虎丘塔加固工程的监控和观测技术.pdf

虎丘塔加固工程的监控和观测技术刘殿华 袁建力 樊 华 王 仪杨福南(扬州大学)(苏州市市区文管所)摘要:虎丘塔是中国现存年代最久且倾斜度最大的楼阁式砖塔。1981年至1986年,中国工程界对这座濒临险境的古塔进行了全面加固修缮,基本控制了塔基沉降,稳定了塔身倾斜,为保护人类文化遗产提供了有益的借鉴。结构的变形和砌体的裂缝状况是砖塔可靠性的重要表征,也是加固修缮工程中施工监测的重要依据,本文在收集、整理虎丘塔加固原始施工文件和观测资料的基础上,对裂缝和变形的监控观测技术进行了归纳、分析和介绍。关键词:古塔;加固;工程监控;观测技术中图分类号:TU317 文献标识码:A文章编号:10002131X(2004)0720051208CONSTRUCTION MONITORING AND OBSERVATION TECHNOLOGY APPLIEDTO STRENGTHENING OF HUQIU PAGODALiu DianhuaYuan JianliFan HuaWang YiYang Funan(Yangzhou University)(Suzhou Administration of Cultural Relics)Abstract:Huqiu pagoda is one with the longest age and largest gradient in the existing Chinese pavilion style pagodas.From1981 to 1986,Chinese civil engineering community carried out a complete streugthening and remedy project to this ancient pago2da,which was close to the dangerous situation,so as to control the foundation settlement and structure inclining of the pagodabasically.The project can provide a beneficial reference for protection of human culture heritages.It is the structure deformationand the masonry crack situation that are an important indication of the reliability of a brick pagoda,and also an important basisfor construction monitoringof its strengthening and remedy.Based on original construction files and observation data,this papermakes a conclusion and analyses to the crack and deformation monitoring and observation technology applied to Huqiu Pagoda.Key words:ancient pagoda;strengthening;construction monitoring;observation technology收稿日期:2002-09-04,收到修改稿日期:2002-11-153 中国 意大利国际合作文化遗产保护技术项目(国科外2000.N.11-2)1 导 言屹立于苏州虎丘山颠的虎丘塔(云岩寺塔),建成于公元961年(北宋建隆二年),是中国现存年代最久且倾斜度最大的楼阁式砖塔。该塔在建筑艺术、考古和科研上具有很高的价值,于1961年由中国国务院公布为全国第一批重点文物保护单位。虎丘塔为七层八角形楼阁式砖塔(图1),塔身净高47168m,底层 对 边 南 北 长13181m,东 西 长13164m;采用套筒式回廊结构,砖墙体由黏土砌筑,每层设塔心室,各层以砖砌叠涩楼面将内外壁连成整体,每层有内外门十二个。虎丘塔自建造时,塔基即产生不均匀沉降并导致塔身向北倾斜。千年的风雨侵蚀和塔基不均匀沉降的发展,使虎丘塔严重开裂损坏。1956年至1957年,苏州市政府对濒临倒塌的虎丘塔实施塔身围箍和壁面喷浆大修,但未能取得预期效果。1981年至1986年,中国国家文物局和苏州市政府组织力量,对这座千年古塔再次进行全面整修加固,稳定了塔身倾斜,控制了裂缝发展。根据中国 意大利国际合作“文化遗产保护技术”协定,两国专家对包括苏州虎丘塔、比萨斜塔在内的古建筑的保护技术进行了研究。本文在收集、整理虎丘塔加固原始施工文件和二十多年观测资料的基础上,对加固工程中的裂缝、变形的监控及加固工程后的跟踪观测技术进行了归纳、分析和介绍。第37卷第7期土 木 工 程 学 报Vol137No172 0 0 4年7月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALJuly.2004图2 底层裂缝形态展开图Fig12Developed drawing of crack pattern at first floor25 土 木 工 程 学 报2004年2 虎丘塔加固前的变形和裂缝状态根据1978年虎丘塔加固前的勘测,虎丘塔塔顶已向北东偏移21325m,倾斜角达248,塔重心偏离基础轴心0197m;北部外塔墩已下沉45cm,二层楼面的南北高差达60cm。随着塔身继续倾斜和变形发展,1957年大修喷浆覆盖的裂缝重新出现,至1978年,东北、西北塔心的水泥喷浆大块隆起、崩裂、剥落,塔体及地面裂缝明显增大增多。裂缝分布状况是底层最多,向上逐层减少。按照裂缝分布形式、走向和位置,大致划分为以下几种(图2):(1)竖向裂缝,主要分布于塔底层北半部六个内、外砖墩上。其中以东北、西北二个塔心墩的水泥喷浆面和东北、北、西北三个外墩门内侧壁上最为显著。裂缝宽度在(015110)mm,深度一般在20cm左右,长度从015m到210m不等。(2)斜向裂缝,主要分布在塔的南半部的底层、二层回廊内,外墩的内立面上。其特点成45 左右的方向开裂、延伸,宽度一般在(110210)mm左右,最宽达1cm;二层上沿砖缝开裂延伸,深度较浅,在5cm左右。(3)水平裂缝,主要分布在底层东西门南侧的圆弧部位,裂缝呈水平方向开裂延伸,宽度在(012014)mm之间,长度从20cm到1m不等,深度较浅,小于5cm。(4)地面裂缝,主要集中于塔底层北半部的地面上,塔的东南和南部的地面上也有些不规则分布。这种裂缝多而明显,由北向东西二个方向开裂延伸,形成半环状分布,长度几十cm到310m不等,宽度210mm以上。3 虎丘塔的测量控制网及沉降观测网1979年9月,江苏省建筑设计院勘察队根据虎丘塔的位置及其环境建立了测量控制网(图3),为加固工程的监测打下了基础。图3中的S和E分别为南测站和东测站,其与塔心的视线成垂直关系。11是建立在塔外东北处的三号探井上的沉降基准点,以11为起终点用水准仪观测布在底层塔墩上的1至8号观测点进行水准环测量,以监测底层塔墩的沉降变化。在南测站和东测站(图4a)用经纬仪分别观测塔南面和东面每层门上的大理石十字线标志(图4b),监视虎丘塔在东西方向和南北方向的位移。1981年,同济大学测量系对起始点的微调装置进行了改进,并在底层塔墩上设置小钢尺作观测目标(图4c),进一步提高了观测精度。1982年后,苏州市修塔管理办公室和苏州市市区文物管理所根据工程需要,又增设了新的观测点位,使12个底层塔墩均布有观测点,以更细致地反映塔墩的沉降变化。施工监测中,沉降观测采用DS水准仪,测量精度为0101mm;位移观测采用Wild T3经纬仪,测量精度为013mm。图3 虎丘塔的测量控制网及沉降观测网Fig13Surveying control network and settlementobservation network of Huqiu Pagoda图4 测点与观测标志Fig14Observation point and sign4 虎丘塔的裂缝观测设计为了掌握加固工程对塔体裂缝变化和发展的影响,并能依据裂缝的变化及时调整施工方法和进度,需对裂缝的观测方法进行合理的设计。根据塔身北倾、主要裂缝又集中分布在塔北半部这一特点,故裂缝的观测点应集中在塔体北半部的内外砖墩砌体上,其布点原则为:(1)反映内力变化的结35 第37卷 第7期刘殿华等 虎丘塔加固工程的监控和观测技术构裂缝;(2)受力变化最明显的裂缝,即塔体最薄弱的部位;(3)观测点布置在砌体或喷浆未起壳的部位。裂缝观测包括开裂方向、宽度、深度和长度及开裂时间等。对于宽度测量,采用Y B25型手持式应变仪(测量标距250mm),测量精度为千分之一毫米。深度观测采用凿开裂缝或用竹扑探深方法进行。裂缝延伸观察利用跟踪法即记录原始裂缝末端位置,相隔一段时间后,观其延伸的长度。另外在裂缝上嵌入石膏观察条(图5)和环氧水泥粘贴的铅芯条,用肉眼直接检查是否开裂。图5 裂缝观察条Fig15Aobservation bar across the crack根据观测的方法和要求,分别在北部三门、东北塔心、东西门,底层北面的地面回廊和东回廊内立面,二层北面的地面回廊和东西南的内立面,以及各层扶梯井等处布置仪器测点和观察条(位置见图6)。图6 裂缝观测布置Fig16Arrangement of crack observation points5 虎丘塔加固期间的监控观测虎丘塔加固工程主要包括围桩工程、灌浆工程、盖板工程、调倾工程和换砖工程五个部分1。为了全面系统地跟踪各施工项目对塔体的影响和控制工程安全,虎丘塔加固期间的监控观测划分为施工前准备期、围桩工程期、灌浆工程期、盖板工程期(含调倾工程)、换砖工程期等阶段。虎丘塔加固工程期间各裂缝观测点的增值汇总见表1,测点I-15、I-13和I-10的增值-时间曲线见图7。对于变形观测,本文在众多的观测数据中精选了几个代表性的测点观测值进行分析。表2给出了加固工程期间按施工分段位移沉降汇总值。图8给出了离地面高3814m的标志E7和S7的位移测量曲线,图9给出了相应层面上n1、n2、n4和n9等四个测点的沉降测量曲线。511 施工前准备期的观测由表1、表2和图7、图8、图9可知,在未施工的情况下塔身的裂缝变化和塔的位移、沉降的增值都较小。该阶段的测量值将作为施工期间变形速率和变形增量的参照系。512 围桩工程期的观测围桩工程是在塔基应力扩散范围内浇筑钢筋混凝土桩围箍地基,以控制地基加固范围、稳定地基土壤。工程于1981年12月18日开始,1982年8月30日结束,完成钢筋混凝土人工挖孔桩44根。该工程阶段的变形观测曲线明显反映了施工进度和观测数据的吻合。1982年3月上旬之前,开挖围桩均匀,施工进度慢,塔体变形速度没有明显的变化。在3月10日以后到4月下旬的这段时间里,增加了开挖数量,使塔体倾斜加速,塔身裂缝也开始增大。由图8、图9可看出,E7在此期间位移变化陡增(实测向北位移约415mm),北面和西面的沉降观测点N1和N9也分别沉降116mm和112mm,层面倾斜测量中二层的南北高差也增加115mm。测量人员在塔体倾斜显著变化时(其认为与施工前正常变形相比增加了十倍以上),发出了警报,工程随之暂停。5月中旬后,在塔体倾斜速度明显变小后,才继续施工。在围桩工程后期的施工中,对施工进度、质量加强了控制和改善,但由于工程力学上的滞后效应,塔的变形值仍有增加。513 灌浆工程期的观测灌浆工程是在围桩范围内钻孔灌浆,增加地基的密实度,提高地基的强度。工程于1982年10月14日开始,1983年8月5日结束,完成钻孔161个,注浆27m3左右。钻孔灌浆的顺序是先灌东北部和北部,然后从围桩内侧边沿向塔中部,先塔外后塔内推进。钻孔中采用了干钻防振技术以减轻对塔体的影响。由图表中可看出,钻孔注浆施工期间,由于采用了合理的施工措施和技术,对地基和结构的扰动较小,各项变形观测数值较小,且变化缓慢。在灌浆工程结束后的8个月内,继续对裂缝进行了观测。45 土 木 工 程 学 报2004年图7 虎丘塔加固期间的裂缝增值-时间曲线Fig17Curves of crack increae-time during strengthening of Huqiu Pagoda表1 虎丘塔加固工程期间的裂缝增值汇总(单位:mm)Table 1Change and development of cracks during strengthening of Huqiu Pagoda(unit,mm)工程阶段北部三门竖向裂缝东北塔心竖向裂缝东南塔心竖向裂缝东北地面裂缝西北地面裂缝水平裂缝-15-14-13-12-10-11-东北-东南-东北-西北-2-8准备期围桩期灌浆期盖板期换砖期/01062010420105501126/01033010310147001122/01076010430114501161/01069010350174501176/01092010740159901179/0106001030012550104101024011850118201897/010510110001557/01120/01167/011020102501141/010960103501017/总增值01285016560142511025019440138611288止壳体01708止壳体01120止围桩01167止围桩0126801148表2 加固工程期间按施工分段位移沉降值汇总表(单位:mm)Table 2Change of displacements and settlements during strengthening of Huqiu Pagoda(unit,mm)工期变化值测点准备期围桩期灌浆期盖板期北半部换底南半部底壳体壳体完工换砖期累计8111-8111281112-8211082110-84168416-84188418-85118511-85158613-86178111-8617位E7+217+1018-616+1818-1813-1019+417+1812移S7-011-111-113-015-2419+113-114-2819n1-014-218-115-416-513+018-013-1318沉n20-111-014-216-415-011-011-815降n40-012+0180-1316-2150-1515n9-013-214-110-317-1113+013-011-181255 第37卷 第7期刘殿华等 虎丘塔加固工程的监控和观测技术514 盖板工程期(含调倾工程)的观测盖板工程是对塔基加固和地基防水相结合的工作,在塔下建造一个钢筋混凝土壳体基础,以扩大塔墩与地基的接触面,提高塔墩底部的承载力。工程的施工难度大、技术要求高,且在塔体险情仍然存在的情况下施工,因此要求监测及时、精确。盖板工程于1984年6月23日开始,1985年5月22日结束。随着工程的进展,塔体的位移、沉降和层面倾斜数值及各部位的裂缝都发生了明显的变化。工程中除继续加强跟踪监测外,采取了如下施工技术措施:(1)控制各次施工开挖范围,小面积快速施工,当天开挖当天完成。(2)恰当选择施工部位和施工顺序,采用先塔内、后塔外,先塔北、后塔南,先稳住危险部位,再逐步扩展。(3)严格操作规程,加强各道工序验收,保证工程质量。图8E7和S7的位移观测记录曲线Fig18Displacement curves recorded at E7 and S7observation points图9n1、n2、n4和n9等测点的沉降观测记录曲线Fig19Settlement curves recorded at n1,n2,n4and n9 observation points由图表中可看出,在壳体工程中,每施工一处,都会产生位移、沉降和层面倾斜数值的大幅变化,这种变化值是以往两次地基工程不可比拟的。同时,显示在塔体上的裂缝形态也急剧变化。其原因在于壳体工程施工都在塔墩的近旁和下面,直接扰动塔基和塔体,因而影响的反应迅速,但由于施工和监测的密切配合,由监测来引导和制约施工,使施工控制在一定的规模、时间和部位上,因而使塔体的变形和裂缝的变化都控制在最小限度范围内。在盖板工程期间,根据施工过程中塔体变形的规律进行了调整塔体倾斜度的尝试。结合壳体的基底施工,在塔基沉降量较小的南部,采用水平钻孔浅层掏土法解除地基应力,并适当扩大地基土方作业面和延长开挖暴露时间,增大塔基南部土的压缩量。通过调整南北沉降差,对塔体作适度向南纠倾。在本工程阶段,各施工环节都在变形监测的指导下有序进行,以确保塔体的安全。根据观测,塔体在盖板工程阶段采用了纠倾措施后,累计向南返回7mm,向西返回25mm,总体向西南返回26mm,且塔身向南微量返回对塔体裂缝无明显影响。515 换砖工程期间的观测塔墩换砖工程主要将西北塔心、东北塔心等砖墩上已经破坏失去承载能力的砌体进行更换并插筋浇筑,以提高塔墩的整体性能和承载力。工程于1986年3月22日开始,到1986年7月4日结束。施工中采取了逐段逐块小面积脱换和配筋砖砌体加强的措施,因此,各项测量值变化很小。516 虎丘塔加固后的跟踪观测虎丘塔加固工程竣工后,苏州市市区文物管理所对虎丘塔进行了连续跟踪测量,以进一步了解虎丘塔的加固效果,并为今后对游人开放做准备。图10给出了1985年到2000年的沉降和变形曲线图。由该图可知,在虎丘塔加固后近15年间,塔基沉降基本稳定,变动值在1125mm范围内;塔体的倾斜也已稳定,以侧移最大的E7测点为例,其侧移角不超过30,证明加固工程达到了预期的效果。6 虎丘塔监控观测的作用和意义11 虎丘塔加固工程的监控观测从1979年到1986年,历经七年之久,为我国文化遗产的修复保护工作积累了宝贵的资料。通过建立科学的监测系统,不仅能了解工程施工对结构特征参数的影响,并能依据结构特征参数的变化及时调整施工方法和进度。在围桩、灌浆工程中,由于合理地安排了施工顺序和采用了减振措施,有效地降低了地基扰动对塔体的影响。在盖板工程中,采取了“控制各次施工开挖范围、恰当选择施工部位、严格操作规程”等技术措施,最大限度地控制了塔体裂缝的发展,为砖石古塔纠倾加固的安全施工提供了成功的经验。65 土 木 工 程 学 报2004年(a)虎丘塔1986-1994年及1997-2000年塔基沉降观测曲线(b)虎丘塔东站1985-1995年及1997-2000年变形观测曲线图10 虎丘塔塔基沉降观测曲线及东站变形观测曲线Fig110Settlement observation curves of the base of pagoda and deformation observation curves at the east station21 虎丘塔的监测数据较精确地反映了建筑物在施工条件下的变形及其规律,由系统的观测分析可以找出施工时变形影响的性质和程度,以及其他影响变形的因素等。虎丘塔加固工程的一个重要方面是控制倾斜。在工程中,技术人员积极运用塔体变形规律,采用水平钻孔浅层掏土法等技术措施,使虎丘塔总体向西南返回26mm,从而减少了塔的倾斜程度。这是一次运用监测技术指导纠倾施工的尝试,取得了良好的效果。31千年古塔的加固效果,需要时间来进一步验75 第37卷 第7期刘殿华等 虎丘塔加固工程的监控和观测技术证。加固后的变形跟踪观测,对了解虎丘塔的加固效果及加固后的倾斜和沉降变形有着很重要的作用。苏州市市区文物管理所对虎丘塔进行了长达十六年的跟踪观测,积累了较丰富的资料。这些资料,不仅有助于工程界进一步认识虎丘塔的变形规律、指导今后的保护修缮工作,并可为同类古建筑的维护监控提供有益的借鉴。参 考 文 献1 袁建力,等.虎丘塔的倾斜控制和加固技术J.土木工程学报,2004,37(5)刘殿华 教授,结构教研室主任,国家注册一级结构工程师。研究方向:工程结构优化设计与加固。通讯地址:225009 江苏省扬州市江扬中路31号扬州大学建筑科学与工程学院土木系袁建力 教授,研究生处处长,中国 意大利国际合作文化遗产保护技术项目(国科外20001N111-2)和项目(国科外20021N147)主持人,江苏省科技项目虎丘塔纠倾加固与监控技术研究主持人。主要研究方向:古建筑抗震鉴定和保护、土木工程计算机应用与测试技术。杨福南 馆员,苏州市区文物保护管理所副所长。主要从事文物保护、加固和管理工作。(上接第5页)4 受弯构件专题组.劲性钢筋混凝土受弯构件受力性能及计算方法R,混凝土结构研究报告选集(3).北京:中国建筑工业出版社,1994:4704885 叶列平,赵树红,方鄂华.钢骨混凝土构件正截面承载力计算J.工程力学,1999,16(2):29366 李少泉,沙镇平.钢骨混凝土柱正截面承载力计算的叠加方法J.建筑结构学报,2002,23(3):27317Sherif El-Tawil,Gregory G.Deierlein:Strength and Ductilityof Concrete Encased Composite Columns J.Journal of Struc2tural Engineering,1999,125(9):10091019李少泉 副教授,硕士,从事混凝土结构及高层建筑结构的教学与研究,发表学术论文20余篇。通讯地址:361005福建省厦门市厦门大学建筑系沙镇平 教授,长期从事结构力学、混凝土结构及高层建筑结构的教学与研究,混凝土结构扭转研究曾获福建省科技进步二等奖(上接第40页)7 钟善桐.高层钢管混凝土结构M,哈尔宾:黑龙江科学技术出版社,19998 韩林海.钢管混凝土结构M,北京:科学出版社,20009 蒲心诚.超高强钢管混凝土 千米承压材料C,第三届全国现代建筑结构技术学术研讨会(昆明)论文集建筑结构技术新进展,2002年7月,西安:陕西人民教育出版社10 张立德,牟季美.纳米材料与纳米技术M,北京:科学出版社,200111 周惠久,颜海澄主编.新材料辞典M,上海:上海科学技术文献出版社,1996蒲心诚 博士,教授,博士生导师,主要在硅酸盐制品、碱矿渣水泥与混凝土、接触硬化胶凝材料、超高强混凝土、超高强钢管混凝土复合材料等领域从事研究工作。通讯地址:400045 重庆大学B区建材系王勇威 博士研究生,主要在超高强高性能混凝土领域从事研究工作。蒲怀京 力学试验工程师。王 冲 讲师,博士研究生,主要在超高强高性能混凝土领域从事研究工作。85 土 木 工 程 学 报2004年