歷史文化建筑改造中的關鍵施工技術

王曉東

青海省地質基礎工程施工總公司上海分公司 上海 201803

隨著城市建筑的飛速發展，特別是市中心區域，越來越多的既有老建筑已經遠遠不能滿足現代人們居住條件和使用要求，這些老建筑的整體性、安全性隨著時間的推移逐步降低，功能布局也難以滿足現代辦公商業需求，因此為了實現這些建筑的實用價值，對這些建筑的保護性改建、加固、修繕顯得尤為重要。

由于城市更新從原有的“拆、改、留”轉變為“留、改、拆”，既有建筑更注重保留原有歷史風貌，因此改建時一般需保留原有外立面基本不變，僅進行內部結構的置換，將原有的小空間改建為大空間，既有的磚混結構可改造為框架結構。在此過程中，涉及結構體系的多次轉換，改建過程中既需保證既有建筑安全，又需滿足永久性建筑結構體系符合相關規范要求，需探索出一套可靠的安全控制體系。

1 工程概況

上海黃浦區179街坊位于南京東路東段南側，江西中路、四川中路之間，與外灘僅有一個街區之隔，屬外灘歷史文化風貌保護區范圍，由沿南京東路的美倫大樓（由東南西北4幢大樓組成，其中美倫大樓北樓為上海市優秀歷史建筑，保護等級三類）、沿江西中路靠近九江路的新康大樓、四川中路與南京東路口的中央商場大樓和場地東南部緊靠中央大廈西側的華僑大樓。周圍交通情況如圖1所示。

圖1 交通及位置示意

該地塊于2005年被確認為“上海市中心城歷史文化風貌區范圍”改造地塊，因此保護整治的同時須依據市政府的要求保護歷史文化風貌。本地塊成片保護改建項目主要分為中央商場改造、美倫大樓改造、華僑大樓改造以及新康大樓改造幾個部分。

2 工程施工難點

2.1 需保留外墻

本施工地塊涉及建筑需要在保留外墻風貌的前提下對

內部進行更新重建和改建。其中，新康大樓保留外墻高約30 m，在保留原結構三面外墻的同時，需要拆除原結構體系，在內部新建5層地下室，上部結構改建為10層。涉及工序繁多，各個工序之間相互影響，時間與空間存在一定的矛盾，風險較大。

2.2 環境保護要求高

工程北鄰軌道交通2號線，美倫大樓及中央商場北側外墻距軌交隧道僅2 m，隧道附近鉆孔樁基成孔時易坍孔、頸縮，會對軌交隧道產生影響。地下5層基坑邊線距軌交43 m，位于軌交保護控制范圍內，基坑開挖及承壓水的處理會對軌交隧道產生影響（圖2）。同時，本工程地處鬧市，地下連續墻深度較深，且周邊管線多，施工受周邊環境影響大。場地狹小，場地布置比較困難。

圖2 周邊環境情況示意

2.3 室內超深基坑施工

工程基坑開挖深度較深，約23.5 m。地下室施工范圍包括新康大樓內部，但新康大樓三面外墻保護鋼架將對地下室施工帶來巨大的不利影響。

3 工程施工難點解決方法

3.1 “熱水瓶換膽”置換技術

本工程在外墻保留方面，采用“熱水瓶換膽”技術，通過設置鋼結構支撐等臨時措施外墻進行加固保護，以便在更新內部老舊結構時，保留建筑外墻，使建筑風貌不受影響。“熱水瓶換膽”技術通常的流程是先對外墻進行加固，然后在內部建立支撐結構以保障墻體穩定，在保證安全的情況下進行舊結構的拆除和新結構的搭建[1-2]。

“熱水瓶換膽”的置換技術的關鍵點有3個：

1）墻體的穩定與加固。由于置換過程中往往要拆除內部結構，這會導致墻體失去原有的支撐，極易發生傾覆。所以首先需要選擇合理的加固方式、支撐體系和施工流程，對保留墻體進行穩定控制。

2）新舊建筑連接。由于新舊結構之間材料性質、承載力、自振周期不同，需考慮連接后整體結構的性能。一種思路是舊結構和新結構之間采用柔性連接，減少2種體系之間力的傳遞；另一種思路是把新老結構連為整體，提升整體承載力以滿足要求。

3）結構體系轉換。建筑結構置換會多次涉及原有結構的拆除以及臨時支撐的搭建，結構的受力體系會在整個過程中發生多次轉變，最不利的工況往往就出現在結構體系發生轉變的時候，這是結構置換安全控制的重中之重，需預先建模進行不利工況的分析和計算，并在施工現場實時監測。

3.2 低凈空與快速成孔灌注樁施工技術

由于在既有建筑內部進行樁基施工加固，傳統鉆孔灌注樁樁架較高，無法進入建筑內部，另一方面建筑內部由于有梁柱等既有結構，對樁架進行移動也極其不便。為此，針對本工程的特殊情況和背景，需找出新的灌注樁施工要求。新的灌注樁施工應該達到以下要求：

鉆進成孔速度快，施工效率高。要滿足灌注樁施工的所有技術和質量的要求，同時也要滿足地鐵規定的時間限制，即在規定的7 h內要分配好各個施工工作的作業時間。

1）成孔精度高、垂直度好、孔壁與孔徑穩定。

2）機械化程度提高，降低工人的作業強度。

3）漿泥循環使用，盡可能將泥漿封閉在管道內，保證現場文明施工。

4）可實施泥漿的漿、泥分離后，減少泥漿外運量，實現環保的社會效益。

5）可實施成孔施工的數字化、信息化管理。

這些要求對40多年來一直沿用的傳統灌注樁施工工藝進行了挑戰，也為開拓灌注樁更新的工藝、設備、技術提出了思路。工程人員通過不斷試驗和改進，研發并應用了低凈空鉆孔灌注樁架，使得既有建筑內部樁基施工成為現實，既減少了泥漿污染，也降低了振動對既有建筑的影響。

經過各種施工工藝的分析對比、多次的場外試驗，最終確定了一種以反循環“鉆削式快速成樁施工工藝”為基礎，且適合本工程部分灌注樁在室內施工條件下的“低凈空灌注樁施工工藝”為核心的施工方法。

一般正循環灌注樁施工工藝，是利用鉆頭快速旋轉，由鉆頭徹底把土體粉碎并打成泥漿，通過鉆桿與鉆頭噴出的泥漿，把樁底的濃漿向孔口舉出。這樣鉆頭把土體打成泥漿需要較長的作業時間。而這種新型樁機采用反循環灌注樁施工工藝，用鉆桿抽吸泥漿，鉆削式快速成孔技術更是利用了鉆削式鉆頭，能快速地把土體切削成土條，施工速度快。低凈空灌注樁技術，則是采用高度在6.5 m以內的設備，在作業高度受限的室內完成灌注樁的施工。

該新型施工方法的鉆機高度僅6.5 m，傳統室外作業的鉆機一般在10 m以上，設備可進行基架升放、行走與旋轉、水平移動等，2～3 h內可完成45 m的樁基成孔；承載力較大，無需反力，可實現零距離打樁。該設備大大提高了低凈空的室內作業，尤其是對歷史文化建筑修繕工作的可行性。

在引入灌注樁新工藝、新設備、新技術思路的同時，積極開展尋找合適的施工設備和可行的施工工藝，要滿足灌注樁施工的所有技術和質量的要求，同時也要滿足軌交部門規定的時間限制。

首先，在施工計劃上，要做出合理可行的時間安排。即在規定的7 h內要分配好各個施工工作的作業時間。根據工程經驗和比對分析，做出的工作與控制時間安排為：在正式灌注樁開孔鉆進之前，完成護筒埋設、障礙清理、鉆孔樁機就位等所有準備工作；23：00—次日1：30，鉆機成孔至樁底，同步完成清孔，2.5 h；1：30—4：00，鋼筋籠的逐段吊裝與焊接，2.5 h；4）4：00—4：30，下放與安裝混凝土澆筑導管，0.5 h；4：30—5：00，利用澆筑導管第2次清孔，0.5 h；5：00—6：00，用導管澆筑混凝土至樁頂，1.0 h；其后，拔除導管，灌注樁施工完畢。這個工作計劃滿足了灌注樁施工的全部工作內容要求，也能達到軌交對時間控制的要求。

其次，鉆孔灌注樁施工需要嚴格的技術措施：

1）對于近地表的填土等松散土層，埋設護筒穿過；護筒用厚8 mm的鋼板制作，角鋼加固，直徑為750 mm，高約為1.5 m，隨地質情況的不同進行護筒高度調整。護筒埋設牢固密實，在護筒與坑壁之間用黏土分層夯實，以防漏水。護筒設一個溢漿口，便于泥漿溢出流回泥漿池，進行回收和循環。技術要求如下：護筒中心偏差不大于20 mm，傾斜度不大于1%，同時高出地面10 cm為宜；護筒埋深1.3～1.5 m，遇障礙物清除后方能埋設；護筒埋設牢固密實，在護筒與坑壁之間用黏土分層夯實，以防漏水；做好復測記錄。

2）對于粉質黏土、淤泥質黏土層，擬采用輕壓大泵量快速穿過；對于灰色粉質黏土層，由于其造漿性能好，可以用此層位造優質成孔泥漿，但由于該層位易頸縮，故擬低速勤掃通過成孔。

3）另外因局部地層自然造漿性能差，極易坍垮孔，因此鉆進成孔應注意以下事項：

鉆進后，必須反復劃眼以防止頸縮。采用優質泥漿護壁，具體性能指標為：膠體率95%以上，漏斗黏度18～22 s，相對密度1.10～1.25。鉆至設計孔深后，進行第1次清孔，低速大泵量泵入優質泥漿，將研磨細碎的孔底大顆粒泥屑懸浮攜帶出孔，以保證孔底清潔，為第2次清孔打好基礎。

4）成孔指標測試。成孔后對孔徑、孔斜進行測試，樁徑充盈系數不得小于1.05，不宜大于1.2。清孔采用換漿清孔（二次清孔）。第1次清孔：鉆孔結束后稍提鉆管，離孔底10～15 cm，保持泥漿正常循環，定時空鉆，以便把孔底殘余淤泥磨成泥漿沖出。第2次清孔：第1次清孔后，提出鉆桿，測量孔深，然后移機，澆樁架就位，并抓緊時間安放鋼筋籠和混凝土導管。通過導管壓入清漿，進行第2次清孔，目的是清除在安放鋼筋籠及混凝土導管時產生的沉渣，最后要求孔底沉渣厚度小于10 cm。第1、2次清孔后，均由專人測量孔深及孔底沉渣。

5）清孔過程中設專人撈渣，換漿時廢漿要及時運走，并及時補給足夠的泥漿，保持漿面穩定。清孔分2次進行。第1次清孔在成孔完畢后，立即進行；第2次在下放鋼筋籠和灌注混凝土導管安裝完畢后進行。清孔時鉆頭先稍作提升，通過循環排除孔底沉淤，與此同時，不斷注入潔凈的泥漿水，用以降低樁孔泥漿水中的泥砂含量。清孔過程中應測定沉漿指標，清孔后的泥漿密度應少于1.15。清孔結束后應測定孔底沉淤，孔底沉淤厚度應少于100 mm。2次清孔結束后孔內應保持水頭高度，并應在30 min內灌注混凝土，若超過30 min，灌注混凝土前應重新測定孔底沉淤厚度。

3.3 基礎托換技術

本工程為老建筑改建施工，所有的基礎施工是基于對老建筑改建的整體加固，工程人員采取基礎托換的手段來進行改建加固。本項目外墻托換使用基礎加固梁以及鉆孔灌注樁加固。通過相應技術，解決了基礎梁分段施工、新老基礎沖突處理、外墻基礎梁施工對周邊環境的保護等一系列施工難題（圖3）。基礎施工總流程為：地板面層破除—樁基施工—土方開挖—墊層施工—夾墻梁施工—基礎梁施工。

圖3 基礎托換示意

4 結語

通過因地制宜地采用新技術，經過精心修繕改造，工程人員完成了中央商場的蛻變，在保持它最初古樸、優雅、精美的外觀面貌的同時，成功對其進行整體功能性改造，讓這座老上海的城市地標煥發出新的活力，真正成為集高端商業、金融辦公為一體的多元復合活力街區。

既有建筑改造的每一個案例都有獨特性，在城市更新改造過程中，工程人員于困難中升智慧，不斷創新工程技術水平，堅持尊重歷史，還原真實的歷史建筑和故事，創造宜居空間、延續城市文脈與基因。順應時代的要求，打造了現代化的城市精神。