建(构)筑物纠倾工程实践

2021-09-16 13:32王曙光王也宜秋仁东

施工技术(中英文) 2021年13期

王曙光，王也宜，秋仁东

(1.中国建筑科学研究院有限公司地基基础研究所，北京 100013； 2.住房和城乡建设部防灾研究中心，北京 100013；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013)

0 引言

建(构)筑物在建设或使用过程中，由于自然灾害或人为因素，产生不均匀沉降或倾斜的情况时有发生。部分建(构)筑物在发生不均匀沉降或倾斜的同时，上部结构也发生了严重破坏，由于不适合继续承载而被拆除。还有相当一部分建(构)筑物尽管发生了不均匀沉降或倾斜，但不影响正常使用，或虽影响使用但尚未危及建(构)筑物安全，如果此类建(构)筑物一律拆除重建，将会带来严重的经济损失和社会问题。随着工程技术的发展，建(构)筑物纠倾技术不断发展完善，成功的纠倾工程也越来越多，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 纠倾设计与施工

对于发生倾斜的建(构)筑物，应在充分掌握相关资料和信息、全面考虑各种因素的基础上，评估倾斜对建(构)筑物正常使用和安全的影响，必要时应进行建(构)筑物的纠倾设计与施工。纠倾设计前应对建(构)筑物倾斜原因进行全面准确的分析和判断，根据倾斜原因有针对性地选择纠倾方法，并对纠倾方案进行经济技术比选，确定最佳纠倾方案，进行纠倾设计，必要时应根据施工过程中的监测结果进行动态设计，同时还应重视防复倾的加固措施。纠倾设计还应充分考虑施工的可行性及施工过程的各种不利因素，确保建(构)筑物的安全，避免建(构)筑物发生稳定性破坏，避免或减小对结构的损伤，且应避免产生过量的附加沉降。

1．1倾斜原因分析

引起建(构)筑物倾斜的原因很多，主要原因包括以下方面：建筑规划问题、工程勘察深度不足或工作不细致、建(构)筑物的结构设计失误、施工质量问题、建设管理不当、建(构)筑物使用不当、人为干扰、自然灾害等。

根据调查统计(见图1)，由于建设规划问题造成建(构)筑物倾斜事故约占4%，勘察工作失误造成的建(构)筑物倾斜事故约占4%，建筑设计问题造成建(构)筑物倾斜事故约占43%，建筑施工问题造成建(构)筑物倾斜事故约占20%，建设管理问题造成建(构)筑物倾斜事故约占6%，建筑物使用过程中的问题造成建(构)筑物倾斜事故约占10%，人为干扰和自然灾害影响造成建(构)筑物倾斜事故约占10%，其他原因造成建(构)筑物倾斜事故约占3%。在众多因素中，建(构)筑物设计或施工不当是引起建(构)筑物倾斜事故的主要原因。

图1 建(构)筑物倾斜原因统计

建(构)筑物纠倾前，应在充分掌握相关资料和信息的基础上，对可能引起建(构)筑物倾斜的各种原因进行全面准确的分析和判断，找到真正的病因，以便在后续工作中对症下药，确保纠倾工作成功完成。

1．2纠倾设计

建(构)筑物纠倾设计是在确定倾斜原因的基础上，有针对性地选择纠倾方法，并对方案进行技术经济比选，确定最佳纠倾方案，并应根据施工过程中的监测结果进行动态优化，做到信息化设计。

建(构)筑物纠倾方法主要分为迫降法、抬升法、预留法、横向加载法和综合法五大类。其中较常使用的主要有迫降法和抬升法，迫降法和抬升法又有若干子类，如表1所示。

表1 主要纠倾方法分类

1．2．1迫降纠倾设计要点

迫降纠倾是采取有效的技术措施使得建(构)筑物沉降较小的一侧产生新的沉降，将建(构)筑物的差异沉降调整到设计允许的范围内，达到建(构)筑物纠倾的目的(见图2)。迫降纠倾的主要方法有掏挖法、软化法、降水法、加压法等。

图2 迫降纠倾示意

1)掏挖法是指从建(构)筑物沉降较小的一侧掏挖出适量的浅层或深层的地基土、垫层或基础材料，引起建(构)筑物产生新的沉降，有效调整其差异沉降，达到纠倾的目的，又分为浅层掏挖法和深层掏挖法。具体实施可以采用掏土、射水、地基应力解除、掏垫层等方法，其中掏土和射水的方法可以适用于各种土质条件，地基应力解除法主要适用于淤泥为代表的饱和软黏土地基。

2)软化法是指在建(构)筑物沉降小的一侧采用浸水或扰动等方法，使该侧地基土强度降低，产生新的沉降，从而达到纠倾的目的，又分为浸水法和扰动法，其中浸水法主要适用于有湿陷性的土，扰动法主要适用于饱和软黏土地基。

3)降水法是通过降低建(构)筑物沉降小的一侧的地下水位，使地基土产生固结沉降，达到纠倾的目的，主要适用于地下水位较高、可发生固结沉降的砂性土、粉土以及渗透性较好的黏性土地基，当降水深度范围内有承压水或降水可能引起相邻建(构)筑物沉降时，不得采用该方法。

4)加压法是通过在建(构)筑物沉降较小的一侧增加荷载，使地基土产生附加沉降，达到纠倾的目的，该方法适用于各种土质条件。

迫降纠倾设计的内容主要包括确定纠倾沉降量和预留沉降量、确定迫降位置、范围及迫降顺序，确保建(构)筑物整体回倾和变形协调，并应视工程地质条件和建(构)筑物的具体情况，进行必要的防复倾加固设计。

迫降纠倾的纠倾沉降量可采用下式计算：

(1)

S′v=Sv-a

(2)

式中：Sv为建筑物设计迫降量；S′v为建筑物纠倾施工需要调整的迫降量；Sh1为建筑物水平偏移量；Sh为建筑物纠倾水平变位设计控制值；h为建筑物高度；b为纠倾方向的建筑物宽度；a为预留沉降量。

迫降纠倾设计应根据建(构)筑物的结构类型、整体刚度、工程地质条件以及建(构)筑物的倾斜现状等，确定迫降位置、范围及迫降顺序以及回倾速率，降低建(构)筑物在回倾过程中结构产生次应力的水平，避免建(构)筑物在回倾过程中发生开裂破坏，必要时应对结构进行加固。

1．2．2抬升纠倾设计要点

抬升纠倾是在建(构)筑物沉降较大的一侧基础下或结构的适当部位，利用机械工具将建(构)筑物局部抬升，有效调整建(构)筑物的沉降差，达到纠倾的目的(见图3)。抬升纠倾法通常适用于质量相对较小的建(构)筑物，主要包括结构抬升法和地基抬升法。

图3 抬升纠倾示意

1)结构抬升法是指根据建(构)筑物的荷载传力体系，通过设置托换结构，将建(构)筑物荷载转换到托换结构与千斤顶等形成的新传力体系，对沉降较大的部位进行顶升，沉降较小的一侧仅作分离及同步转动，达到建(构)筑物纠倾的目的。具体实施可以根据建(构)筑物的传力体系，采用上部结构托梁顶升法、地圈梁顶升法、墩式顶升法等。结构抬升纠倾设计的关键在于托换体系的设计、顶升荷载和顶升点的确定，保证在顶升过程中整体结构的安全。该方法适用于上部结构荷载较小、不均匀沉降较大，尤其是标高不宜再降低的建(构)筑物纠倾。

2)地基抬升法是在建(构)筑物沉降较大一侧地基土中根据设计布置若干注浆管，有计划地注入规定的浆液，使其在地基土中发生膨胀反应，起到抬升作用，从而达到建(构)筑物纠倾的目的。由于对注浆引起的膨胀量的定量研究以及地基膨胀的控制技术还不成熟，该方法一般应用在小型建(构)筑物纠倾工程实践中。

抬升纠倾的纠倾抬升量仍可采用式(1)计算，但Sv为建(构)筑物设计抬升量(见图3)，但纠倾施工需要调整的抬升量应采用下式计算：

S′v=Sv+a

(3)

1．3纠倾施工要点

建(构)筑物纠倾施工是纠倾工程的实质性操作阶段，纠倾施工人员应深入理解纠倾设计思想，正确领会工艺要求，进行信息化施工。同时，施工人员应根据现场监测资料及时反馈信息，通过设计单位修改纠倾设计，调整施工顺序，保证建(构)筑物回倾过程协调、平稳、安全、可控。纠倾施工工艺及施工顺序的选择应考虑纠倾施工不对建(构)筑物产生过大的附加沉降。

1．3．1施工方法选择

纠倾工程是高难度、高风险、高技术含量的特种工程，由于建(构)筑物倾斜原因复杂多样，纠倾施工方案具有多选性，具体施工必须具有针对性，根据纠倾设计方案的技术要求，在施工先后顺序、步骤及安全等方面都要有针对性，且要有针对意外情况的安全保护措施和应急预案。

以迫降纠倾的掏挖法为例，掏挖法分浅层掏挖法和深层掏挖法，其中浅层掏挖法按取土部位又可分为基底成孔掏土法、基底垫层掏土法，按取土方式可分为人工掏土法、冲水掏土法和机械掏土法等；深层掏挖法可分为地基应力解除法、斜孔掏土法、斜孔射水法、辐射井射水法等。以上每种方法都有其特点、适用范围和注意事项，施工时应根据具体情况有针对性地选取最适合的施工方法。目前对于采用复合地基的建(构)筑物，通常在褥垫层中采用掏挖法进行迫降纠倾，效果明显。

1．3．2信息化施工

建(构)筑物纠倾是一项技术难度大、影响因素多的复杂性工作，在目前的技术水平下进行精确的力学计算存在一定困难。纠倾过程中建(构)筑物的位移和受力都是在不断调整的，通过现场监测实现信息化施工，不仅可以直观地反映上一阶段纠倾成果，而且可以对阶段性的纠倾成果进行分析，从而对纠倾设计和施工的合理性进行验证，为下一阶段纠倾工作提供依据。必要时还要对设计和施工方案进行调整，使建(构)筑物在安全可控的状态下回倾，最大程度避免事故的发生。

纠倾过程监测内容包括：纠倾建(构)筑物及相邻建(构)筑物的倾斜、沉降、裂缝、地面沉降与隆起、地下水位、地下管线等。监测点应设置在建(构)筑物的主要受力部位，使监测数据能客观真实地反映建(构)筑物的受力状态和回倾情况。监测频率应与纠倾施工相协调，纠倾施工过程中应每天监测，施工间歇期可适当减少监测频率。

监测结果应真实可靠，纠倾过程中应对监测成果及时进行分析与评价，以便于准确判断建(构)筑物的位移情况和受力状态，指导下一阶段的纠倾工作。同时在纠倾过程中应特别关注建(构)筑物的沉降量或抬升量与回倾量的协调性，如果变形不协调，可能对结构产生损伤和破坏，应立即停止纠倾，查明原因，及时修改纠倾设计和施工方案。

1．3．3防复倾加固措施

倾斜建(构)筑物的防复倾加固是纠倾工程的重要步骤，包括上部结构加固和地基加固。建(构)筑物在纠倾前和纠倾后都可能产生结构裂缝，需要进行加固补强。地基在纠倾后会产生扰动，建(构)筑物回倾后的防复倾加固是保证建筑物能否安全使用的关键，防复倾加固的安全性和可靠性直接影响建(构)筑物的正常使用。

2 工程案例

2．1迫降纠倾工程案例

某住宅楼地上28层、地下1层，剪力墙结构，筏形基础，采用CFG桩复合地基，建筑物基础平面及剖面如图4所示。

图4 建筑物基础平面及剖面示意

该建筑物竣工后尚未投入使用就发生了倾斜，最大倾斜达到6‰，为保证建筑物的正常使用，必须对其进行纠倾，本工程采用迫降法进行纠倾处理。

2.1.1纠倾方法选择

本工程采用CFG桩复合地基，且纠倾前其沉降速率已接近沉降稳定标准，软化法、降水法、加压法等对本工程不适用，经综合分析采用掏挖法进行纠倾。如果采用深层掏挖法，将对基底以下深层土体进行掏挖，而本工程采用的是CFG桩复合地基，通过掏挖深层土体从而调整CFG桩的桩土应力比，进而反映到建筑物的沉降调整，纠倾周期将会比较长。复合地基增强体与基础之间为褥垫层，本工程褥垫层厚度为30cm，因此采用浅层掏挖法，在复合地基的褥垫层中进行掏土，可以有效地缩短纠倾时间。

2.1.2纠倾设计与施工顺序

1)纠倾设计

掏土孔平面布置如图5所示。为了使该建筑物回倾满足规范允许值，掏土体积需与回倾变形协调，即南侧边缘掏土量最大，回倾轴附近掏土量为零，掏土空间南北截面剖面成三角形，经计算掏土量体积约为61m3。

图5 掏土孔平面布置

防复倾加固措施：本工程纠倾加固后，为避免建筑物后期发生不均匀沉降，在建筑物北侧增大基础面积，基础加固平面如图6所示。

图6 地基基础新增筏板加固平面布置

2)施工顺序

施工顺序是本项目实施成功的关键，具体施工顺序如下：①施工开始前应完成信息化施工所有监测点的布置，并应完成初始值的测定；②紧邻抗震缝两侧范围内的结构加固应完成，避免纠倾过程中同一底板上的两塔产生相对位移；③降水并开挖作业槽以满足南侧掏土作业条件；④掏除褥垫层土总量的30%(约15m3)后，停止作业，及时分析信息化监测数据；⑤数据分析如满足本工序要求，分段去除北侧已实施加固筏板上的覆土，同时分段进行筏板上加肋施工；⑥待加肋施工完成且结构强度达到要求后，完成北侧新增CFG桩的施工、褥垫层铺设、新增筏板及加肋的施工；⑦南侧继续掏褥垫层土作业，待建筑物纠倾达到验收标准后，完成南侧新增筏板及加肋施工；⑧全过程信息化施工,每一工序最终实施的程度均由前一工序实施后的效果来确定。

3)掏土施工

在建筑物沉降较小的一侧开挖工作坑，在复合地基的褥垫层中进行掏土，掏土施工采用机械作业，分批次进行，每批次按平面分区采用8台设备同步作业。掏土作业进行过程中及掏土完成后都要进行建筑物沉降观测，掏土作业过程中，每天对建筑物的沉降及倾斜进行2次观测，掏土作业完成后每天进行1次观测，每批次掏土作业完成后，根据建筑物沉降观测的变化情况对下一轮掏土方案进行调整。本工程每批次掏土过程中，建筑物发生明显沉降，因此要对掏土速度进行控制，避免建筑物短时间内发生过大变形，保证建筑物平稳回倾，每批次掏土完成后建筑物沉降仍会延续，大约1周后，建筑物沉降就会收敛。本工程采用该方法经过多批次掏土，最终将建筑物倾斜平稳纠至2‰以内，满足建筑物正常使用要求，沉降观测表明纠倾完成3个月后建筑物达到沉降稳定标准。建筑物变形观测曲线如图7所示。

图7 变形观测曲线

2．2抬升纠倾工程案例

某厂区构筑物为3×4跨、4层钢结构(重约1 000t)，每层均安装有设备(空载重约300t)，总重约1 300t。南北、东西每跨间距均为6m，构筑物总高度29m。该厂区为填土场地(见图8),尽管进行了强夯地基处理，该构筑物仍产生较大不均匀沉降，最大倾斜达到5.7‰。场地在回填后和设备投入使用前共进行2次勘察，土层物理力学指标变化如表2所示。

图8 工程地质剖面

表2 构筑物地层及其物理力学参数(详勘/补勘)

2.2.1倾斜原因分析

该构筑物下回填土的填料不均匀，且填料中含有红黏土，浸水后强度急剧降低，有明显软化特性。构筑物基础采用天然地基上浅基础设计。该厂区完成建设后地区降水量明显增加，使回填土层含水率、孔隙比、压缩模量和承载力都发生了显著变化(见表2)，导致高填方区发生较大沉降及不均匀沉降。该构筑物基础工后累积沉降最大超过200mm，不均匀沉降分布如图9所示。

图9 构筑物纠倾前基础相对沉降

2.2.2纠倾前地基加固

针对该构筑物的地基沉降过大，业主曾组织过一次地基加固。主要方案是采用旋喷桩和锚杆静压桩，加固深度都要求进入原状土中。其中，锚杆静压桩直径194mm，加固深度17m。旋喷桩预钻孔孔径80mm，桩径为600mm，加固深度17m。旋喷桩和锚杆静压桩施工期间，由于对地基土的扰动，北侧和西侧沉降有所加大，构筑物倾斜率有所增大。经过此次加固后近1年的沉降观测，该构筑物的沉降速率已经趋于稳定，但仍然保持倾斜状态，倾斜率5‰～6‰，方向北略偏西，北边沉降较大，西边次之，H型钢柱在4层扭转角达3°～4°，结构不满足规范要求，严重影响了构筑物安全和使用，需要进行纠倾。

2.2.3纠倾方法选择

整体顶升纠倾到位后，再将临时加固解除，逐步微调各柱子标高差，使各柱因不均匀沉降增加的内力下降，满足规范要求。

2.2.4纠倾设计

1)构筑物临时加固

为保证顶升时构筑物尽量保持整体转动，减少相对位移产生内部次应力，设计顶升平台和增加斜撑。

2)钢结构荷载托换

在柱脚灌浆层破除和切割柱底后，构筑物荷载将通过千斤顶传递至临时钢基础(顶升承压台)。承压台上层由3根HM500×300型钢焊接成一个整体，下面铺设18根I20a与上层H型钢连接，再在其下铺设10mm厚4 600mm×3 600mm钢板(见图10)，就可以将钢结构荷载安全有效传递到基础承压台上。

图10 承压台组装示意

3)构筑物升降调平

图11 构筑物千斤顶布置

4)分级顶升

该构筑物南北倾斜很大，东西倾斜很小，先顶升南北方向大致到位，再调整东西方向。具体顶升步骤如下：分5次顶升，每次顶升设定南北方向5个轴的各自最小顶升量，采用20点PLC同步顶升液压系统，同时达到各自设定的顶升量。再从南到北依次调整各轴上柱子的顶升量。

顶升共分5步，每次按各点原沉降量的1/5顶升(每次各点按比例抬升)，每次最大顶升20mm。

5)内力监测和信息化施工

纠倾工程风险极大，除了合理的设计和周密的施工组织外，实时监测也必不可少。采用全桥应变片对顶升过程内力进行实时监测，并与模型计算结构进行对比分析，指导顶升施工。

6)微调和结构恢复

整体顶升到位后，拆除临时斜支撑，微调各点沉降差，满足规范小于1‰的要求。各柱高差大致调平后，将柱底地脚螺栓拧紧，用C60灌浆料重新浇筑柱脚灌浆层或焊接柱底。

2.2.5纠倾效果

顶升前测量各柱倾斜值，减去实际纠倾值，得到柱子的纠倾后倾斜值，如表3所示。构筑物纠倾后基础相对沉降如图12所示。

表3 各柱偏移量 mm

图12 构筑物纠倾后基础相对沉降

从表3和图12可以看出，该构筑物整体倾斜已经<1‰，个别柱较大值是由于该柱弯曲造成的。

3 结语

随着工程技术的发展，建(构)筑物纠倾技术不断发展完善。对于建(构)筑物在建设或使用过程中产生不均匀沉降或倾斜的建(构)筑物，可以采用纠倾技术使建(构)筑物的不均匀沉降或倾斜恢复到可接受的范围，成功的纠倾工程越来越多。

纠倾方法主要分迫降法、抬升法、预留法、横向加载法和综合法五大类。其中较常使用的主要有迫降法和抬升法。纠倾前应对建(构)筑物倾斜原因进行准确的分析和判断，有针对性地选择纠倾方法，并进行方案比选，确定最佳纠倾方案，进行纠倾设计和施工，并应在纠倾施工过程中进行监测，实现信息化施工，同时还应重视防复倾的加固措施。

建(构)筑物纠倾技术和其他岩土工程技术一样，是一种理论与实践紧密结合的技术，其机理、设计方法和技术措施还有待进一步发展和完善。