保护采动区现有建筑物的新技术研究

摘要　本文通过对铁法矿务局供应处第二仓库6号库加固实例，论述采动区现有建筑物新技术加固保护理论、技术及施工方法。
关键词　开采沉陷　采动变形　抗变形建筑　建筑物加固保护

前　言
　　目前我国低潜水位建筑物下压煤开采，主要采用搬迁、原地重建抗变形建筑和常规抗变形加固三种方法，其中常规抗变形加固是费用最低，见效最快且容易实现的好方法，但由于常规加固的抗变形措施均设置在基础和墙体外部，并且都为刚性措施，不能很好地与原建筑物结构协调作用，共同抵抗和吸收采动引起的地表变形，抗变形效果较差，因而限制了该方法的推广应用。为此，煤炭科学研究总院唐山分院提出了试验研究采动区现有建筑物的新技术加固保护措施的研究课题。

1　采动区现有建筑物的新技术加固保护措施的研究
1.1　基本思路
　　八十年代，煤炭科学研究总院唐山分院首先在我国研究推广应用了新建抗变形结构建筑物设计技术，以其特有的抗采动变形功能，成为解决矿区建筑物下采煤的主导技术，解放了大量压煤，取得了显著的经济效益。其技术关键是在新建建筑物内采取了科学的抗地表变形的结构体系，即：对新建建筑物采取了抗采动变形的柔性措施和刚性措施。
　　采动区现有建筑物的新技术加固保护措施就是将抗采动变形建筑物结构体系的柔性措施和刚性措施，加到现有建筑物的基础和墙体内，使其与原建筑物结构共同作用，达到新抗变形建筑物同样的抗采动变形功能和效果。这既避免了采动区建筑物的拆迁和重建，又避免了那些建筑质量好、造价高、仍有使用价值、通过常规加固方法不能满足要求的建筑物拆迁重建造成的浪费，且具有施工费用低，恢复建筑物使用周期短等优点。
1.2　采动区建筑物加固保护措施
　　采动区现有建筑物采取新技术加固保护措施，应根据建筑物的结构形式、建筑物尺寸、建筑物质量及预计的变形值选择确定，包括以下四个方面：
　　a　设置变形缝　设置变形缝是将建筑物自屋顶至基础分成若干个彼此不联系的、长度较小、刚度较好、自成抗变形体系的独立单体，这样可以提高建筑物适应地表变形能力，减小作用于建筑物的附加应力，从而减轻建筑物的开采损坏。
　　b　设置钢筋混凝土圈梁　设置钢筋混凝土圈梁是提高建筑物抵抗地表变形能力的有效措施。其作用在于增强建筑物整体性和刚度，提高砖石砌体抗弯、抗剪和抗拉能力，可在一定程度上避免建筑物墙体出现裂缝等损坏现象；设置墙壁上的钢筋混凝土圈梁，主要是承受地表变形引起的附加弯矩和附加剪力；设置于基础上的钢筋混凝土圈梁，主要承受地表水平变形引起建筑物的附加应力，以及地表曲率变形引起的附加弯矩和附加剪力。
　　c　设置滑动层　在基础与基础圈梁之间用易滑动的材料设置滑动层，如两层油毡及两层油毡间加滑石粉或云母片，目的是把基础与上部结构分开，当地表变形作用在基础上时，产生的附加应力，一部分通过滑动层产生的摩擦力传到上部结构，一部分被滑动层吸收，使传到上部结构的附加应力显著减小，有效地避免了上部结构损坏。
　　d　设置钢筋混凝土构造柱　设置钢筋混凝土构造柱，其作用在于增强建筑物整体刚度，提高建筑物的抗扭和抗剪能力，可在一定程度上减小地表扭曲变形对建筑物产生的附加应力，减小建筑物的损坏。
1.3　加固保护措施的计算
1.3.1　现有建筑物所在区域地表移动变形预计
　　采动区现有建筑物的新技术加固保护研究，需根据作用于建筑物的地表变形值对现有建筑物增设的抗变形结构构件进行计算，确定结构构件的截面和配筋，为此，根据地质采矿条件，对采动区地表移动变形值进行预计，预计方法采用常用的概率积分法，确定地表倾斜、曲率、水平变形值，再根据预计结果对现有建筑物增设的抗变形结构构件进行计算。
1.3.2　加固技术措施计算
　　对于采动区上方的建筑物采取保护措施时，应根据建筑物所在区域的地表移动变形值，进行基础变形缝及墙壁变形缝的宽度计算、基础与墙壁内力计算，钢筋混凝土基础与墙壁圈梁截面与配筋计算，以及合理选取构造柱。

2　现有建筑物新技术加固保护措施施工工艺研究
　　根据以上理论，对铁法矿务局供应处第二仓库6号库进行加固保护。
2.1　6号库所在区域地表移动变形预计
　　经过对地面岩层移动观测站资料分析，确定岩层移动参数，用概率积分法对地表移动变形进行预计，预计结果为ε_max=14.4mm/m、k_max=0.19×10^－3／m、i_max=11.9‰。根据预计结果，对6号库加设的抗地表移动变形构件进行截面、配筋计算。
2.2　6号库建筑物概况
　　6号库结构类型为砖混结构（毛石基础、砖墙承重、预制空心板屋面）单层房屋，长：30m、宽：10.5m、高：4.6m，建筑面积：315m²，外墙为清水砖墙，内墙为水泥砂浆抹面，刷白色涂料，该建筑有檐口圈梁，无基础圈梁和构造柱（图1）。对结构进行分析，6号库抵抗地表变形影响能力较差，如受地表变形影响，6号库不能保证安全正常使用，为此对6号库采取新技术加固保护措施。

图1　6号库平面布置图

2.3　采取新技术加固保护的措施
　　针对6号库结构特点、建筑尺寸及所处区域抗地表变形值，经分析、论证，确定不用采取变形缝、构造柱等措施，只对6号库加设抵抗地表变形的基础圈梁和吸收水平变形的水平滑动层。
2.4　施工工艺和方法
　　设临时角钢吊挂→开挖墙下洞口试验→确定开挖洞口长度→人工开挖墙下洞口→基础顶面设水平滑动层→绑扎基础圈梁钢筋→支护模板浇注混凝土基础圈梁→重复上述过程进行下一段水平滑动层与基础圈梁施工→修复损坏的地面、室外台阶及散水。
　　a　设临时角钢吊挂
　　为避免开挖墙下洞口时洞口上部墙体脱落和增加洞口上部墙体的整体性，尽可能加大洞口开挖长度，在墙体洞口以上1.5m或窗口处设临时角钢吊挂并加设预应力，吊挂及横梁材料均用角钢制作，施工时在欲加基础圈梁施工顶面处开凿宽120mm、高60mm孔洞，两孔洞间距1.0m，每个墙下洞口设两对角钢吊挂，吊挂位置及制作见图2。

图2　墙体吊挂示意图

　　b　人工开挖墙下洞口
　　用临时角钢吊挂完毕后，开挖墙下洞口，经现场试验研究，确定该建筑开挖砖墙孔洞长度为1.5m，施工方法采用墙体钻（电锤）打眼，人工开挖墙下孔洞的方法，开挖时应特别注意避免和防止孔洞口上部砖体脱落（图3）。

图3　开挖洞口示意图

　　c　基础顶面设水平滑动层
　　砖墙下孔洞开挖完毕后，清扫洞口并用水冲洗干净，基础顶面用50mm厚细石混凝土（适当加一些速凝剂）找平、压光，其平整度为1‰，待细石混凝土找平层达到设计强度，上铺两层油毡，中间加易滑动材料云母片、化石粉等，形成水平滑动层（图4）。

图4　水平滑动层示意图

　　d　绑扎基础圈梁钢筋
　　砖墙下孔洞开挖完毕并设置好水平滑动层，即可在洞口内绑扎基础圈梁钢筋（图5），绑扎基础圈梁钢筋时应注意不要碰掉洞口上部的砖体。

图5　绑扎基础圈梁钢筋示意图

　　e　支护模板浇注混凝土基础圈梁
　　基础圈梁采用300号混凝土浇注（图6）。为了控制混凝土的干缩性，在混凝土内加入适量的膨胀剂（经试验，加入水泥量的15％膨胀剂为宜），以避免由于混凝土干缩而使上部墙体与基础圈梁接触不实，出现裂缝。

图6　浇注后的基础圈梁

　　f　重复上述过程进行下一段基础圈梁施工
　　完成上述施工过程，该段基础圈梁的施工就基本完成，当基础圈梁达到设计强度后进行下一段基础圈梁施工，重复上述施工工艺直至整个基础圈梁和滑动层的施工完成。
　　g　修复损坏的地面、室外台阶及散水
　　待整个建筑物变形缝、基础圈梁、构造柱施工完成后，应将施工中损坏的室内地面、室外散水和台阶等按原建筑物情况加以修复，此外所有外露混凝土和墙面应用水泥砂浆抹面，喷涂原颜色的材料恢复原建筑物使用功能。
2.2　施工过程中应注意的几个问题
　　a　施工基础圈梁时，应根据建筑物实际情况，进行多个工作面的施工，即分成几段同时施工，这样可以节省工期。
　　b　基础圈梁施工过程中，钢筋绑扎完毕后，支护模板时，要预留钢筋接头，以便下一段基础圈梁钢筋与上一段基础圈梁钢筋连接，钢筋连接应采用双面焊接，焊接长度大于10d（d是钢筋直径）。
　　c　浇注基础圈梁的混凝土时，要经计算加入适量的膨胀水泥保证现浇混凝土圈梁与上部砖墙固接，待这段混凝土圈梁达到一定设计强度后，浇注下一段基础圈梁时，应在上一段基础圈梁端面涂刷混凝土界面处理剂，以保证两段混凝土能固接，达到设计基础圈梁抗拉、抗剪强度。
　　d　施工抗采动变形的基础圈梁时，要保证纵、横墙上的基础圈梁在同一水平上，形成封闭基础圈梁避免不在同一平面上或局部断开，保证基础圈梁的整体性。
　　e　施工过程中，特别是开挖洞口时要观察建筑物结构变化，发现问题及时处理，消除不利因素，做到安全施工。
　　经过采取新技术加固保护的6号库，完全恢复了其使用功能，抵抗了井下开采引起的地表移动变形影响，安全正常使用。

3　结　论
　　在铁法矿务局供应处第二仓库6号库等多栋建筑物采用新技术加固保护措施后可得出如下结论：
　　a　采用新技术加固保护采动区现有建筑物，技术上可行，经济上合理，并且具有施工费用低，施工工期短和恢复建筑物使用周期短等特点。
　　b　将现有建筑物抗采动变形的措施，直接加到现有建筑物的基础和墙体内，使其与原建筑物结构协调作用，共同抵抗和吸收采动引起的地表变形，达到新建建筑物同样的抗采动变形功能和效果。
　　c　避免了采动区建筑物的拆迁和重建，又避免了那些建筑质量好、造价高、仍有使用价值、通过常规加固方法不能满足要求的建筑物因拆迁重建而造成的浪费。
　　d　利用新的施工工艺、施工方法、施工材料，对采动区现有建筑物进行施工，能满足建筑物施工要求。

作者单位：（煤炭科学研究总院唐山分院）