多层民用建筑稳沉阶段加固与纠偏技术研究

李永超，杨传金，佟化洲，魏鼎峰，邓 芃

（1.山东省岱庄生建煤矿，山东 济宁 277600；2.山东省七五生建煤矿综采工区，山东 济宁 277600；3.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）

济宁市微山县所辖区域的煤炭资源丰富，然而“三下”（建筑物下、铁路下以及水体下）占用了大量的煤炭资源，尤其以乡镇多层民用建筑物下压煤比例最大。为避免采煤对民用建筑造成过大的影响，采煤区域受到显著的限制，但由于煤炭资源逐步减少，对“三下”的煤炭资源，尤其是临近多层民用建筑地下的资源，煤炭的开采工作几乎是每天都在进行的。这种采煤活动对建筑的影响非常显著，必然导致建筑物出现危及结构安全的裂缝、房屋整体倾斜超限，甚至出现房屋倒塌等安全事故。因此，有必要对这类建筑物的损坏情况进行预测，并预先采取安全措施以避免建筑物出现严重的损坏，避免结构出现安全问题，从而减少后期加固和维修的费用。

山东科技大学对岱庄矿采煤所引起的地表变形进行系统的分析，预测岱庄矿区内有两栋建筑所在区域将出现最大约1.0m的沉降，伴随不均匀沉降，如图1所示。预计建筑倾斜角度达到7‰，这远远超过3‰的限值[1]。因此，有必要对两栋建筑的安全性进行评估，并提出解决措施。

图1 建筑所处

1 工程概况

在闫楼管区的协助下，山东省岱庄生建煤矿及山东科技大学对其中的商业楼两栋楼房进行了勘测。情况如下：（1）商业楼为2层的单跨钢筋混凝土框架结构，柱截面为350mm×350mm，房屋进深约为8m，梁高度约为900mm；基础采用独立基础；完工约有半年左右，因发现结构倾斜较大，暂停使用。（2）目测商业楼的倾斜角度非常显著，立面呈明显的弓形，根据工程经验，倾斜已经超过4‰。钢筋混凝土构件未发现明显的裂缝，填充墙也未见裂缝。

和业主以及岱庄煤矿技术部门的负责人进行了咨询，得出如下结论：（1）周边地区因历史原因，持续存在沉降问题。此前问题并不严重，但近两个月地表和房屋的变形显著增大。煤矿的技术负责人解释为因生产周期的影响，该地区巷道的挖掘工作2个月前已经完成，由此导致两栋多层民用建筑发生显著的变形。（2）房屋的倾斜角度已经超过规范的限值，如等到该地区稳沉以后再进行纠偏，房屋的倾斜角将超过10‰，房屋的安全问题非常严重。因此，应首先测量房屋的倾斜情况，并制定稳沉期间防区的安全保障方案，并尽可能控制施工费用、减小后期维修费用。

为此，山东科技大学对商业楼的倾斜情况进行了初步测量，商业楼建筑面积为345m2，总高度为7.0m，房屋纵向倾斜7.1‰，即顶部侧向倾斜达50mm；进深方向未见倾斜。

2 方案对比

由测量数据以及现场调查情况可知，商业楼的倾斜是近期巷道掘进所致，然而根据对该区域的地表变形预测，该场地的倾斜为7‰，而此时该建筑的倾斜已经达到该数值，这说明对地表变形的预测并不准确。和岱庄煤矿的技术人员交流可知，采煤会加剧该区域地表的倾斜。根据当前地表倾斜情况，最终倾斜将导致房屋的倾斜达到15‰左右。对此，根据岱庄煤矿所具备的施工能力，山东科技大学提出三种方案进行讨论。

2.1 注浆顶升方案

压密注浆法是通过钻孔将浆液挤入土体，注浆处的浆体对周围土体产生压缩作用，较近区域产生塑性变形、较远区的土体产生弹性变形，在增加土体密度的同时，将产生较大的上抬力，这种挤密作用和上抬力对地基加固和基础抬升非常有效[2-3]。通过控制注浆位置和注浆量，并配合对建筑变形的监测，可对沉降较大的区域进行控制注浆，即预先施加与地表倾斜规律相反的变形。

2.2 加大承重构件截面方案

随着地基不均匀沉降的继续增加，各构件将产生更大的附加内力，这将导致构件的不安全系数增加，最终有可能导致结构的破坏，甚至造成建筑倾覆。增大截面以提高结构的承载能力和抵抗变形的能力是结构加固中最为常见的方案[4]。对于钢筋混凝土梁和柱，采用角钢加固、碳纤维进行加固都是比较成熟的技术；对于墙体，可以采用在墙体内外两侧设置钢筋网、水泥砂浆面层进行加固。

2.3 整体刚度增大且动态纠偏方案

整体刚度增大法是提高建设标准比较低的农村住宅抗震设防标准最为有效的方法。通过增加圈梁和构造的刚度以及增加二者与墙体的拉结，不仅可以提高墙体的抗弯、抗剪能力，还可以提高结构的延性[5]。另外，对于地基不均匀沉降的问题，设置圈梁可避免局部沉降引起的墙体开裂，刚度较大的圈梁可协调结构的不均匀变形，缓解不均匀沉降所导致的结构倾斜等问题。

稳沉后，预期结构将产生大约15‰的倾斜，这将显著增加承重构件的内力、导致墙体大面积开裂，甚至会导致结构出现坍塌。因此，在稳沉期间进行纠偏尤为必要。常用的纠偏方式包括注浆顶升法、掏土纠偏法、堆载纠偏法、锚杆静压抬桩法以及结构脱换后顶升法。其中掏土纠偏方式的技术难度低，但周期比较长，这种方法恰好与地面稳沉的周期相匹配，通过较为频繁地观测获得数据，可及时调整掏土相关参数，从而获得满意的效果。

2.4 综合对比

三种方案的优劣比较如表1所示。由表1可知，增大构件截面法是通过增加结构冗余承载力以提高结构的安全性，属于被动的方式，这种对结构进行整体纠偏的措施造价过高，几乎与重建费用相当，并且后期还需要进行纠偏，不仅再次增加费用，而且对业主的影响非常大。注浆抬升法试图增加地基的刚度，同时通过局部控制顶升的高度的方式，希望能与发生的沉降相协调，但由于变形存在不可预测性，且注浆对先有的结构形成一定的损伤，所以，风险过大，施工费用高昂，对业主影响也非常大。相比较而言，整体刚度增大且配合变形监测与动态纠偏是一种非常合理的方式，不仅增加了结构整体刚度，而且提高了结构的安全性；由于结构的整体刚度增大，后期进行纠偏时，建筑也更为安全，开裂也可以减少；与监测相配合，可控制结构的倾斜在规定范围内；加固、纠偏以及后期维修的费用比其他方案显著减小。因此，最终采用整体刚度增大且动态纠偏方案。

3 方案实施

3.1 地基梁加固与施工

在商业楼地基梁同一标高处，设置与地基梁相同尺寸的附加地基梁。原计划内外同时设置，但考虑到施工对室内地面影响过大、施工比较麻烦，仅在外侧设置附加地基梁，如图2所示。通过植筋将附加地基梁与原地基梁进行连接，箍筋间距为200mm，植入钢筋的间距为400mm；在钢筋混凝土柱下独立成基础处，通过与原结构相连的附加立柱，将附加地基梁和地基梁上的荷载传至基础，如图3所示。通过附加地基梁、附加立柱以及二者与原结构之间的植筋，新增的结构与原结构形成共同工作的整体，显著增加了基础部分的整体刚度，增加了结构协调变形的能力和结构的安全性，也便于纠偏工作的开展[6]。

3.2 监测与施工的配合

监测包括地表变形监测与房屋倾斜监测两部分。由于该项目关注的地表区域较小，数量也比较少。目前，多基站网络RTK技术建立的连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations,CORS）成为城市GPS应用的发展热点之一。用户采用该系统借助网络系统可实时获得地表变形的数据，对这种试验性的小型工程非常有效，也便于控制费用。

建筑变形监测由岱庄矿的施工方和山东科技大学相互配合完成，地表变形共设置15个测点，均匀布置在管区院内，其中第1点和第5点与商业楼呈平行关系，二者的距离与楼层的外轮廓对齐，为40m。2019-05-01至2019-12-30所测地表沉降数据如表2所示，沉降最大的点达到了884mm，最小的点也达到了420mm；另外，第1点和第2点的竖向变形差为224mm，地表倾斜达到了5.6‰。考虑到前期因巷道掘进所引起的沉降，该区域的沉降最终超过1m，地表的倾斜度也超过7‰。按照经验，地表变形基本在6个月能达到稳定，考虑到巷道掘进的时间为2018年的年底，可认为该地区已经处于稳沉的状态。持续的检测数据也表明，后期的观测数据变化甚微，可视为误差所引起的数据震荡。由于该地域位于微山湖周围，地基为黏土，因此，纠偏的效率较低。在掏土纠偏过程中，根据对地表变形的观测以及对建筑倾斜角的变化，及时调整独立基础下掏孔的数量，并采用灌水和冲刷掏孔的方式，至2019年12月，对商业楼倾斜角的观测数据表明，该建筑物的倾斜角控制在2‰，承重结构未见有开裂现象，墙体也未见裂缝。

表1 方案比较

图2 附加地基梁布置图（单位：mm）

图3 加固施工

4 结束语

对于采煤区周边的多数多层民用建筑，很可能在前期已经出现超过规范限值的倾斜，如果在临近这些区域的地区再次采煤，房屋倾斜角必然超限，承重结构将出现影响结构安全的裂缝，甚至出现房屋倒塌等安全事故。对于这类情况，该项目的成功经验在保证结构的安全性以及有效降低维修费用方面具有现实意义。具体而言，对于采煤的房屋进行基础加固以提高房屋的整体刚度，从而提高房屋协调不均匀变形的能力；在此基础上，根据对地表变形以及房屋倾斜的观测，在稳沉期间进行掏土纠偏，从而保证房屋的安全性且有效降低企业成本。

表2 地表沉降数据（2019-05-01至2019-12-30）单位：mm