淺基礎文物建筑平移工程設計與施工

王建永

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

建筑整體平移托換技術是指在進行既有建筑物遷移或加固改造時，對整體結構或部分結構進行合理托換，改變荷載傳力途徑的工程技術[1]。目前該技術被廣泛用于建筑結構的加固改造、建筑物整體遷移、建筑物下修建地鐵及隧道等工程領域中。墻體的托換方式應用最廣泛的為鋼筋混凝土雙夾墻梁托換；框架結構柱及橋梁墩柱的托換方式應用最廣泛的為四面包裹的抱柱梁結構[2]。

建筑物整體平移的托換過程，實質是通過托盤梁將上部結構荷載托換至下滑道梁，然后再傳遞至持力層的過程。平移準備階段主要是完成下滑道梁及上托盤梁施工，正常的施工順序為：土方開挖、下滑道梁、上托盤梁。此種順作式施工工藝，適用于基礎埋深較深的建筑平移工程，一般為新建建筑。如果應用于基礎埋深較淺，且具有保留價值的文物建筑移位工程，會遇到如下的問題：

1）下滑道梁的基底標高低于原建筑的基底標高，先施工下滑道梁會擾動原建筑基礎，此時順作法的土方開挖，會帶來上部結構不均勻沉降等安全隱患。

2）若保證下滑道梁的基底標高高于原建筑的基底標高，則需要將上托盤梁標高提高，即高出室內±0 m標高，此時順作法施工，會損壞有保留價值的±0 m以上的建筑部位，這從文物保護角度考慮是不允許的。

綜上所述，順作式一次性托換施工工藝應用于淺埋基礎的文物建筑物時，存在上部結構不均勻沉降的風險或造成室內地坪以上保留部位損傷的問題。本文通過分析武漢漢口義勇消防聯合會舊址整體平移頂升工程，提出一種逆作式移位托換施工工藝及方法。

1 工程概況

1.1 歷史沿革

漢口義勇消防聯合會舊址建于1920年。2010年，該建筑被列入第四批武漢市優秀歷史建筑二級保護目錄；2011年3月，武漢市人民政府公布該建筑為第五批武漢市文物保護單位。

根據文物保護方案，該建筑最終平移至場地東側綠化地內，平移距離約88 m，因建筑原址地面標高較低，故結合綠化地及周邊道路標高，擬將其標高抬高1.38 m。

1.2 結構概況

該建筑為3層混合結構，磚砌體、鋼筋混凝土構件、木構件共同承重。承重墻體為燒結紅磚或燒結青磚，2～3層均為木樓板，局部鋼筋混凝土板；木屋架，紅瓦坡屋面（圖1）。

圖1 建筑外立面

1.3 基礎情況

根據房屋鑒定報告，地基基礎有不均勻沉降，對上部結構稍有影響。建筑舊址基礎為磚砌條形基礎，其下設置三七灰土夯實，基礎的整體性略差（圖2）。

圖2 建筑舊址基礎

1.4 地基情況

場地首層雜填土層厚度為3.00～8.40 m，平均厚度為4.72 m，主要成分為鋼筋混凝土碎塊、磚渣、碎石、黏性土以及生活垃圾。表層建筑垃圾為近期拆遷形成，下部的雜填土堆積時間較長，超過10年，全場均有分布。

2 項目的難點

1）原址托換難點：建筑物基礎埋深較淺，下滑道梁底標高低于原結構條形基底標高，而且平移方向與建筑物軸線方向不平行，直接開挖施工下滑道梁會大面積擾動基礎或持力層，工程風險較大。

2）沉降控制難點：本工程的下滑道梁、頂升反力基礎的持力層均在雜填土范圍內，考慮本工程為臨時性短期荷載，所以直接以設計標高的雜填土層為平移及頂升的持力層，但要采取措施，控制移位過程中地基基礎的沉降量。

3）臨時加固難點：根據鑒定報告，本建筑砌體及混凝土材料抗壓強度較好，但存在貫穿性裂縫、木結構樓層板腐朽及不均勻沉降的情況，結構整體性較差，需要加強墻體側向約束，并且加固措施要具有可逆性，不得有損于建筑的文物價值。

3 原址托換方案策劃

本工程要求頂升1.38 m，平移88 m。總體的移位方案有爬坡式移位方案、先頂升后平移方案、先平移后頂升方案[3]這3種。

綜合分析，由于基礎埋深較淺，下滑道梁底標高低于現有條形基礎底標高，且平移方向與結構軸線方向不平行，故下滑道梁開挖時，無法避開原有條形基礎，會大面積擾動持力層，帶來施工過程中的隱患。而原址先頂升1.38 m，在頂升空間內施工下滑道梁則解決了此問題。因此，整體方案選擇先頂升后平移方案。

先頂升方案需要在原址先施工反力基礎，減少對原有基礎及持力層的擾動，且保證開挖過程中的安全。為此，頂升反力基礎設計為條形混凝土基礎，其方向與砌體軸線方向平行，且與軸線位置錯開，布置于無上部結構荷載的位置（圖3、圖4）。

圖3 托換方案示意

圖4 托換結構平面布置

對于原址頂升再平移的整體方案，為保證整個托換施工過程中結構的穩定安全，采取先施工上托盤梁的措施，可大大增強基礎結構的整體強度及剛度，也增大了基礎受力面積，而且頂升反力基礎避開上部結構基礎軸線，布置于上部結構無荷載位置，減小了開挖對上部結構的影響。

4 頂升沉降控制措施

在托換施工過程中，為保證上部結構的安全，需控制反力條形基礎寬度及持力層位置，以減小開挖范圍及深度。但是，頂升受力后的沉降也同樣關系上部結構的安全，需要計算及控制頂升過程中的沉降及不均勻沉降。

常規頂升技術采用一組千斤頂頂升。在千斤頂頂升過程中，采用PLC液壓同步控制的位移同步技術。頂升過程為主動施力過程，同步誤差可以控制在－2～2 mm。但是，頂升千斤頂達到一個頂升循環后（100 mm），需要將建筑物降落至臨時支撐上，此工況下，臨時支撐為被動受力，如反力基礎發生不均勻沉降，會將此變形傳導至上托盤梁及上部結構，引起上部結構的強制變形。

為了模擬此過程上部結構的變形，建立了上托盤梁與反力基礎協同受力的SAP2000計算模型（圖5）。托盤結構和反力基礎均按桿系單位模擬，地基采用溫克爾地基假設，采用彈簧單位模擬，托盤梁與滑道梁間臨時支撐采用豎桿模擬，只傳遞豎向力。上部結構的作用簡化為托盤結構上的豎向荷載[4]。

圖5 協同受力計算模型

基礎持力層為堆積時間較長的雜填土層，根據《地基與基礎》[5]，參考軟弱黏性土基床系數的取值，選取本項目地基土的基床系數為6 000 kN/m3。

協同受力工況下，邊側頂升反力基礎沉降量約15 mm，中間位置頂升反力基礎沉降量約35 mm，沿縱軸線方向產生20 mm沉降差（圖6、圖7）。

圖6 沉降及撓度

通過計算可知：在臨時支撐工況下，頂升反力基礎的不均勻沉降會傳導至上部結構，差異沉降會引起托盤梁及上部結構的強制變形及內力重分布。此情況可以通過2種方案解決：增大頂升反力基礎的寬度，以減小不均勻沉降量；改變頂升工藝，采用交替式頂升工藝，全過程控制建筑物頂升的位移誤差。

圖7 彎矩分布

由于增大反力基礎截面，會增大開挖施工過程中的風險，因此，本工程選用交替式頂升工藝。由2組頂升千斤頂交替頂升，臨時支撐在全過程均主動受力，反力基礎的沉降量通過頂升千斤頂進行補償，不再傳導至上托盤梁及上部結構，托盤梁的荷載只有上部結構自重及下部千斤頂頂升力2種，不再產生不均勻沉降的強制變形。

同步頂升工況計算時，各頂升支點不能等同于支點約束，因為頂升時是根據位移控制點的數量，將千斤頂分組連通，同一組千斤頂頂升力強制相同，引起托盤梁強制變形及內力重分布。如將頂升支點簡化為支點約束進行計算分析，計算結果比實際情況小，存在一定的安全風險。

為了使計算模型盡量與頂升工況一致，可將千斤頂的頂力反作用于托盤梁，計算托盤梁在上部結構荷載與頂升力作用下的變形及內力情況（圖8～圖12）。設計步驟為：計算支點約束模型下各支點的反力→根據位移控制點數量，將同一區域支點反力相近的頂點連通為一組→同組頂點頂力調整相同，且合力與原合力相同→將頂升反力及上部結構荷載作用于托盤梁，計算模型簡化為靜定模型→根據靜定模型支點反力，反復調整各頂升支點的力，以使支點反力盡量接近為零。

圖8 支點約束模型

通過計算可知：支點約束模型計算內力與變形結果相較靜定模型計算結果均較小，靜定模型更接近實際頂升工況。計算結果顯示：頂升時，托盤梁橫軸向產生強制變形和內力重分布，最大變形值5 mm，最大彎矩值600 kN·m，但變形及彎矩值均小于協同受力模型。所以，交替頂升工況下，由于全過程的同步控制，上托盤梁產生的變形大大變小。

圖9 支點約束彎矩與變形

圖10 靜定模型

圖11 靜定模型彎矩分布

圖12 靜定模型頂升變形

5 移位過程的不均勻沉降控制措施

本工程的下滑道梁為6條，滑道梁截面為倒T形，梁底寬1.6 m（圖13）。在移位施工過程中，雖然已經采取了加固地基和加大下滑道梁受力面積的措施，而且經過計算，下滑道梁的沉降差可以控制在10 mm以內，但是由于持力層為雜填土層，移位過程中可能會存在不可控的不均勻沉降，以及下滑道梁滑移面不平的情況，從而傳導到上托盤梁及上部結構，引起強制變形及內力重分布。

圖13 滑動式移位

本工程采用液壓懸浮技術，避免移位過程中不均勻沉降及滑道梁平整度問題對上部結構的影響，即在平移工程中支座位置安裝由PLC同步系統控制的液壓油缸，油缸底部安裝滑塊。平移前，通過稱重的方法設置各油缸壓力值，使之與上部荷載相適應，并使油缸預伸出一定位移，使整個房屋處于懸浮狀態，避免房屋出現附加應力。通過設在每一支座處的壓力傳感器，可以實時反映基礎的不均勻沉降程度和支點受力變化幅度。當不均勻沉降和受力變化幅度超過預定值時，可以通過計算機系統隨時進行調控，避免不利因素繼續擴大。

6 新址永久基礎的沉降控制措施

新址范圍軟弱土層采用換填夯實方式進行加固處理，地基基礎采用筏板式基礎。

應用有限元軟件Plaxis進行分析計算，分析計算模型中包含了土體、筏板基礎和上部荷載。土體采用軟土-硬化模型，筏板基礎混凝土構件采用線彈性模型。

分析模型采用對稱模型，水平方向為x向，豎直方向為y方向。模型水平方向總長取20 m，基坑內側按照對稱原則，選取一半基坑長度；豎直方向則取地表以下30 m。模型左邊界施加對稱約束，底邊界施加x、y向約束，右邊界施加x向位移約束。采用三角形15節點單元模擬土體，采用梁單元模擬筏板基礎。建筑上部荷載取9 000 kN，模擬為作用于筏板基礎上的均布荷載，荷載值為33 kPa（圖14、圖15）。

圖14 1/2模型有限元網格劃分

圖15 1/2模型總變形云圖

模擬結果：筏板基礎豎向位移1.47 cm，筏板基礎中心和邊角豎向位移差0.36 cm。

7 結語

1）文物建筑移位工程中，托換施工是一個風險較高的環節，尤其是土方開挖對原基礎造成擾動的過程及降水等意外情況。在方案設計及施工組織設計中，應謹慎選擇具體方案，保證每個工況下均有不弱于原結構受力、傳力的可靠保證措施[6]。

2）上托盤梁是移位設計中的關鍵結構，受力情況復雜，因此在設計時需要根據開挖工況（多跨連續梁）、頂升工況（千斤頂為主動力）、意外工況（位移同步出現誤差）等進行全面的分析。頂升工況時，雖然為位移控制，但是由于千斤頂為主動力，而且同組千斤頂中的每一個頂力強制一致，故千斤頂支撐點不能等同于支點約束。本文提出的將同組千斤頂頂升力模擬為力荷載施加于托盤梁進行計算分析的思路，其變形及內力計算結果較支點約束模型大。

3）上托盤梁不僅可以承擔移位過程中的豎向及水平荷載，而且可以增加基礎的整體強度及剛度，還可以增大原基礎的受力面積。所以先施工上托盤梁時，可以提前對原結構進行加固，有效保證后續施工的安全。

4）本工程頂升及移位的反力基礎持力層未固結完成，在頂升及平移過程中，可能會產生差異沉降。本工程中采用的交替頂升技術、液壓懸浮技術，可以通過液壓伺服系統及時補償，保證上部結構的安全性。