托换法在既有房屋下开挖地下室工程中的应用

上海市住宅建设机施有限公司 上海 200232

1 工程概况

背景工程位于上海市区，为3 层砖混结构别墅，建于20世纪90年代，长约17.0 m，宽约13.0 m，1层层高3.6 m，2层层高3.4 m，基础形式采用条形基础，混凝土设计强度为C20。业主要求在保证上部结构正常使用的前提下，增加地下室，地下室层高3.4 m。

2 施工难点

本项目类似逆作法施工，但由于上部结构目前正在使用，而且本建筑原有基础形式不能满足需要，施工前还要变更基础的支撑形式，对现有基础进行托换施工，可以说，本项目的施工比普通逆作法施工难度更大，没有完整的类似的施工经验，本项目的每道施工工序都是摸索着前行。

为保证房屋在改建过程中的安全，我们制订多套预案，确保项目施工稳步向前推进。在施工中有如下难点：

1）由于当时的施工资料没有保存留档，房屋结构具体节点需要现场逐点察看、评估，确保采取的加固措施具有针对性。

2）房龄较长，一些结构部件已经比较脆弱，稍有不慎，将会破坏房屋的整体性，因此在施工前，需要对薄弱部位进行加固处理。

3）本项目所处周边环境比较复杂，南侧的河道距离地下室外边线仅6.0 m，北侧距小区道路3.0 m，东、西两侧距现有房屋3.5 m，在地下室开挖过程中，为保证周边环境不受影响，需要采取有效的基坑围护措施。

4）为了保证施工过程中的安全，在施工前先将房屋内物品进行清空，尽量减少房屋的自重。

本项目关键节点是对现有房屋基础的托换工作，托换的施工质量和效果关系到项目的成败。根据房屋建筑面积，估计目前房屋的质量，结合地质情况，确定托换桩的桩径和桩长，考虑施工的经济合理性，选用第④3层黏质粉土作为桩基持力层，桩尖进入持力层1.0 m，托换桩采用φ203 mm×6 mm的Q235B钢管，桩长10.0 m，地下室底板下有效桩长为6.0 m。

3 关键施工工艺

3.1 锚杆静压桩施工

用风动镐头机破碎1层地坪，人工挖土至条形基础的上表面，将整栋房屋的基础形状暴露出来，现场进行实际测量，评估锚杆静压桩对原基础的影响，对产生影响的基础采取加固处理，便于布置锚杆桩桩位。桩位根据建筑物墙体和基础形式以及荷载大小，可以采用一字形、三角形、正方形或梅花形等布置方式，桩间距为0.6～2.0 m，应避开门窗等墙体薄弱部位，且应设置在结构受力结点位置。本工程桩位布置如图1所示。

锚杆静压桩施工是比较常用的施工工艺，施工机具轻便灵活、施工方便、作业面小、可在室内施工、无振动、无噪声、无污染、施工时具有不停产和不搬迁等优点。但在本项目施工中，通过在基础上埋设锚杆固定压桩架，以建筑物所能发挥的自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将桩段从基础中预留的压桩孔内逐段压入土中，再将桩与基础连接在一起，从而达到提高基础承载力的目的[1-3]。

图1 桩位布置平面示意

按照布置的桩位图纸，在条形基础上进行桩孔放样，经复核无误后，用引孔机引桩位孔，孔径大小比钢管桩直径大20 mm，桩位允许偏差为±20 mm。在桩孔的4 个角点，根据压桩架底座尺寸，用电钻引锚杆孔，锚杆孔直径为38 mm，用空压机将孔内粉末吹干净，锚杆型号为φ32 mm螺纹钢，用硫磺胶泥与条形基础混凝土黏结。为了减小对地基土扰动，锚杆桩施工采取跳打的施工方式，即隔一打一，施工中控制压桩速度，每天施工桩数不超过6根。锚杆桩施工流程如图2所示。

图2 锚杆桩施工流程

3.2 安装压桩架

压桩架应保持垂直，锚杆的螺母应均衡紧固，压桩过程中，应随时拧紧松动的螺母。在吊桩就位前清理桩孔内的垃圾，保证压桩的顺利进行。由于受到压桩架高度的限制，钢管桩每节长度为3.0 m，接桩如图3所示。桩节垂直度允许偏差为桩节长度的1.0%，钢管桩平整度允许偏差为±2.0 mm，接桩处的坡口为45°，焊缝应饱满、无气孔、无杂质，焊缝高度为8 mm。压桩施工时，在千斤顶下方安置测力传感器，随时观察压桩力的大小，单桩竖向抗压承载力设计值为110 kN，压桩时应按设计桩长和压桩力双控，停压压力值暂定为260 kN，且持续时间不少于5 min。若遇到已达停压压力而仍达不到桩顶设计标高时，需要暂停压桩，待分析原因并采取措施后，再继续压桩施工。桩顶未达到设计标高时，对于外露的桩头进行切除。

图3 钢管桩接桩示意

3.3 封桩

封桩是本工程的关键工序，关系到基础托换的成败，需要保证施工质量。托换可以采用预应力法和非预应力法施工，本工程采用非预应力法。在封桩前，必须把压桩孔内的杂物清理干净，排出积水，清除孔壁和桩面的浮浆，以增加黏结力，浇筑C30微膨胀混凝土，并予以捣实。施工时严格按设计要求及相关规范执行，如图4所示。

图4 封桩示意

3.4 轻型井点降水

在封桩混凝土强度养护28 d达到设计强度后，即完成了第1次托换工作，可进行原有条形基础下方工序的施工。由于上海地区常年平均地下水位埋深在0.5～0.7 m，为了保证基础在开挖过程中基坑边坡的稳定，在土方开挖前进行降水，降水运行14 d后，水位降低至设计开挖面以下0.5 m，可进行条形基础表面下土方开挖。

3.5 土方开挖

本项目土方开挖属于深基坑土方开挖，周边南侧有河道、北侧有小区道路、东西两侧距现有房屋3.5 m，环境相当复杂，在土方开挖过程中，基坑四周的支护施工相当重要。由于场地狭小，不具备大型机械设备的作业面，土方开挖采用人工分层、分段开挖。

土方开挖前，在开挖外边线施工2 排垂直锚杆。土方开挖时，分层、分段施工土钉，土钉端头挂钢筋网片，喷射C20混凝土。在底板以及混凝土外墙施工完成后，实现二次托换。

在整个施工过程中，需要委派专业的监测单位按照要求在现场布置监测点，监测频率为每6小时1次。基坑围护采用放坡形式+土钉墙护坡，坡度为1∶0.3。在距离基坑四周0.8 m处打设双排φ48 mm×3.5 mm钢管，钢管长9 000 mm，排距为500 mm，呈梅花形布置，用以加强基坑边缘土体的整体性。钢管基坑开挖面以下长度内，每间隔1 m在对称两侧各开1 个注浆孔（孔径5～8 mm），与另外两侧错开0.5 m，构成梅花形布置。在垂直钢管内注入水泥浆，水灰比为0.5，把注浆导管插入钢管内进行注浆，采用加压注浆方式，直至达到0.3～0.4 MPa为止。注浆量根据现场实际情况进行相应调整，分1～2 次注浆。

分段、分层进行开挖，按照房屋四边分为4 个开挖段，从四周向中间对称开挖，每层土开挖深为1.2 m。土钉墙混凝土喷射养护48 h，再进行相邻区段的开挖施工。在土方施工阶段注意建筑物的变形，原基础沉降控制在5 mm内，发现沉降量过大，应立即停止施工，采取有效的处理方案。土方开挖时，条形基础下方的混凝土垫层要及时处理，以免开挖时脱落，出现安全事故。

3.6 垫层底板混凝土浇筑

基坑开挖到设计深度后，进行垫层浇筑，然后进行底板的钢筋绑扎和混凝土浇筑施工。钢管桩与底板接缝处理比较关键，混凝土浇筑要密实，防止漏水，连接处理如图5所示。

图5 钢管桩与底板接缝处连接示意

3.7 墙面地下室顶板施工

为了减少房屋原有结构的破坏，地下室外墙宽度增加到外墙内侧200 mm，用以支撑地下室顶板的质量，原有墙体基础部分用拉筋与新浇筑混凝土墙体连接。施工时，首先将条形基础与新浇筑墙体接触部位混凝土凿出新鲜面层，并且清理干净，按照设计规范要求绑扎墙面和地下室顶板钢筋、立模板、浇筑混凝土。待混凝土养护28 d后，将钢管桩对称间隔切除，完成原有房屋第2次托换（即地下室外墙），过程中密切关注建筑物的变形情况。最后，将条形基础内侧伸出墙面部分切除，浇筑上部混凝土以及顶板混凝土。

4 施工监测

为了随时掌握房屋在托换过程中的变形情况，以便在变形超出预警值后及时采用防护措施，本工程在房屋的重要结构部位共布置21 个监测点，采用徕卡水准仪进行观测，每天观测3 次，每日沉降量不超过1.0 mm，最大报警值设为10 mm。在托换施工过程的90 d内，房屋的最大沉降量为5 mm，其中在房屋4 个角点的变形值最大，这4 个点的沉降-时间曲线如图6所示。

图6 沉降-时间曲线

5 结语

由于本工程是对原有房屋的改建项目，原有房屋质量情况有很大的不确定性，在改建施工过程中质量要求比较高，需完全按照规范要求施工，重要部位需要提高施工质量要求处理，造成施工工期较长。在本次施工过程中以及结构整体完成后，所有的变形监测数据均在控制范围内[4-7]。经业主、设计等多方参与竣工验收，原有房屋结构质量没有受到影响，通过鉴定可知，本项目是一个十分成功的施工案例。