历史文化建筑改造中的关键施工技术

2022-11-19王晓东

建筑施工 2022年8期

王晓东

青海省地质基础工程施工总公司上海分公司上海 201803

随着城市建筑的飞速发展，特别是市中心区域，越来越多的既有老建筑已经远远不能满足现代人们居住条件和使用要求，这些老建筑的整体性、安全性随着时间的推移逐步降低，功能布局也难以满足现代办公商业需求，因此为了实现这些建筑的实用价值，对这些建筑的保护性改建、加固、修缮显得尤为重要。

由于城市更新从原有的“拆、改、留”转变为“留、改、拆”，既有建筑更注重保留原有历史风貌，因此改建时一般需保留原有外立面基本不变，仅进行内部结构的置换，将原有的小空间改建为大空间，既有的砖混结构可改造为框架结构。在此过程中，涉及结构体系的多次转换，改建过程中既需保证既有建筑安全，又需满足永久性建筑结构体系符合相关规范要求，需探索出一套可靠的安全控制体系。

1 工程概况

上海黄浦区179街坊位于南京东路东段南侧，江西中路、四川中路之间，与外滩仅有一个街区之隔，属外滩历史文化风貌保护区范围，由沿南京东路的美伦大楼（由东南西北4幢大楼组成，其中美伦大楼北楼为上海市优秀历史建筑，保护等级三类）、沿江西中路靠近九江路的新康大楼、四川中路与南京东路口的中央商场大楼和场地东南部紧靠中央大厦西侧的华侨大楼。周围交通情况如图1所示。

图1 交通及位置示意

该地块于2005年被确认为“上海市中心城历史文化风貌区范围”改造地块，因此保护整治的同时须依据市政府的要求保护历史文化风貌。本地块成片保护改建项目主要分为中央商场改造、美伦大楼改造、华侨大楼改造以及新康大楼改造几个部分。

2 工程施工难点

2.1 需保留外墙

本施工地块涉及建筑需要在保留外墙风貌的前提下对

内部进行更新重建和改建。其中，新康大楼保留外墙高约30 m，在保留原结构三面外墙的同时，需要拆除原结构体系，在内部新建5层地下室，上部结构改建为10层。涉及工序繁多，各个工序之间相互影响，时间与空间存在一定的矛盾，风险较大。

2.2 环境保护要求高

工程北邻轨道交通2号线，美伦大楼及中央商场北侧外墙距轨交隧道仅2 m，隧道附近钻孔桩基成孔时易坍孔、颈缩，会对轨交隧道产生影响。地下5层基坑边线距轨交43 m，位于轨交保护控制范围内，基坑开挖及承压水的处理会对轨交隧道产生影响（图2）。同时，本工程地处闹市，地下连续墙深度较深，且周边管线多，施工受周边环境影响大。场地狭小，场地布置比较困难。

图2 周边环境情况示意

2.3 室内超深基坑施工

工程基坑开挖深度较深，约23.5 m。地下室施工范围包括新康大楼内部，但新康大楼三面外墙保护钢架将对地下室施工带来巨大的不利影响。

3 工程施工难点解决方法

3.1 “热水瓶换胆”置换技术

本工程在外墙保留方面，采用“热水瓶换胆”技术，通过设置钢结构支撑等临时措施外墙进行加固保护，以便在更新内部老旧结构时，保留建筑外墙，使建筑风貌不受影响。“热水瓶换胆”技术通常的流程是先对外墙进行加固，然后在内部建立支撑结构以保障墙体稳定，在保证安全的情况下进行旧结构的拆除和新结构的搭建[1-2]。

“热水瓶换胆”的置换技术的关键点有3个：

1）墙体的稳定与加固。由于置换过程中往往要拆除内部结构，这会导致墙体失去原有的支撑，极易发生倾覆。所以首先需要选择合理的加固方式、支撑体系和施工流程，对保留墙体进行稳定控制。

2）新旧建筑连接。由于新旧结构之间材料性质、承载力、自振周期不同，需考虑连接后整体结构的性能。一种思路是旧结构和新结构之间采用柔性连接，减少2种体系之间力的传递；另一种思路是把新老结构连为整体，提升整体承载力以满足要求。

3）结构体系转换。建筑结构置换会多次涉及原有结构的拆除以及临时支撑的搭建，结构的受力体系会在整个过程中发生多次转变，最不利的工况往往就出现在结构体系发生转变的时候，这是结构置换安全控制的重中之重，需预先建模进行不利工况的分析和计算，并在施工现场实时监测。

3.2 低净空与快速成孔灌注桩施工技术

由于在既有建筑内部进行桩基施工加固，传统钻孔灌注桩桩架较高，无法进入建筑内部，另一方面建筑内部由于有梁柱等既有结构，对桩架进行移动也极其不便。为此，针对本工程的特殊情况和背景，需找出新的灌注桩施工要求。新的灌注桩施工应该达到以下要求：

钻进成孔速度快，施工效率高。要满足灌注桩施工的所有技术和质量的要求，同时也要满足地铁规定的时间限制，即在规定的7 h内要分配好各个施工工作的作业时间。

1）成孔精度高、垂直度好、孔壁与孔径稳定。

2）机械化程度提高，降低工人的作业强度。

3）浆泥循环使用，尽可能将泥浆封闭在管道内，保证现场文明施工。

4）可实施泥浆的浆、泥分离后，减少泥浆外运量，实现环保的社会效益。

5）可实施成孔施工的数字化、信息化管理。

这些要求对40多年来一直沿用的传统灌注桩施工工艺进行了挑战，也为开拓灌注桩更新的工艺、设备、技术提出了思路。工程人员通过不断试验和改进，研发并应用了低净空钻孔灌注桩架，使得既有建筑内部桩基施工成为现实，既减少了泥浆污染，也降低了振动对既有建筑的影响。

经过各种施工工艺的分析对比、多次的场外试验，最终确定了一种以反循环“钻削式快速成桩施工工艺”为基础，且适合本工程部分灌注桩在室内施工条件下的“低净空灌注桩施工工艺”为核心的施工方法。

一般正循环灌注桩施工工艺，是利用钻头快速旋转，由钻头彻底把土体粉碎并打成泥浆，通过钻杆与钻头喷出的泥浆，把桩底的浓浆向孔口举出。这样钻头把土体打成泥浆需要较长的作业时间。而这种新型桩机采用反循环灌注桩施工工艺，用钻杆抽吸泥浆，钻削式快速成孔技术更是利用了钻削式钻头，能快速地把土体切削成土条，施工速度快。低净空灌注桩技术，则是采用高度在6.5 m以内的设备，在作业高度受限的室内完成灌注桩的施工。

该新型施工方法的钻机高度仅6.5 m，传统室外作业的钻机一般在10 m以上，设备可进行基架升放、行走与旋转、水平移动等，2～3 h内可完成45 m的桩基成孔；承载力较大，无需反力，可实现零距离打桩。该设备大大提高了低净空的室内作业，尤其是对历史文化建筑修缮工作的可行性。

在引入灌注桩新工艺、新设备、新技术思路的同时，积极开展寻找合适的施工设备和可行的施工工艺，要满足灌注桩施工的所有技术和质量的要求，同时也要满足轨交部门规定的时间限制。

首先，在施工计划上，要做出合理可行的时间安排。即在规定的7 h内要分配好各个施工工作的作业时间。根据工程经验和比对分析，做出的工作与控制时间安排为：在正式灌注桩开孔钻进之前，完成护筒埋设、障碍清理、钻孔桩机就位等所有准备工作；23：00—次日1：30，钻机成孔至桩底，同步完成清孔，2.5 h；1：30—4：00，钢筋笼的逐段吊装与焊接，2.5 h；4）4：00—4：30，下放与安装混凝土浇筑导管，0.5 h；4：30—5：00，利用浇筑导管第2次清孔，0.5 h；5：00—6：00，用导管浇筑混凝土至桩顶，1.0 h；其后，拔除导管，灌注桩施工完毕。这个工作计划满足了灌注桩施工的全部工作内容要求，也能达到轨交对时间控制的要求。

其次，钻孔灌注桩施工需要严格的技术措施：

1）对于近地表的填土等松散土层，埋设护筒穿过；护筒用厚8 mm的钢板制作，角钢加固，直径为750 mm，高约为1.5 m，随地质情况的不同进行护筒高度调整。护筒埋设牢固密实，在护筒与坑壁之间用黏土分层夯实，以防漏水。护筒设一个溢浆口，便于泥浆溢出流回泥浆池，进行回收和循环。技术要求如下：护筒中心偏差不大于20 mm，倾斜度不大于1%，同时高出地面10 cm为宜；护筒埋深1.3～1.5 m，遇障碍物清除后方能埋设；护筒埋设牢固密实，在护筒与坑壁之间用黏土分层夯实，以防漏水；做好复测记录。

2）对于粉质黏土、淤泥质黏土层，拟采用轻压大泵量快速穿过；对于灰色粉质黏土层，由于其造浆性能好，可以用此层位造优质成孔泥浆，但由于该层位易颈缩，故拟低速勤扫通过成孔。

3）另外因局部地层自然造浆性能差，极易坍垮孔，因此钻进成孔应注意以下事项：

钻进后，必须反复划眼以防止颈缩。采用优质泥浆护壁，具体性能指标为：胶体率95%以上，漏斗黏度18～22 s，相对密度1.10～1.25。钻至设计孔深后，进行第1次清孔，低速大泵量泵入优质泥浆，将研磨细碎的孔底大颗粒泥屑悬浮携带出孔，以保证孔底清洁，为第2次清孔打好基础。

4）成孔指标测试。成孔后对孔径、孔斜进行测试，桩径充盈系数不得小于1.05，不宜大于1.2。清孔采用换浆清孔（二次清孔）。第1次清孔：钻孔结束后稍提钻管，离孔底10～15 cm，保持泥浆正常循环，定时空钻，以便把孔底残余淤泥磨成泥浆冲出。第2次清孔：第1次清孔后，提出钻杆，测量孔深，然后移机，浇桩架就位，并抓紧时间安放钢筋笼和混凝土导管。通过导管压入清浆，进行第2次清孔，目的是清除在安放钢筋笼及混凝土导管时产生的沉渣，最后要求孔底沉渣厚度小于10 cm。第1、2次清孔后，均由专人测量孔深及孔底沉渣。

5）清孔过程中设专人捞渣，换浆时废浆要及时运走，并及时补给足够的泥浆，保持浆面稳定。清孔分2次进行。第1次清孔在成孔完毕后，立即进行；第2次在下放钢筋笼和灌注混凝土导管安装完毕后进行。清孔时钻头先稍作提升，通过循环排除孔底沉淤，与此同时，不断注入洁净的泥浆水，用以降低桩孔泥浆水中的泥砂含量。清孔过程中应测定沉浆指标，清孔后的泥浆密度应少于1.15。清孔结束后应测定孔底沉淤，孔底沉淤厚度应少于100 mm。2次清孔结束后孔内应保持水头高度，并应在30 min内灌注混凝土，若超过30 min，灌注混凝土前应重新测定孔底沉淤厚度。

3.3 基础托换技术

本工程为老建筑改建施工，所有的基础施工是基于对老建筑改建的整体加固，工程人员采取基础托换的手段来进行改建加固。本项目外墙托换使用基础加固梁以及钻孔灌注桩加固。通过相应技术，解决了基础梁分段施工、新老基础冲突处理、外墙基础梁施工对周边环境的保护等一系列施工难题（图3）。基础施工总流程为：地板面层破除—桩基施工—土方开挖—垫层施工—夹墙梁施工—基础梁施工。