復(fù)雜工況下的保留建筑平移、旋轉(zhuǎn)與頂升施工技術(shù)

楊風(fēng)慶

前海不動(dòng)產(chǎn)上海公司 上海 200085

1 工程概況

上海四川北路街道HK172-13號(hào)地塊項(xiàng)目位于上海市虹口區(qū)，北至衡水路，西毗乍浦路，南接虹口SOHO辦公樓及振華公館，東鄰申貝大廈（圖1）。工程總用地面積4 570 m2，總建筑面積31 480 m2，地上建筑面積18 480 m2，地下建筑面積13 000 m2，地上18層，地下4層。場(chǎng)地內(nèi)有1棟建于1920年的保留建筑，至今已有近百年的歷史，該百年建筑是一幢獨(dú)棟3層磚木結(jié)構(gòu)老式花園住宅，且具有徳式特征的外廊式建筑。經(jīng)過近百年歲月滄桑，建筑原貌已難以辨別，主要特征體現(xiàn)在折坡式屋面、清水紅磚外墻配以磚雕花飾、立面連續(xù)券柱式外廊等。房屋原有建筑面積為587 m2，加建部分建筑面積為109 m2，房屋平面形式近似呈矩形，房屋南北方向總寬13.60 m，東西方向總長(zhǎng)12.80 m，房屋總高約14.71 m。

2 平移工程總體流程

2.1 施工順序

本項(xiàng)目地下4層，平均開挖深度20 m，保留建筑移位使得項(xiàng)目施工工況及工序復(fù)雜（圖2）。項(xiàng)目分A、B共2個(gè)基坑，先行施工B坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及保留建筑下地下室頂板施工；將保留建筑通過平移、旋轉(zhuǎn)、頂升再平移之后移位至B坑新建地下室頂板上；接著施工A坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及保留建筑下樁基；依次進(jìn)行A坑地下室順作施工及B坑地下室蓋挖施工；最后拆除分隔墻，將地下室連通。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 施工工況平面示意

B坑地下室開挖過程中，保留建筑在B坑首層頂板上，B坑頂板下為蓋挖施工，此施工工況及工藝較為特殊，對(duì)保留建筑的保護(hù)要求較高，同時(shí)地下室開挖難度較大。

2.2 平移施工工序及平移路線

1）原附屬結(jié)構(gòu)拆除。

2）房屋臨時(shí)加固。保留建筑臨時(shí)加固內(nèi)容為：原結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)、無(wú)支撐墻體設(shè)置臨時(shí)支撐、采用鋼筋網(wǎng)抹灰加固墻體、對(duì)門窗洞口采用砌塊封堵、縱橫向墻體外側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)的槽鋼進(jìn)行拉接固定。

3）下托盤梁、上托盤梁、摩擦面設(shè)計(jì)及PLC液壓控制系統(tǒng)確定。

4）平移路線確定。此次平移首先整體向西南平移18 m，順時(shí)針轉(zhuǎn)身89.6°，頂升0.5 m，最后向西南平移28.45 m，最后向東南平移6.872 m，是目前上海老建筑平移工程中移位路線最復(fù)雜的工程之一。

3 平移施工技術(shù)難點(diǎn)

1）平移施工路線復(fù)雜，技術(shù)難度高。

① 本工程需平移、旋轉(zhuǎn)、頂升、再平移等多種建筑移位工序，平移線路復(fù)雜，施工技術(shù)難度大。

② 平移過程中的結(jié)構(gòu)安全與平移安全，下托盤梁、上托盤梁的安全性施工及設(shè)計(jì)要求高。

③ 保留建筑在移位過程中，平移（2個(gè)方向）、旋轉(zhuǎn)、頂升各移位技術(shù)綜合使用，摩擦面材料選擇要求高，既要保證啟動(dòng)時(shí)摩擦因數(shù)，又要保證滑腳與鋼板之間不發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，摩擦面材料選擇難度大。

2）液壓系統(tǒng)控制難度高。由于本項(xiàng)目的平移過程需經(jīng)歷平移、旋轉(zhuǎn)及頂升，各施工工藝對(duì)液壓控制系統(tǒng)的同步性要求極高，位移與力的控制要求高。

3）旋轉(zhuǎn)角度大，施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大。旋轉(zhuǎn)過程中的建筑物受力狀況與平移和頂升過程相比，受力復(fù)雜、難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，在旋轉(zhuǎn)過程中隱藏的安全隱患和不確定因素也較多[1]。本工程需將建筑物順時(shí)針旋轉(zhuǎn)89.6°，旋轉(zhuǎn)是整個(gè)移位過程中最難的施工內(nèi)容。由于旋轉(zhuǎn)施工過程中，結(jié)構(gòu)受力情況在不停地變化，同時(shí)旋轉(zhuǎn)有離心力，對(duì)建筑物平面位置、旋轉(zhuǎn)推力以及房屋結(jié)構(gòu)安全控制要求極高。

4 關(guān)鍵性技術(shù)措施及施工方案

4.1 平移設(shè)計(jì)

采用模擬計(jì)算對(duì)托盤結(jié)構(gòu)體系及底盤結(jié)構(gòu)體系的受力進(jìn)行分析，對(duì)摩擦面材料進(jìn)行試驗(yàn)比較，選取最優(yōu)材料。

4.1.1 托盤結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

托盤結(jié)構(gòu)體系是指移位施工中，在建筑物底部設(shè)計(jì)水平截面的上部，通過梁與加強(qiáng)支撐等結(jié)構(gòu)，形成托住上部結(jié)構(gòu)并與其一同移動(dòng)的整體結(jié)構(gòu)體系。建筑物上部荷載通過滑移裝置由托盤結(jié)構(gòu)體系傳遞至底盤體系。托盤結(jié)構(gòu)體系主要包括由夾墻梁、抬墻梁、抱柱梁、連系梁及限位梁等組成的平面梁系。建筑物平移前需將上部平移部分與基礎(chǔ)之間的連接切斷，上部荷載全部由托盤體系托起，并進(jìn)行移位。通過對(duì)每根滑道梁的荷載進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)上托盤梁，抬墻梁，既保證平移施工順利進(jìn)行又保證原結(jié)構(gòu)安全。

4.1.2 摩擦面材料的確定

由于滑腳為鋼管制作，滑移軌道鋪設(shè)厚5 mm鋼板，為減小摩擦因數(shù)保證平移安全，需在滑腳與鋼板之間設(shè)置一種摩擦面材料，該材料一面與滑腳接觸，另一面與鋼板接觸（圖3）。

圖3 托換結(jié)構(gòu)及各摩擦面剖面示意

由于2種接觸面不同，材料的選擇就至關(guān)重要，需保證該材料與滑腳和鋼板之間無(wú)相互錯(cuò)動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定，采用一種復(fù)合材料作為摩擦面使用，該材料厚度為10 mm，上半部分為厚7 mm橡膠，橡膠面與滑腳面接觸，在試驗(yàn)過程中由于結(jié)構(gòu)荷載大，橡膠層極易被壓壞，故在橡膠層內(nèi)內(nèi)填厚1 mm的鋼板；下半部分為厚4 mm的四氟乙烯板，該材料與鋼板面接觸，既減小摩擦力，又不發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)。

4.2 PLC液壓同步控制系統(tǒng)

本工程使用的液壓同步控制系統(tǒng)單個(gè)頂推油缸額定推力1 000 kN，推移行程1 200 mm，推移速度25 mm/min，同步偏差≤1 mm。

移位控制技術(shù)是建筑物整體移位工程順利實(shí)施的核心技術(shù)，除旋轉(zhuǎn)移位外，移位控制的關(guān)鍵是位移同步控制技術(shù)[2]。本工程采用1臺(tái)PLC控制的泵控同步液壓泵站，液壓泵站上有3組變頻調(diào)速油泵來驅(qū)動(dòng)2組推移缸，通過與安裝在推移缸上的位移傳感器組成閉環(huán)調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)同步推移。液壓泵站自帶控制操作面板，通過自動(dòng)按鈕或手動(dòng)按鈕控制達(dá)到同步推移。當(dāng)推移模式在自動(dòng)狀態(tài)下，按操縱臺(tái)推移按鈕，系統(tǒng)通過PLC、壓力傳感器、位移傳感器控制，來完成整個(gè)推移過程，操作簡(jiǎn)單，性能可靠。

4.3 保留建筑頂升施工

4.3.1 千斤頂?shù)倪x擇及布置位置

頂升過程中由于結(jié)構(gòu)荷載的不均勻性，每個(gè)點(diǎn)的荷載均不同，為保證頂升施工，經(jīng)過計(jì)算，合理地布置千斤頂與選擇安全系數(shù)較大的千斤頂。頂升高度500 mm，采用帶保壓環(huán)的1 000 kN液壓千斤頂進(jìn)行頂升，千斤頂直徑22 cm、高度21 cm，最大行程8 cm，約6個(gè)行程將建筑物頂升至設(shè)計(jì)高度。本工程共布置1 000 kN液壓千斤頂50臺(tái)，頂升千斤頂按照位置接近、荷載相似的原則進(jìn)行分組（圖4）。

圖4 頂升千斤頂及臨時(shí)支撐平面布置

4.3.2 設(shè)置臨時(shí)支撐

頂升過程采用鋼管混凝土墊塊作為臨時(shí)支撐，鋼管混凝土墊塊直徑25 cm，高度有5、10、20 cm共3種，小于5 cm的間隙填塞各種厚度的鋼板，直至填塞密實(shí)。頂升前統(tǒng)一調(diào)整臨時(shí)墊塊距離拖盤梁底面1 mm，液壓千斤頂頂升時(shí)，每頂升10 mm暫停一次，臨時(shí)墊塊頂面增加厚10 mm鋼板，直至一行程頂升完成，再將臨時(shí)墊塊與托盤梁底面之間空隙用薄鋼板填塞密實(shí)。然后將液壓千斤頂活塞收起，加高其下墊塊，再將建筑物頂升2 mm，落下保壓環(huán)，在保壓環(huán)保險(xiǎn)的狀態(tài)下調(diào)整臨時(shí)墊塊，將臨時(shí)墊塊統(tǒng)一調(diào)整至距離拖盤梁底面1 mm后開始下一行程的頂升，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.3.3 頂升過程同步性的控制

豎向移位過程中，應(yīng)根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)形式、整體剛度及高寬比嚴(yán)格控制各升降點(diǎn)之間的升降差。本工程施工中根據(jù)等比例控制要求采用12點(diǎn)同步控制，統(tǒng)由一臺(tái)主控制器控制，運(yùn)用變頻調(diào)速連續(xù)控制，按設(shè)定的比例控制指令同步頂升，對(duì)應(yīng)每組液壓千斤頂安裝1臺(tái)位移傳感器，通過PLC系統(tǒng)控制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的同步性，保證各點(diǎn)頂升過程中的位移差不大于1 mm。

4.4 保留建筑旋轉(zhuǎn)施工

4.4.1 千斤頂?shù)倪x擇及布置

本工程保留建筑旋轉(zhuǎn)角度為順時(shí)針89.6°，旋轉(zhuǎn)角度較大。旋轉(zhuǎn)施工過程外力施加方向需不斷變化，以保持作用力方向始終與轉(zhuǎn)動(dòng)圓弧相切[3-4]。每次位移變化后各點(diǎn)的受力大小均不同。為保證旋轉(zhuǎn)的順利進(jìn)行，通過模擬計(jì)算將旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)推力進(jìn)行計(jì)算。旋轉(zhuǎn)頂推采用1 000 kN大行程液壓千斤頂進(jìn)行，布置點(diǎn)為力偶對(duì)稱的布置各2臺(tái)（圖5、圖6）。

圖5 旋轉(zhuǎn)推力（東西向）及千斤頂平面布置

圖6 旋轉(zhuǎn)推力（南北向）及千斤頂平面布置

4.4.2 旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置

由于旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生離心力，同時(shí)建筑旋轉(zhuǎn)需要旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，故設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸（圖7）。旋轉(zhuǎn)軸是保證建筑物順利旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵裝置。旋轉(zhuǎn)軸為實(shí)心鋼柱，下部固定于筏板基礎(chǔ)，上部穿過墩臺(tái)預(yù)留孔旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)墩臺(tái)為依附于上托盤的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)軸

4.4.3 旋轉(zhuǎn)后背設(shè)置

在建筑物旋轉(zhuǎn)過程中，支撐、千斤頂與建筑物及反力后背之間夾角不斷變化。因此本工程千斤頂和拖盤梁之間、頂鐵與后背之間均采用鉸接連接，鉸接夾角不大于5°。旋轉(zhuǎn)施工中，反力后背位置需頻繁變動(dòng)。后背設(shè)置采用在平移筏板上排孔設(shè)置固定點(diǎn)，將鋼柱插入洞口，用槽鋼制作后背，一端與鋼柱連接，另一端與千斤頂連接（圖8）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)建筑旋轉(zhuǎn)施工

5 結(jié)語(yǔ)

1）本工程保留建筑平移路線復(fù)雜，其中旋轉(zhuǎn)和頂升難度最大。移位施工中通過選用先進(jìn)的摩擦面材料、合理的鉸接后背和固定旋轉(zhuǎn)軸、精確控制的PLC同步系統(tǒng)等多重有效手段[5]，成功實(shí)施了保留建筑的平移、旋轉(zhuǎn)和頂升，為今后類似移位工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2）PLC液壓同步控制系統(tǒng)作為整個(gè)平移過程中的動(dòng)力控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)建筑的平移起到了關(guān)鍵的作用，通過荷載、位移的雙重控制，自動(dòng)的液壓控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映；通過設(shè)置力的差異臨界值，位移差的臨界值，做到了對(duì)保留建筑平移過程中動(dòng)力系統(tǒng)的全控制，保證了平移的順利施工。

3）保留建筑平移到位后，經(jīng)復(fù)核，保留建筑水平位置及標(biāo)高偏差均滿足規(guī)范要求，檢查上部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的裂縫，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況正常穩(wěn)定，本次平移施工未對(duì)保留建筑結(jié)構(gòu)造成損傷。

4）保留建筑移位的成功實(shí)施對(duì)今后城市中心的項(xiàng)目開發(fā)提供了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，既保留了原建筑的歷史又不影響新建筑的建造，給今后市中心的城市開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。