内钢框架柱承台与桩基逆作法施工关键技术研究

内钢框架柱承台与桩基逆作法施工关键技术研究

叶超兵

中铁四局集团第一工程有限公司   安徽 230041

摘 要：内钢框架柱承台与桩基逆作法施工是城市老楼改造施工中的关键环节。本文结合合肥城市记忆馆（南楼）改造工程项目，详细阐述了内钢框架柱承台与桩基逆作法施工关键技术。内钢框架柱承台与桩基逆作法施工是将原砖混结构改造为内部钢框架+外围护墙的结构体系，内部钢框架采用桩基础，保留的外维护墙仍采用原有条形基础。对于内部新增的钢框架柱的桩基础采用逆作法，先施工承台，后施工锚杆静压桩，对于靠近原有墙体的桩基础，需要对原有部分墙体进行切割拆除、卸载脱换。研究成果为类似工程提供了理论依据和案例支持。

关键词：城市老楼改造；内钢框架柱承台；逆作法；锚杆静压桩

1.引言

城市中的历史建筑是社会经济文化发展的见证者，保有时代记忆，但随着城市建筑的飞速发展，特别是市中心区域，历史建筑的整体性、安全性随着时间的推移逐步降低，功能布局也难以满足相应需求，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。大多数历史建筑加固改造项目由于其改造要求、保护重点、周边环境不同而采用不同的施工方案。通常对历史建筑的改造利用更注重保留其原有历史风貌，因此改建时一般需保留原有外墙基本不变，仅进行内部结构的置换，将原有的小空间改建为大空间。由于历史建筑大多为砖混结构，通常将其改造为框架结构，并需增设框架柱的基础，在此过程中，涉及结构体系的多次转换。由于城市内的施工建设受场地狭小、周围环境复杂等因素的制约，传统的顺作法难以满足上述复杂的施工活动。因此，一项新兴的基坑施工技术—逆作法应运而生[1]。桩基逆作法首先在高层建筑中得到推广应用。龚维明等[2-3]提出了高层建筑桩基逆作法简化理论、设计计算方法并给出了高层建筑工程中应用的实例；穆保岗、程晔等[4-6]对桩基逆作法在高层建筑应用中的设计原理、沉降简化计算方法、桩基逆作法试验研究以及桩土共同作用的有限元计算等内容进行了系统的研究，取得了一些有益成果；在桥梁桩基逆作法研究方面，徐国平、过超等[7-9]以琼州海峡跨海通道工程为背景，对桥梁沉箱－桩逆作法复合基础进行了研究探索。

前人关于逆作法施工进行了认真思考，并结合具体工程案例进行了深入分析。然而，针对内钢框架柱承台与桩基逆作法施工的系统研究鲜有报道。基于此，本文结合合肥城市记忆馆（南楼）改造工程实践，详细阐述了内钢框架柱承台与桩基逆作法施工关键技术。研究成果为类似工程提供了理论依据和案例支持。

2.施工概况

2.1工程概况

合肥城市记忆馆（南楼）改造工程位于合肥市庐阳区淮河路256号，为原合肥市市政府办公楼，原大楼建造时间为1956年，设计单位不详，仿苏式建筑，合肥市首批历史建筑。1984年由合肥市建筑工程设计师对原市政府办公大楼重新进行外装饰设计，并在东西两端原四层加至五层，局部进行加固设计。该楼为多层砌体结构，共5层（局部6层），主体高度18.90m，基础为条形基础，墙体厚为490mm和240mm，墙体材料为烧结普通砖，楼板为现浇楼板，室内外高差0.9m，首层层高4.0m，二～五层层高3.5m，局部六层层高3.2m。

由于该建筑为历史建筑，需要保留外墙的原有面貌和尺寸，改造后使用功能为城市记忆馆，内部需要大空间，原砌体结构的小开间已能不满足要求。为保留历史原貌和内部空间灵活利用，需要对建筑的结构形式进行改造加固，将原砖混结构改造为内部钢框架+外围护墙的结构体系，内部钢框架采用桩基础，保留的外维护墙仍采用原有条形基础。桩基础采用逆作法，先施工承台，后施工锚杆静压桩，对于靠近原有墙体的桩基础，需要对原有部分墙体进行切割拆除、卸载脱换。

由于该建筑在改造过程中周边环境复杂，施工难度大，工期紧，项目借鉴新建结构的桩基逆作法，研发出了一套进行历史建筑改造加固时新增内钢框架柱的承台与桩基逆作法施工流程。

2.2施工工艺原理

合肥城市记忆馆（南楼）改造工程为保留历史原貌和内部空间灵活利用，需要对建筑的结构形式进行改造加固，将原砖混结构改造为内部钢框架+外围护墙的结构体系，新增的内部钢框架采用桩基础，保留的外维护墙仍采用原有条形基础。对于内部新增的钢框架柱的桩基础采用逆作法，先施工承台，后施工锚杆静压桩，对于靠近原有墙体的桩基础，需要对原有部分墙体进行切割拆除、卸载脱换，施工流程图见图1所示。

图1历史建筑新增内钢框架柱承台与桩基逆作法施工流程图

3.内钢框架柱承台与桩基逆作法施工关键技术

3.1墙体基础托换

对于靠近墙体的新增内钢框架柱桩基础，为满足桩基承台和承台上杯口基础的施工需要，需要对墙体部分区域进行墙体基础托换。

1.桩基承台区域外墙第一次墙体基础托换

桩基承台区域外墙第一次墙体基础托换施工流程如下，见图2所示：

（1）根据设计图纸确定墙体切割区域，按照200mm与300mm相间距离进行静力开孔；

（2）采用静力切割方式对部分墙体进行切割拆除；

（3）采用自锁式机械千斤顶对切割后墙体进行卸载托换，自锁式千斤顶数量根据托换范围内上部墙体自重和千斤顶承载力通过计算确定，并采用监测系统对托换墙体的垂直位移进行实时监测，千斤顶托换力值根据现场实时监测结果进行实时调控，保证整体结构安全；

（4）重复(2)~(3)步，直至完成承台区域墙体的托换施工；

（5）采用静力切割方式对承台区域范围内，墙体托换完成后剩余墙体进行切割拆除。

图2桩基承台区域内外墙第一次墙体基础托换施工

2．杯口基础区域外墙第二次墙体基础托换

杯口基础区域外墙第二次墙体基础托换施工流程如下，见图3所示：

（1）根据设计图纸确定外墙切割区域，按照200mm与300mm相间距离进行静力开孔；

（2）采用静力切割方式对部分墙体进行切割拆除；

（3）采用自锁式机械千斤顶对切割后墙体进行卸载托换，自锁式千斤顶数量根据托换范围内上部墙体自重和千斤顶承载力通过计算确定，并采用监测系统对托换墙体的垂直位移进行实时监测，千斤顶托换力值根据现场实时监测结果进行实时调控，保证整体结构安全；

（4）重复(2)~(3)步，直至完成杯口基础区域墙体的托换施工；

（5）采用静力切割方式对杯口基础区域范围内，墙体托换完成后剩余墙体进行切割拆除。

图3杯口基础区域外墙第二次墙体基础托换施工

3.2桩基承台

1. 施工工艺

测量放线→承台区域内外墙墙体基础托换→基坑与基槽开挖→浇筑素混凝土垫层→钢筋制作安装→防雷接地→模板工程→浇筑混凝土→养护及拆模。

2.关键控制点

（1）开挖施工前，根据主轴线及承台尺寸，用经纬仪和钢卷尺在原地面上测放出承台位置，并采用白灰进行标识。

（2）基坑采用人工开挖，分层开挖至承台底标高，保证基底不被扰动。开挖的土料堆放在基坑边缘2m以外。基础混凝土施工前，组织相关单位人员进行验槽。

（3）验槽结束后，浇筑10cm厚C15垫层混凝土，长宽尺寸为承台设计边线外10cm；垫层混凝土侧模采用3×8cm方木，外侧垂直插入钢筋头固定。垫层混凝土采用平板振捣器振捣，刮抹整平，表面采用木抹人工压抹平整.

（4）垫层混凝土凝固后，进行测量放线，定出模板位置及钢筋位置，按照测量放线的位置进行承台的钢筋绑扎。

（5）承台底部钢筋绑扎完成后进行防雷接地钢筋安装。防雷接地连接钢筋直径要大于或等于16mm，根据设计图纸的具体要求进行布设。

（6）模板工程在钢筋骨架绑扎完毕后进行。模板主要采用12mm厚竹胶板模板。承台模板后按20cm间距竖向布设3×8cm次棱方木，方木外按60cm排距设水平双钢管围柃，内侧通过Ф16对拉或斜拉连接。

（7）杯口模板的上、下口尺寸要按设计要求确定。杯口模板高度应比柱子插入杯口深度大20～30mm，以便安装柱子时调整柱底标高。为防止带底板的杯口模板在浇筑混凝土是上浮，应在杯口内用重物压住并将杯口模板固定好。

（8）在混凝土浇筑完成初凝后，在混凝土表面铺设一层塑料薄膜进行洒水保湿，洒水养护保证混凝土表面经常处于湿润状态为准，养护时间不少于28天。

3.3引孔

1.施工工艺

放线验线→定位→钻注浆孔→注入快速凝固水泥浆→固化→引孔机固定→引孔→桩孔边缘清理→桩孔验收

2.施工要点

（1）采用小的钻机在预留桩孔下的3米填土内钻一个Φ40的孔，将孔内的芯土取出。

（2）采用压密注浆工艺在3米填土内注入快速凝固水泥浆液。

（3）待快速凝固水泥浆液固化后，安装引孔机械，应保证引孔机械的垂直度。

（4）采用喜利得引孔机，在压桩孔下的固化的杂填土内钻出一个直径300的孔，并将影响压桩的碎石块取出。钻孔时要保证孔的垂直度和孔的直径，并确保钻透，满足后期压桩要求。

3.4锚杆静压桩

1.施工工艺

定位放线→清理桩孔→桩机就位→吊桩插桩→桩身对中调直→压桩→接桩→再静压沉桩→送桩，见图4：

图4  锚杆静压桩施工流程

2.施工要点

（1）压桩施工前应对现场的土层地质情况了解清楚，同时应做好设备的检查工作，保证使用可靠。

（2）压桩架要保持垂直，应均衡拧紧锚固螺栓的螺帽，桩段就位必须保持垂直，使千斤顶与桩轴线保持在同一垂直线上，在压桩施工过程中，应随时保持轴心受压，若有偏移要及时调整。

（3）压桩时采用电动千斤顶。压桩施工应对称进行，防止基础受力不平衡；压桩时必须使千斤顶与桩段轴线保持垂直，千斤顶与桩顶间应设置钢板垫块。

（4）桩截面219×10钢管桩，桩段长度为1.5-2.0m（可根据操作空间进行调节），桩接头采用焊接接桩，对接焊缝应满足2级焊缝要求，施焊前必须清除桩端部污渍，焊条应烘干后再用；上下接桩时必须使上下桩面对齐，防止桩面错位。

（5）接桩时，应保证上、下节桩的轴线一致，并尽可能地缩短接桩时间，要求准备工作充分，工序配合紧密；接桩时应将上、下节对准，保证接头接触面受力均匀。

（6）压桩时不宜中途停歇，否则会因间歇时间过长使压桩阻力增大，难以施工，压桩力达到设计的最终压桩力。

（7）压桩施工的标准以压桩力控制为主，桩长控制为辅的原则。

（8）利用送桩器将桩送入设计标高，如果送桩压力过大，可将多余的桩割除。

（9）按设计要求，钢管桩内灌注C35混凝土。

3.5封桩

锚杆静压桩施工结束，上部结构还未施工。封桩压力时，如果压力过大，势必造成支撑在承台上部的墙体开裂。如果压力过小，后期荷载加上后，会产生一定的沉降。为此本工程在上部结构施工期间采取临时封桩措施，封桩压力根据上部结构施工情况进行调整，保证临时封桩压力等于上部结构荷载，等上部结构施工结束后，最终封桩。

1.施工工艺

压桩孔清理→桩口倒喇叭口界面处理→封桩反力架及千斤顶安装→封桩加载→临时封桩→调整封桩压力→待上部结构施工完成→浇筑KL-80高强材料→封桩反力架及千斤顶拆除→桩顶交叉钢筋焊接→支模浇筑桩顶混凝土保护

2.施工要点

（1）压桩孔清理：将压装孔内杂物、泥土、原桩孔内模板清理干净。

（2）桩口倒喇叭口界面处理：为保证封桩混凝土与原承台连接面的抗冲切效果，对桩孔倒喇叭口进行界面处理。

（3）封桩反力架及千斤顶安装：界面处理完成后，将洞口清理干净后，在原压桩预埋螺杆上采用连接器安装封桩小型压桩反力架，并在钢管桩上设置封桩钢管，封桩钢管上部设置封桩钢梁，在封桩钢管与反力架间设置千斤顶。

（4）临时封桩：通过调整千斤顶的的压力，将上部结构钢柱的荷载过渡到桩上，保证柱传递下来的上部荷载全部由桩承担；力值通过布置在钢桩上的振弦应变计的数值变化计算确定，力值施加时保证布置在钢柱上的垂直位移不发生变化；根据上部楼层施工情况，及时调整封桩压力，见图5 所示。

图5压力封桩示意图

（5）结构封桩：在上部结构施工完成后，调整封桩压力至设计值，对封桩洞口浇水进行湿润，然后采用KL-80高强无收缩材料进行封桩浇筑，浇筑面低于承台顶部150mm。

（6）桩帽梁浇筑：待封桩混凝土强度满足设计要求后，拆除封桩反力架和千斤顶，将压装锚杆表面浮灰与杂质清理干净，焊接封桩钢筋，钢筋焊接完成后在封桩钢筋区域支模浇筑混凝土进行保护。

4.结论

该内钢框架柱承台与桩基逆作法施工工艺包括墙体基础托换、桩基承台、引孔、锚杆静压桩、封桩等施工流程和方法，填补了这一领域的空白，整个施工工艺应用于合肥市城市记忆馆项目，取得了良好的效果。

参考文献

[1] 胡德生. 软土地区高层建筑全逆作施工技术研究[D]. 同济大学, 2008.

[2]龚维明,邹小平 ．桩土共同作用设计与逆作法施工［J］．工业建筑，1995,(3):12-14+53.

[3]龚维明,蒋永生，施明征，吴志斌 ．高层建筑桩基逆作法应用研究［J］．建筑结构学报, 2000,(3):69-76.

[4]穆保岗,施明征，龚维明，蒋永生 ．桩基逆作法在高层建筑中的应用［J］．东南大学学报：自然科学版,2000,(1):95-100.

[5]穆保岗 ．桩基逆作法在高层建筑中的应用研究［D］．南京：东南大学,2001．

[6]程晔，于宁庆，龚维明 ．桩土共同作用设计与逆作法施工［J］．江苏建筑,2001,(3):33-35.

[7]徐国平，龚维明，付佰勇，等 ．桩基逆作法在桥梁深水基础中的应用［J］．公路,2009,(10):6-11.

[8]过超，龚维明，徐国平，等 ．逆作复合桩基承载性能试验研究［J］．岩土工程学报,2010,32(6):843-849.

[9]过超，付佰勇，龚维明 ．粉质黏土中沉箱－桩复合基础水平向承载性能试验研究［J］．岩土力学,2016,(增1)：350-358.

作者简介：叶超兵（1990—），男，安徽池州，2013年毕业于安徽建筑大学，安全工程专业，本科，工程师，现从事施工项目安全质量管理工作。联系电话：15209879927 E-mail：1035032754@qq.com。