“零”距離拓建技術的應用與發展

陳 勤

(上海建工二建集團有限公司 上海 200090)

隨著城市更新步伐逐步加快,現有城市的可利用土地資源逐步稀缺,同時大量的既有建筑已越來越不匹配現代建筑使用功能的要求,同時作為已承擔建筑功能的建筑,盲目的大拆大改,以與國家推行小規模、漸進式有機更新和微改造的理念相違背,為此在有限的可開發場地內,緊貼既有建筑開發新建建筑使得兩者聯通,不僅將土地的資源充分的利用,而且可將原有建筑的使用功能進行拓展,用以滿足不斷迭代更新的建筑使用功能的需要,成為城市更新步伐中的重要手段之一,緊貼既有建筑,把兩者之間的距離控制在50 cm 之內,以方便兩者之間的功能聯通,達到最大化的利用率是今后發展的重點之一。由此催生出了“零”距離施工一系列綜合技術。同時也伴隨著新的問題的產生,在現有技術的基礎上,如何規避施工的風險,保證安全,有針對性的改進現有技術成為“零”距離施工的重要思考方向。

1 “零”距離施工難點

1.1 “零”距離建筑聯通差異沉降控制要求高

緊鄰建筑,內部建筑功能聯通,能最大效能的擴展原有建筑的使用功能,兩者合二為一,但由于老建筑建造時間年代較為久遠,新建建筑由于地基承載力還不穩定,必定會引起新建建筑的建筑沉降,當沉降超過一定限值將會導致新老建筑聯通口的同行障礙,對于有特殊要求的建筑如,醫院,殘疾人通道口等,將會對今后的使用功能造成一定程度的阻礙,為此控制新老建筑的建筑沉降差異是“零”距離施工的關鍵難點。

1.2 “零”距離建筑地下清障影響大

在建造時間較早的既有建筑地下室往往存在著老舊的圍護體系,結構與圍護之間換撐結構等,由于緊鄰既有建筑,在地下障礙物清除的過程中控制周邊土體的變形保證安全的前提下同時必須兼顧清障過程中不影響既有建筑使用人員的正常工作也是零距離施工的一個主要難點。

1.3 “零”距離建筑地下空間開發實施難度大

隨著施工工藝的不斷成熟,對于土地資源的利用率相較以往擁有了更加豐富的選擇,在保證安全的前提下充分利用地下空間是每一個新建工程必須面對的問題,基于以上原則,新建建筑地下空間的開發也逐步往更深的方向發展,同時在零距離施工的過程中由于距離既有建筑較近,新建建筑地下室開發從圍護的施工開始就面臨著,如何施工,如何保護,如何開發的三大問題,常規的施工手段在極小的看空間中已不能滿足,這就對圍護的形式,施工機械的選擇,施工變形的控制等提出了更高的要求。也是作為零距離施工的最為重要點難點。

2 “零”距離背景工程介紹

項目位于上海同濟醫院內。緊貼原有外科醫療樓東側建造一棟內科醫技綜合樓。既有外科醫療樓為地下一層,地下室采用工法樁圍護,新建內科醫技綜合樓建設用地面積31 158 m2,地下二層,地上十六層,建筑高度63.45 m,總建筑面積32 560 m2,其中地上27 280 m2,地下5 280 m2,基坑挖深11.85 m。建成后與原有大樓連為一體,內部相通。

該工程基坑周圍緊鄰多棟醫療既有建筑,西側緊貼外科醫療教學大樓,西南側臨近原有甘泉樓門廳、北側靠近5層科研樓,內有大型醫療設備及實驗室,周邊既有醫療建筑與在建基坑的距離在0.5～15 m,建成后既有建筑與新建建筑棟樓外墻凈距離為28 cm。

由于周邊環境復雜,場地極其狹小,保護要求極高,為保證工程的正常推進,提高施工過程中的安全系數,該項目地下結構采用“逆作法”施工技術,圍護采用“兩墻合一”地下連續墻及700 mm 厚CSM 工法水泥土攪拌墻槽壁加固。利用地下室梁、板作為水平支撐體系,“零”距離區域由于場地受限,且既有建筑仍舊處于使用階段,地下連續墻吊裝過程中風險極高,如發生安全事故影響極大,因此在該區域圍護調整為?2400@1600MJS工法樁(180°定向擺噴)同時套打?700@900鉆孔灌注樁作為圍護體系[1]。

3 “零”距離拓建數值模擬技術應用

該工程既有建筑與新建建筑聯通之后,由于沉降程度不同,新老建筑相連后的不均勻沉降,極易造成因不均勻沉降導致的連接通道不暢通等情況。同時由于既有建筑建成時間較長,其沉降已趨于穩定。因此必須準確掌握新建建筑的沉降量,并在新老建筑相連時考慮差異沉降問題。為提高新建建筑沉降量的準確性同時為解決沉降補償問題,就需要在項目基礎設計階段對新建筑的沉降計算進行分析研究,為后續階段的施工提供參考的依據。具體實施方法如下:

3.1 模型建立

采用巖土工程專業有限元軟件PLAXIS 2D 建立二維計算模型。選取基坑典型條帶進行二維剖面計算,基坑模型側向邊界設為10倍開挖深度處,模型底部邊界取樁基深度2倍。地下室上部的2棟16層建筑采用192k Pa的均布荷載進行模擬。

數值模型建模思路如下:

圖1 數值計算剖面

(1)初始應力場的模擬。根據勘察報告提供的不同土層剖面,考慮不同的土體分層條件和重度,計算基坑開挖前土體初始應力場分布。

(2)連續介質的模擬。有限元數值計算中土體采用土體小應變硬化(HS-small)模型;采用Embeded樁單元模擬工程樁;采用板單元模擬基坑內支撐、地下室結構柱、底板及頂板。

圖2 最終工況下的方向位移等值云圖

3.2 沉降計算結果分析

基坑降水、開挖、上部結構施工完成及固結沉降后的位移等值云圖如圖6所示。圖中結構柱①位于地墻左側外科樓內,結構柱②位于地墻右側內科樓內。

圖6 沉降變形縫

表1 結構柱差異沉降

由上述計算結果可知:內科大樓施工完成后,外科樓與內科樓之間相鄰結構柱柱底沉降為4.188mm;施工完成210天后,外科樓與內科樓之間相鄰結構柱柱底沉降為4.378mm,皆小于《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)中所規定的0.002l=8mm(l為跨度)。兩棟新老建筑結構的沉降差異滿足規范要求,并且同時滿足醫院后期使用需求。

在施工過程中,按照現有的沉降數據分析,結合既有建筑沉降模擬分析數據,在樓層施工時,預先拋高建筑結構面層,為后續新建筑沉降預留空間,保證兩棟樓的差異高差可控[2]。

4 “零”距離施工綜合技術應用

4.1 零距離低擾動清障關鍵技術

(1)地下障礙物情況:既有建筑外科綜合樓設置一層地下室,原圍護結構采用SMW 工法樁結合一道內支撐的圍護形式,由于換撐的原因,外科綜合樓地下室底板傳力帶澆至SMW 工法樁內插型鋼邊寬度為3.4m,長度約39m,深度在5.8m 至7.1m 不等,由于既有建筑原圍護換撐板帶的存在,使得即本項目基坑西側內部區域,外科醫療教學大樓與內科樓之間的圍護結構(700mm 鉆孔灌注樁)施工存在障礙物。

同時,換撐板帶東側及西側存在有三根原圍護樁和一根工程樁,在新建基坑地墻槽段內,須清除。工程樁Φ700mm,樁 長50m,圍 護 樁Φ850mm,樁長20m。

圖3 地下障礙物情況

(2)換撐板帶地下室清障思路:由于整體清障工作距離既有建筑極近,常規手段較難實現完整且低擾動清障,從工程實際角度出發,以安全為大前提,低擾動為最終目標,制定了以臨時圍護體系保障安全,排孔切割為主要拆除手段的既定思路,具體流程為:清除表面障礙物→施工臨時圍護體系→挖土及鋼支撐施工切割排孔→吊裝混凝土塊→分層回填。

臨時圍護設計:現場開挖深度分別為5.8m、7.1m及6.8m,依據整體障礙物深度設置16m 小齒口拉森Ⅳ號鋼板樁作為臨時支撐圍護體系,距離地下室外墻邊3.4m 設置水平支撐及圍檁采用?609×16鋼管支撐,2H500×300×11×18型鋼圍檁,挖深5.8m 設置一道支撐,其他設置區域兩道支撐,鋼板樁外側采用?800@500高壓旋噴樁止水,水泥摻量25%。

清障施工措施:開挖至外科綜合樓1層地下室底板底,排孔及切割設備配合人工,將后期新增圍護結構范圍內的傳力帶清除,然后分層回填密實后再進行后續施工。

(3)原工程樁及圍護樁清障思路:原工程樁Φ700mm,樁長50m,圍護樁Φ850mm,樁長20m。采用RT-200H 全回轉套管機拔除,同時,地下連續墻施工范圍內老舊灌注樁拔除后采用素土回填密實,并對回填土采用注漿充填密實,地墻施工深度范圍內為保證成槽質量采取通長加固措施[3]。

4.2 零距離低擾動地下空間開發關鍵技術

工程采用“零距離”逆作法成套施工技術,在緊鄰外科醫療教學樓的情況下開挖11.85m 的深基坑,利用地下室梁、板作為水平支撐體系,有效提高基坑支撐剛度、減小基坑變形和對既有建筑的影響、同時有效解決了由于單側零距離施工導致的場地狹小問題,最大程度降低了深基坑施工對于零距離既有建筑內病患心理上所帶來的影響。

工程樁為鉆孔灌注樁,施工圖階段立柱樁可盡量利用工程樁,節省造價。立柱樁采用Φ800鉆孔灌注樁,鋼立柱采用480×480鋼格構柱。

4.2.1 逆作法頂板加固技術

該工程為地下二層,設有兩層結構樓板,逆作法基坑利用主體結構梁、板作為水平支撐。各層梁板均設有電梯井等結構開口,剪力墻區域后做,針對內科醫技樓地下室頂板及地下一層樓板出土口較大的區域,增設臨時砼支撐體系進行加強樓板支撐體系的剛度。

根據開口位置的結構水平受力性態和逆作出土等垂直運輸的需要,同時由于場地狹小,為滿足車輛在頂板的形成環形車流動線需要,頂板按需要共留設了4個取土口。逆作施工階段頂層結構梁板需要承受車輛荷載和施工堆載,地下室頂板上方荷載不得大于25k Pa。

4.2.2 逆作法圍護可靠連接技術

逆作板與圍護地下連續墻節點處,內襯墻上下設置水平施工縫,沿施工縫預埋連續、封閉鋼板止水帶。內襯墻向上插筋采用焊接方式連接,長度滿足設計規范錯開及搭接長度要求。內襯墻向下插筋采用直螺紋鋼套管機械連接方式。

4.2.3 逆作法頂板快速連接技術

圖4 逆作法頂板布置

逆作法施工中地下室頂板梁柱節點構造復雜,鋼筋密集,施工難度大,項目中采用倒置埋件的形式,在符合設計要求的前提下簡化施工難度,縮短工期,減少了電焊工作量,從而更有效的減少了電焊作業產生的一氧化碳、臭氧、一氧化氮、氟化氫、氧化錳等有害氣體[4]。

圖5 逆作頂板倒置埋件節點

4.2.4 逆作法一柱一樁沉降控制技術

在考慮立柱及立柱樁承受自身及結構梁板的重力荷載、施工荷載等各項荷載作用下的承載力要求的同時還應考慮逆作施工階段須把相鄰柱間、柱與地下連續墻之間沉降差控制在20mm 內,以保證樓板不開裂,必要時可以采取樁端后注漿措施等以提高立柱樁的承載力并控制立柱(樁)的總體沉降以減少立柱之間的差異沉降。

4.3 零距離施工差異變形控制關鍵技術

內科醫技大樓施工完成后,其上部結構與西側既有外科醫療大樓連接處的沉降縫縫寬為280mm。根據模擬計算結果,以及結合道路中的預沉降法施工,對于新建內科大樓地上部分結構標高采取整體提高的施工做法,待后期機電裝飾施工時,大樓沉降后與西側外科大樓的樓層標高保持一致,沉降縫端面整齊平整,蓋板嚴絲合縫無高低差。

5 “零”距離施工技術發展思考

綜上所示,以同濟醫院內科醫技樓新建工程為案例,“零”距離施工取得了良好的效果,但在未來的零距離施工還可從以下施工技術方面進行進一步的優化改進,從而使得零距離施工技術進一步的總結發展。

5.1 沉降縫優化技術發展

同濟醫院建筑地上建筑為16層,高度63.45m,在考慮新老建筑聯通時采用的是沉降變形縫,但建筑高度隨著越來越高,新老建筑本身的垂直度差異,地震帶來的水平位移等也是不得不考慮的問題,一種適用于快速安裝的沉降、水平變形一體化的變形縫設計的出現將能很好的解決這一問題。這也是后期發展的方向之一。

5.2 沉降主動補償技術發展

零距離施工,新老建筑沉降差是主要關注的點,也是未來建筑之間能否正常使用的關鍵因素之一,但前期數值模擬以及施工過程中的標高補償技術無法永久解決建筑使用功能中可能造成的差異高差,在將來可通過主動托還系統的進一步完善,在高差控制要求較高為的位置預留補償系統,進一步減少沉降帶來的高差問題。

5.3 地下空間開發技術優化發展

零距離地下空間開發施工,最重要的是保障零距離側的圍護施工安全,挖土及結構施工安全,達到對于既有建筑的低擾動的目標,目前同濟醫院由于距離近,地下層數為兩層,可采用灌注樁圍護進行,如空間進一步加深,灌注樁圍護可能無法滿足地下空間開發的需要,圍護結構的發展需要朝著高度降低,重量減輕的發展方向,以便于進一步的方便零距離施工。

6 結語

“零”距離施工拓建技術作為城市更新拓建的一個重要思路,在可預見的未來將越來越多的應用在不同功能需求的城市更新領域,目前的技術手段已能解決部分零距離開發地下空間深度較淺的工程,一旦地下空間開發深度處于超深階段,不可避免的從安全性,后期的功能性會發生質的變化,但隨著科技的進步,零距離施工所需要配備的成套技術將從數值模擬的進一步與實際匹配,零距離快速清障工具的進一步完善,零距離圍護綜合技術的進一步發展,零距離地下空間逆作法開發的進一步優化,地上空間高程標高補償技術的進一步研究等諸多方面進一步的深入發展,在不遠的將來,隨著零距離空間開發綜合技術將會越發完善,城市更新的步伐將會更加走的越發穩健。