《建(构)筑物托换技术规程》(T/CECS 295-2023)实施应用(一)

文摘   2024-08-31 18:55   北京  

为配合中国工程院“实施《国家标准化发展纲要》若干重大问题研究”项目的调研,协会发出了《关于征集协会标准实施应用案例的紧急通知》(建标协函〔2024〕47号)。地基基础专业委员会和有关单位积极响应,迅速组织总结编写工作,并及时报送。协会将从数百份案例中精选了技术水平高、创新性强,并在科技创新、成果转化、引领行业发展等方面具有显著效益的代表性标准,汇编成《中国工程建设标准化协会标准实施应用案例》,呈送相关调研组。

为了促进标准的应用,地基基础专业委员也将在公众号中陆续刊载主编单位撰写的实施应用稿件。

一、标准编制背景

(一)编制背景

托换技术即为上托下换,有临时的上托下换,也有永久的上托下换。其起源可追溯到古代。在古代许多大型建筑物地基和基础存在很多问题,但由于当时缺乏对托换技术的一般认识,因而没有做好改造、加固及托换等保护性工作,因此许多建造在中世纪的如英国的Ely和法国的 Beauvais大教堂等均已倒塌。国外最早的大型基础托换工程之一是英国的 Winchester大教堂,该教堂已持续下沉了900年之久,在20世纪初由一位潜水工在水下挖坑,穿越泥炭和粉土到达砾石层,并用混凝土包填实而进行托换,使其完好至今。该教堂至今还有纪念托换工程成功的纪念碑。因此托换技术既是古老技术,而今又是不断发展的新技术。

新的托换技术是上世纪20世纪30年代兴建美国纽约市的地下铁道时开始迅速发展起来。近百年来,世界上大型和深埋的结构物以及地下铁道的大量施工,尤其是古建筑的基础加固托换数量繁多,有时对既有建筑物还需要进行改建、加层或加大使用荷载。这类工程都需要采用托换技术,随着当前世界各国托换加固的工程数量日益增多,托换技术也有了飞跃的发展。尤其是德国在第二次世界大战后,在许多城市的扩建和改进过程中,特别是在修建地下铁道工程中,大量地采用了综合托换技术,积累了丰富的经验,取得了显著的成绩,并已将托换技术编入了德国工业标准(DIN)。我国的托换技术虽然起步较晚,但由于现阶段我国大规模建设事业的发展,其数量与规模在不断地增长,托换技术正处于蓬勃发展的时期。并且因为现代城市建(构)筑物的体量大,对沉降、变形等控制要求严格,单一的托换施工技术已经不能满足要求,这也促使托换技术趋向大型化和综合性方面发展。

在穿越既有轨道线路的新建结构开挖时,无论是上跨还是下穿,都会对既有线结构产生一些不可避免的影响,这些影响主要是既有结构的沉降、变形,在既有轨道线上即为轨道标高与轨距的变化。新建结构开挖施工时需要保证既有线路行车不得中断,这就对既有结构的沉降与变形提出了较高的要求。为了防止既有结构的沉降变形超限,影响既有线行车安全,需要在新建结构施工的各个阶段采取相应的措施,当既有线结构沉降变形超限时及时消除这些沉降变形的影响。这是传统的托换技术无法解决的,需要将建筑物顶升与纠偏施工的一些措施与托换技术综合到一起,共同作用,达到实时微沉降变形调整的目的。

在1882年Ha-dell Stock总结了当时前人所做的一些工作,得出了富有哲理性的也是现在托换技术仍引用的名言,即 “实践是获得托换经验和理论的唯一途径”。经过几十年来的发展,我国的托换技术已经由结构工程、岩土工程、材料工程和施工技术等相互交叉而形成为一项综合技术。由于托换技术施工,一般都有既有建筑物的存在,而且又不能影响周围建筑物的正常使用。因此在托换技术施工中,支撑承受荷载大,要求变形控制极为严格。托换施工难度、风险等都比一般的土木工程要大得多。当地下隧道(或地下铁道)必须穿越既有桥梁、建筑物桩基础时,传统的施工方法所需施工工期长,造价高,风险大,带来的交通压力等社会问题较大,而地基加固和托换技术的优点显而易见,节约工期、降低造价、降低风险等。

当前国内外的城市向大型化和现代化方向发展,大量高层建筑的兴建,城市人口的高度集中,对交通、环境、商业及其他生活设施的修建,提出了更高的要求。市区地面空间已越来越拥挤,唯一的出路是向地下发展,各种地下设施将越来越多。建造地下铁道、商场和其他地下设施,往往要穿越部分高层建筑或有重要历史意义的建筑物,加之古建筑所需托换的数量繁多,这就需要对原有建筑的基础进行托换加固处理;原有建筑物需进行改建、加层或加大使用荷载,也都需要采用托换技术,所以托换工程技术正趋向大型化和综合性方向发展。


(二)编制目的和意义

托换技术是根据结构特征和工程目标的要求,通过调整结构体系,采用可靠结构措施,增减结构构件,施加支顶施力设备,改变传力路径,改善、调整结构承载能力,达到结构改造加固目的技术。在工程行业中通过托换技术和手段达到结构改造加固目的。托换技术应用范围可概况为以下:

1.地下铁道、隧道与地下工程修建时,对地面建筑物的保护加固;

2.江、河、湖泊上桥梁的抬升,增加桥下通航净空;

3.城市地面下沉引发建筑物下沉、倾斜需纠倾加固;

4.矿区、城市既有旧巷道下沉地下喀斯特岩溶土洞和人防工程引发建筑物病害的加固处理;

5.地震、洪水、冰冻、火灾、滑坡、泥石流灾害引发受损建筑物灾损处理;

6.古建筑物和文物的抢救、加固、移位和纠倾;

7.建(构)筑物改扩建或增层改造换技术,如托梁拔柱引起的托换;

8.地下商场、仓库、地下室改造、新建或加固处理;

9.军事工程的特殊要求处理;

10.其他特殊工程的改造、加固处理,如某层水平或竖向构件质量不合格需临时托换后进行置换。

《建(构)筑物托换技术规程》(以下简称《规程》)自2011年9月1日(CECS 295:2011)颁布实施以来,已在工程上使用了近十年,成果丰硕。近年来,随着科技技术的不断进步,该技术在工程上也随之不断改进和创新,其应用领域也随之不断的扩大。以该技术为基础的新方法新技术在工程上得到了更加广泛的应用。

目前现有地方与行业规范只针对设计过程或施工过程中的关键指标参数做出规定与要求,缺乏系统的阐述包括勘察、设计、施工、质量检测在内的建(构)筑物托换技术的专有团体标准,尤其是近年来发展的既有建筑物的改扩建工程、古建筑的保护项目、桥梁工程、隧道工程等的托换设计、施工等技术也缺乏规范的规定与指导。

本规程适用于在桥梁托换工程、隧道穿越工程、建(构)筑物加固改造、灾损等工程中的托换技术设计、施工、检测及验收。目标用户为既有建筑、桥涵、隧道建设有关的新建或改扩建投资建设单位、勘察设计单位、施工监理等相关单位,可用于各类特种工程中地基基础工程。


二、编制单位、编制人员标准技术内容

   本节请见公众号之前发布的内容。

2023年三季度中国工程建设标准化协会地基专委会分管的颁布标准汇总及简介



三、标准创新性

本规程主要对建(构)筑物托换技术进行总结,对托换技术的应用领域进行了系统总结,主要在以下三个方面进行了规定:

    1.托换技术在建筑领域的应用

本领域涉及到既有建筑的改造加固,特别是目前城市更新中面对的既有建筑移位、纠倾和改造加固中的应用,托换技术将发挥更大的作用。

    2.城市隧道穿越领域

本领域主要针对城市地下铁道建设中不可避免地涉及到既有建筑和市政设施,如何保护好周围建构筑物但安全正常使用,又能保证地铁正常施工,是工程技术人员必须面对和解决关键问题。

    3.桥梁托换

本领域主要针对城市桥梁保护中所遇到的托换技术,对城市中的桥梁改造、维护等设计的托换技术进行了详细规定。

对以上三大领域进行了系统分类总结,并对这三大领域中所用到的托换技术设计、施工和质量控制进行了明确规定。特别在移位设备包括动力源(液压泵站)、执行机构(千斤顶)、支撑和连接系统、液压泵控制系统和移位监测系统等部分在既有建筑改造方面应用进行了大量工程应用和实践。


四、标准实施效果

(一)应用推广情况

    托换技术规程参编单位完成的一些工程实例见表2。
托换工程实例汇总

以下对本规程参编单位完成的几个典型工程案例详细介绍。


工程实例1:天津泰安道三号院托换工程

1.1 工程概况

天津市泰安道三号院位于和平区泰安道、烟台道和大沽北路中间区域,现存花园大楼、原美国兵营大楼两栋民国建筑,现分别为经济委员会办公楼和农业生产资料有限公司办公楼。因建成年代久远,两栋楼房结构老化,且规划地铁4号线将在该区域穿过见图1,可能影响楼房安全,因此两栋楼房需要进行改造加固。

改造要求是当地铁隧道盾构施工隆起10mm或沉降30mm时上部结构不发生结构破坏。

1 地铁穿越影响范围相对位置图


1.2 原花园大楼托换改造方案

1.2.1 花园大楼结构现状

    1.外观与结构概况

   花园大楼落于天津市和平区大沽北路194号,建于上世纪三十年代,为天津市风貌建筑。该建筑总建筑面积约为9148.6m2。室内外高差为0.50m,首层层高为4.50m,二层至四层层高为3.80m,五层层高为3.60m,建筑物总高为19.50m,见图2。该建筑原作为办公室使用,改造施工结束后作为住宅式公寓使用。

2 花园大楼正立面现状

 花园大楼主体为五层砖混结构房屋,建筑平面呈“L”型,宽肢部位为内框架结构,窄肢部位为砖混结构。墙体采用粘土砖、混合砂浆砌筑,楼板采用密肋空心砖楼板。

 经现场查勘,未发现该建筑墙体出现风化、碱蚀、开裂等明显破坏现象,未发现混凝土结构构件变形、开裂等明显破坏现象。在经历1976年唐山地震后,该建筑整体性仍保持基本完好,目前仍正常使用。但结构布置、抗侧力系统布置不合理,传力路线不当,虽进行简单加固,仍无法满足现行国家设计规范的要求。

 经查阅图纸,该建筑在1978年曾进行加固设计,在该建筑四角及大开间横纵墙交接处增设构造柱,对天井处墙体进行过挂钢筋网抹灰处理。经现场查勘,该建筑天井处墙面设有钢筋网,未发现增设有构造柱、圈梁等抗震构造措施。

    2.平面布局

该建筑平面呈“L”型,建筑物平面尺寸为29.76m×19.48m+57.76m×21.64m;两肢中部二至五层设有一处内天井,尺寸分别为15952mm×4603mm(下)、11835mm×4852mm(上),两肢交接处设有一部电梯,电梯墙体为砖砌墙体。平面结构图详见图3。

    3.地基与基础情况

经查勘,未发现该建筑主体部分存在因地基不均匀沉降而引起上部结构开裂现象。经现场开挖勘测,检测点1处(建筑西侧)基础埋深为1450mm(自室外地坪),基础外挑净宽度为700mm。检测点2处(建筑南侧),基础埋深为960mm,基础外挑净宽度为800mm。

    4.构件尺寸

经查勘,该建筑首层及二层墙厚为500mm,部分内承重墙墙厚为370mm;三层、四层及五层墙厚为370mm,部分四层及五层内承重墙墙厚为240mm。

经检测三楼(②~④轴×A~B轴)处楼板,楼板采用密肋空心砖,肋宽为65mm,肋净间距为250mm,肋净高为150mm,肋间板厚为70mm。


3 首层平面图


1.2.2 改造要求

 天津地下铁道集团总工程师室2010年12月24日出台的(2010)第16号文件提出的技术要求包括以下几个方面:

 1.先对两座房屋需进行全面的永久性加固处理,处理完成后的两座房屋在刚度上应满足盾构施工期间地表沉降30mm,隆起10mm的要求。

 2.建筑桩基等任何建筑构件都要避开盾构穿越范围,盾构穿越深度范围为大沽高程-0.35m~-24.35m。

 3.基坑、建筑桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建设活动范对地铁的综合影响限度必须满足:

 (1)外部荷载引起地铁结构产生绝对沉降量和水平位移量不大于20mm;

 (2)由建筑物竖向荷载及降水、注浆等施工因素而引起的外壁附加水平荷载不大于20kPa。

 除此之外,业主提出提高建筑物抗震性能的附加要求。


1.2.3 工程技术难点和特点

本工程在加固处理上有如下难点:

1.该建筑结构复杂,主体为砌体结构,存在部分柱与梁,内部墙体繁多,含天井,对抗震加固非常不利;

2.建筑物构件历经八十多年,结构强度低,整体性差;尽管中间有过一次加固处理,但依旧对承载能力与抵抗变形很不利;

3.由于在加固处理后,盾构施工具体时间未定,所以现在的加固处理还需考虑后期抵抗变形能力;

4.房屋年代久远,原始资料不全,考证困难,进场后需详细调查;

5.房屋平面不规则,对抗震不利;

6.基础埋深较浅,在保护外观条件下托换结构尺寸受到限制,托换施工困难;

7.地铁穿越范围在建筑物一侧,施工时导致地基受力严重不均匀,且地铁穿越范围不能采用打桩类复合地基。

1.2.4 改造方案
托换改造方案目标是满足当建筑物的一部分地下修建地铁时基础沉降3厘米或隆起1厘米的施工条件,结构不发生破坏。

由于现有地基承载力满足要求,因此无需进行地基加固。仅增大上部结构刚度,同时考虑地基沉降变形时增强房屋的耐变形能力即可。

改造方案为:在承重墙下均设单托换梁,由托换梁将所有的承重墙联系起来,并且将室内的板和托换梁浇筑在一起,以此防止房屋出现倾斜和裂缝等问题。在托换梁下部设若干支座,支座放在基础上部混凝土凹槽内,凹槽内填满细沙。当基础出现沉降或者隆起时,通过沙的自我压缩与自我回填,调节内力与变形。参见图4。

该方案工作原理为:当地铁施工引起地面隆起时,隆起部位支座受力增大,锥形柱将挤压下部砂层产生竖向变形,使得上部结构的竖向位移远小于隆起变形。当地面沉降时,基础随地基下沉,首层梁板构造刚度发挥作用,基础与支座之间的压力减小,可能出现缝隙,细沙自动向下流动填补缝隙,同时相邻支座压力增大,产生压缩变形,以此达到调节上部结构变形的目的。

方案优点:为墙下单梁托换体系,传力简单明确,节省建筑材料,施工方便。
托换改造构造



撰稿:刘丽(北京交通大学

校审:王涛

编辑:孙辅南、沙安


建研院地基基础研究所 CABR DJS
中国建筑科学研究院地基基础研究所成立于1953年。主要面向全国工程建设和城镇建设中的各类岩土工程,致力于解决工程中的关键技术问题,负责编制与管理主要的地基基础工程技术标准与规范,开展基础工程专业领域所需的共性、基础性、公益性技术研究。
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