工程措施，將歷史保護(hù)建筑完整的保留下來，則將能有效地解決社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，以及文化傳承之間的矛盾。

近年來，隨著施工建造技術(shù)以及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展[1]，一大批工程實(shí)踐已經(jīng)證明[2-4]，建筑整體移位技術(shù)可以在采取基礎(chǔ)托換、上部結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固的工程措施保證建筑整體性的基礎(chǔ)上，借助平移頂升設(shè)備，對原建筑物進(jìn)行整體平移、轉(zhuǎn)動或頂升，經(jīng)過移位并適當(dāng)修復(fù)改造后，不僅可以完整地保留原建筑物的結(jié)構(gòu)和功能，同時(shí)還可通過移位后的改造，如增加地下室、設(shè)置隔震層等，進(jìn)而達(dá)到提高建筑的抗震安全性能，提升建筑功能的目的。

因此，本文以上海某歷史保護(hù)建筑頂升改造項(xiàng)目為例，具體分析了改造過程中基坑支護(hù)與整體同步頂升移位施工技術(shù)，并對改造工程的投資進(jìn)行分析，以供類似項(xiàng)目參考借鑒。

1 工程概況

1.1 建筑概況

該建筑建成于1926 年，近百年歷史，于1989 年被列為上海市文物保護(hù)單位。整棟建筑平面呈工字形，由南側(cè)的主樓、北側(cè)的副樓和連接其間的中部連廊組成。建筑房屋總高六層，西北側(cè)局部區(qū)域有一層地下室（面積約200m2），總面積約1.07 萬m2；其東西向長度為80.56m，南北向?qū)挾葹?5.40m。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

上部結(jié)構(gòu)方面，該建筑為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；樓面、屋面均采用現(xiàn)澆板，樓板厚度為102mm 和114mm；柱截面多為矩形，少數(shù)為圓形和異形；主樓柱距一般在4~9m 左右，副樓為三跨結(jié)構(gòu)，柱位不規(guī)則。

基礎(chǔ)方面，大部分采用福建筒木樁加固的條形基礎(chǔ)，普遍區(qū)域基礎(chǔ)梁高1.42m，條形基礎(chǔ)寬度3.35m；局部為獨(dú)立放大腳基礎(chǔ)，埋深約為1.42m；大樓西北角局部有地下室，地下室底板埋深約4m。

1.3 水文地質(zhì)條件

改造項(xiàng)目位于上海市靜安區(qū)延安西路，屬濱海平原地貌類型。據(jù)原地質(zhì)勘察資料披露，工程影響范圍內(nèi)的土層分布如表1 所示。場地內(nèi)淺層填土厚度較大，室內(nèi)地坪下有一層鋼筋混凝土面層，對基坑開挖及樁基施工會帶來一定的影響；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)較差，對基坑的穩(wěn)定性與變形控制不利。

表1 土層分布

地下水方面，主要考慮淺層潛水和⑦承壓水。上海地區(qū)潛水水位埋深一般在0.3～1.5m 左右，基坑開挖前應(yīng)進(jìn)行預(yù)降水；由于基坑開挖深度較淺，承壓水對本工程基本無影響。

2 頂升改造總體方案關(guān)鍵技術(shù)要求

2.1 改造總體方案

由于地下有深厚軟土層，經(jīng)歷長期使用后該保護(hù)建筑出現(xiàn)了較大的不均勻沉降，造成建筑整體傾斜，最大傾斜率達(dá)到5.41‰，同時(shí)過大的沉降造成局部室內(nèi)地坪地域室外地坪，常導(dǎo)致排水困難問題；另外，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)以致結(jié)構(gòu)老化，其抗震性能亟待提高。因此，在考慮文物修繕的前提下，有關(guān)部門和業(yè)主方綜合以上及其他因素，最終提出了以下方案，整棟建筑整體托換后再整體頂升，頂高度升1.2m，頂升后地下新增隔震層，以解決諸多問題。

總體改造方案如下：首先需要在建筑周邊設(shè)置臨時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，后進(jìn)行坑內(nèi)降水；同時(shí)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固；然后，進(jìn)行第一次土方開挖，先開挖到上托盤底標(biāo)高，施工上托盤體系，預(yù)留壓樁孔；再施工錨桿靜壓鋼管樁，進(jìn)行基礎(chǔ)托換；接著，土方二次開挖到下托盤底標(biāo)高（上托盤下方的土方挖除及木樁割除），施工下托盤（底板）；設(shè)置千斤頂，并試頂與切斷鋼管樁；采用PLC 同步頂升系統(tǒng)，千斤頂交替頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高；設(shè)置新的豎向結(jié)構(gòu)和隔震支座；最后，撤走千斤頂，進(jìn)行地下室外墻及內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。

2.2 基坑支護(hù)技術(shù)要求

由于本工程需要新建地下室，作為頂升工況下的反力底座，以及后期改造成隔震層，因此需要進(jìn)行基坑支護(hù)及開挖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求與周邊環(huán)境情況，本基坑開挖深度4.3m，基坑安全等級三級，環(huán)境保護(hù)等級三級。本著“安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可行”的原則，采取了拉森Ⅳ鋼板樁（400×170）加一道臨時(shí)鋼支撐的支護(hù)方案。

支撐體系豎向設(shè)置一道水平型鋼支撐，型鋼支撐圍檁與主撐均采用H400×400×13×21 型鋼，鋼材型號Q235。大樓整體頂升前，在基礎(chǔ)梁兩側(cè)增加1000×800的夾墻梁，形成剛度較大的上托盤結(jié)構(gòu)體系，可作為型鋼支撐的支撐端，通過預(yù)埋鋼錨板與型鋼支撐連接。鋼支撐待下托盤結(jié)構(gòu)底板和反牛腿施工完成，方可拆除。

降水方面，本基坑采用輕型井點(diǎn)與真空深井降水相結(jié)合的方式，疏干坑內(nèi)地下水，使地下水位降至開挖面以下0.5~1.0m。根據(jù)上海市基坑工程經(jīng)驗(yàn)，一般根據(jù)基坑面積按單井有效抽水面積（井的經(jīng)驗(yàn)值一般為200m2～250m2）來確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合基坑的形狀，本工程單井有效抽水面積取200m2，采用多級濾水管加真空的措施，以確保每口井的出水量。

2.3 基礎(chǔ)托換技術(shù)要求

基礎(chǔ)托換結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)荷載和頂升千斤頂之間荷載轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵，主要包括上托盤梁、錨桿靜壓樁、下托盤的施工。

上托盤梁結(jié)構(gòu)包括：夾墻梁、聯(lián)系梁（穿墻鋼筋抬梁）組成。夾墻梁沿現(xiàn)有基礎(chǔ)墻體兩側(cè)通過的型鋼聯(lián)系梁、穿墻鋼筋和抬梁與原基礎(chǔ)聯(lián)系起來形成整體。托盤梁施工順序按照土方開挖進(jìn)度進(jìn)行分區(qū)澆筑，托盤梁施工工序：測量放樣→基礎(chǔ)墻體鑿毛→聯(lián)系梁→鋼筋綁扎、支模、混凝土澆筑→預(yù)應(yīng)力張拉。

錨桿靜壓樁采用φ406×10 和φ273×10 的鋼管樁，樁長分別為36m 和29m，每節(jié)樁段長約2m。上托盤混凝土達(dá)到強(qiáng)度后按以下流程進(jìn)行：安裝壓樁架→吊樁入孔→檢查樁的垂直度→壓樁→半自動焊接樁→重復(fù)壓樁焊接工序→當(dāng)壓樁力或樁長達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，可以停止壓樁（以壓樁力作為停壓標(biāo)準(zhǔn)為主）→焊接錨固筋→送樁或內(nèi)切割→壓樁施工記錄→管內(nèi)抽水→鋼管內(nèi)灌注C30 混凝土→預(yù)加反力封樁→樁帽施工。

下托盤作為頂升階段的反力基礎(chǔ)，同時(shí)是正常使用階段結(jié)構(gòu)底板。作為永久結(jié)構(gòu)，下托盤梁采用800mm厚的筏板式結(jié)構(gòu)。根據(jù)最后一層土方開挖區(qū)域，先后順序進(jìn)行下托盤施工，先澆筑區(qū)域應(yīng)設(shè)置施工縫且表面應(yīng)進(jìn)行鑿毛處理。下托盤結(jié)構(gòu)澆筑前，應(yīng)按圖紙要求進(jìn)行預(yù)埋件安裝（隔震層下支墩預(yù)埋件、圍墻預(yù)留插筋、鋼支撐螺栓預(yù)埋）。

2.4 上部結(jié)構(gòu)加固技術(shù)要求

頂升過程之前，為防止房屋發(fā)生水平向位移，控制整體建筑的變形，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)加固和設(shè)置限位裝置。

上部結(jié)構(gòu)豎向加固采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)方鋼管螺栓連接，形成高18m 鋼立柱桁架。軸向?qū)?yīng)鋼柱通過水平鋼索拉結(jié)，每層設(shè)置一道，鋼索對拉采用螺母連接，與鋼柱側(cè)邊的加勁板螺栓連接。型鋼與房屋墻面接觸部位使用橡膠+方木支撐進(jìn)行隔離。鋼柱底部與上托盤梁預(yù)埋件通過錨栓連接，對稱拉結(jié)鋼柱同時(shí)搭設(shè)。

鋼結(jié)構(gòu)限位裝置采用方鋼管組成的兩榀桁架。限位裝置方鋼管連接位置應(yīng)滿焊焊接，焊縫高度不小于10mm。限位裝置在下托盤（底板）結(jié)構(gòu)形成后施工，施工中應(yīng)加強(qiáng)對建筑重點(diǎn)保護(hù)部位的保護(hù)。頂升過程中限位裝置水平變形不超過5mm。

2.5 頂升施工技術(shù)要求

大樓總重約25000t，后續(xù)增加結(jié)構(gòu)托盤梁1900t、鋼結(jié)構(gòu)加固340t，累計(jì)頂升重量約27240t。采用AB 兩組交替頂升技術(shù)進(jìn)行整體頂升1.2m。A 組頂升一個行程（100mm）后，將B 組支撐支墊密實(shí)后，交替頂升泵站控制切換至B 組千斤頂，對B 組千斤頂進(jìn)行沖壓，逐步主動托換上部荷載。在主動托換過程中，B 組千斤頂?shù)纳扉L量會補(bǔ)償各支撐的壓縮變形，同時(shí)由位移傳感器控制，能精確保證上部梁體的同步性。B 組頂升下一個行程，重復(fù)上述步驟直至到達(dá)頂升設(shè)計(jì)高度。

頂升過程中采用壓力+位移雙控的方法進(jìn)行控制，當(dāng)千斤頂因?yàn)椴贾瞄g距較近互相干擾到位移傳感器工作時(shí)，將一組切換至以壓力控制。若在頂升施工中標(biāo)高出現(xiàn)差異變化≥±2mm，應(yīng)停止同步頂升。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行本次糾偏頂升，繼續(xù)監(jiān)測，直至標(biāo)高變化再次同步后停止糾偏，并繼續(xù)同步頂升。當(dāng)頂升高度超過80cm 時(shí)，頻率調(diào)整至10cm/次進(jìn)行監(jiān)測。

2.6 監(jiān)測量控技術(shù)要求

建筑頂升過程本身是個動態(tài)過程，隨著上部結(jié)構(gòu)的頂升，頂升點(diǎn)位處頂升力的細(xì)微差異將會造成上托盤結(jié)構(gòu)，以及上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，甚至裂縫出現(xiàn)。因此，通過監(jiān)測量控結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、水平及垂直位移、傾斜等參數(shù)，可以獲得結(jié)構(gòu)變形趨勢，并結(jié)合巡視等情況進(jìn)行工程安全性分析，將其成果及時(shí)提供給工程相關(guān)單位，做到信息化施工，保證工程結(jié)構(gòu)本身及周邊環(huán)境的安全，從而有效地將施工控制在安全范圍之內(nèi)。頂升過程中主要監(jiān)測內(nèi)容包括：頂升建筑的沉降和水平位移、建筑傾斜、頂升加速度、上托盤梁體系應(yīng)力、鋼管樁軸力等。

3 改造投資分析

顯然，一個科學(xué)合理的建筑改造方案，不僅要考慮技術(shù)上的可行性，還要考慮方案的經(jīng)濟(jì)性和工期，往往項(xiàng)目的投資決定著方案的可實(shí)施性。因此，本文對該建筑改造頂升工程進(jìn)行全面的投資分析，研究其經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢。

本項(xiàng)目改造工程涉及的主要工程量包括基坑支護(hù)、土方開挖、上托盤體系、錨桿靜壓樁、下托盤體系、上部結(jié)構(gòu)臨時(shí)加固、頂升設(shè)備使用、監(jiān)測及其人工等，相應(yīng)的投資估算應(yīng)包含以上分項(xiàng)工程的費(fèi)用，以及措施費(fèi)、規(guī)費(fèi)和稅金。投資估算主要依據(jù)相關(guān)計(jì)價(jià)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》（GB 50500—2013）[5]、《上海市建筑與裝飾工程預(yù)算定額》[6]等，最終投資見表2。

由表2 可以看出，該改造工程的總投資為7377.2萬元。其中，基礎(chǔ)托換費(fèi)用為4220.6 萬元，占整個頂升改造投資的57.21%，占比最大；其次為頂升設(shè)備及使用費(fèi)，費(fèi)用為1769.5 萬元，占比為23.99%；而基坑支護(hù)、土方開挖，以及臨時(shí)加固和限位裝置的工程費(fèi)用分別為510.0 萬元、342.7 萬元、534.4 萬元，占比較小。該保護(hù)建筑的面積為1.07 萬m2，總重量為25000t，分別按面積或頂升重量進(jìn)行造價(jià)指標(biāo)計(jì)算，其折合后的造價(jià)指標(biāo)分別約為7200 元/m2或2950 元/t。

表2 頂升工程改造投資估算

4 結(jié)語

當(dāng)然，頂升改造工程的投資影響因素眾多，如建筑樣式風(fēng)格、上部結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)托換方式，以及頂升高度及安全度等因素。還有，當(dāng)前人工費(fèi)與材料費(fèi)的單價(jià)變化，對整個項(xiàng)目的造價(jià)影響也較為敏感。本文是依托上海某歷史保護(hù)建筑頂升改造項(xiàng)目，闡述了保護(hù)建筑整體頂升改造方案，以及具體分部分項(xiàng)工程的技術(shù)要求，同時(shí)對改造工程的投資進(jìn)行全面分析，以供類似項(xiàng)目參考借鑒。