緊鄰歷史保護(hù)建筑深基坑工程新工藝
——CSM工法的應(yīng)用

■ 徐 楓 Xu Feng 段朝靜 Duan Chaojing

緊鄰歷史保護(hù)建筑深基坑工程新工藝
——CSM工法的應(yīng)用

■ 徐 楓 Xu Feng 段朝靜 Duan Chaojing

以同濟(jì)中學(xué)圖書館暨楊浦區(qū)圖書館修繕擴(kuò)建項(xiàng)目一期工程的深基坑工程為背景，以保護(hù)緊鄰優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑為主線，介紹一種深基坑工程新工藝——CSM工法，并總結(jié)歷史建筑保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)措施。其成功實(shí)踐可為類似條件下的基坑工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。

基坑圍護(hù)；CSM工法；優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑；設(shè)計(jì)；施工

0 引言

隨著上海城市建設(shè)和更新改造的不斷發(fā)展，臨近的工程活動(dòng)，尤其是深基坑開挖對既有建筑物產(chǎn)生的影響越來越受到關(guān)注。特別是對于眾多具有獨(dú)特歷史文脈和文化精髓的優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑，該類建筑通常年代久遠(yuǎn)，其基礎(chǔ)薄弱、構(gòu)件老化、整體抗變形能力較差。因此，其周邊深基坑的設(shè)計(jì)與施工對變形控制的要求尤為苛刻，必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)以保證其安全性。本文討論的同濟(jì)中學(xué)圖書館暨楊浦區(qū)圖書館（舊上海市圖書館）修繕擴(kuò)建項(xiàng)目一期工程，其周邊的歷史保護(hù)建筑就具有這樣的特點(diǎn)。因此，緊鄰歷史保護(hù)建筑的深基坑工程在設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)具有其特殊的應(yīng)對措施。

目前，國內(nèi)已有許多工程師和研究人員對此類問題進(jìn)行了不少設(shè)計(jì)和研究工作：劉征[1]、鐘錚等[2]、黃茂松等[3]總結(jié)了歷史保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對變形的控制要求，通過實(shí)際保護(hù)案例的實(shí)踐，提出了基于周邊既有建筑物承載能力的基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)；邸國恩等[4]介紹了敏感環(huán)境條件下上海盧灣區(qū)47#、48# 街坊項(xiàng)目深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選型分析思路；侯勝男等[5]對緊鄰深基坑某歷史建筑變形進(jìn)行了實(shí)測分析。

先前的成功案例多是在歷史保護(hù)建筑預(yù)先加固的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行基坑圍護(hù)，而本案例中，由于受現(xiàn)場條件限制，緊鄰的歷史保護(hù)建筑未能預(yù)先進(jìn)行基礎(chǔ)加固。為此，本文將結(jié)合工程實(shí)例，介紹一種新工藝——CSM工法，即雙輪銑深攪水泥攪拌墻內(nèi)插型鋼。

1.1 歷史建筑結(jié)構(gòu)概況

同濟(jì)中學(xué)圖書館位于黑山路181號，始建于1935年，為一幢主體2層、局部4層的混凝土結(jié)構(gòu)房屋，原為舊上海市立圖書館，現(xiàn)該房屋已空置。該房屋于1994年2月15日被上海市人民政府批準(zhǔn)為上海市第二批優(yōu)秀歷史建筑，保護(hù)類別為二類；2004 年2月25日被上海市楊浦區(qū)人民政府核定公布為上海市楊浦區(qū)“區(qū)級文物保護(hù)單位”。

隨著上海市文化事業(yè)蓬勃發(fā)展，楊浦區(qū)委、區(qū)政府決定將圖書館修繕擴(kuò)建作為楊浦區(qū)圖書館新館，工程將按建筑師董大酉最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想恢復(fù)建設(shè)成為一棟完整的建筑物。

同濟(jì)中學(xué)圖書館是國內(nèi)少有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的中國宮殿式建筑，由董大酋設(shè)計(jì)，張?jiān)Ｌ┖嫌洜I造廠承建，于1934年動(dòng)工，1935年竣工。房屋采用條形或方形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬約1.25m，基礎(chǔ)埋深約1.65～1.77m。

本房屋鋼筋混凝土構(gòu)件的碳化深度均超過保護(hù)層厚度，混凝土表面碳化較嚴(yán)重。房屋混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕嚴(yán)重，構(gòu)件處于高概率銹蝕狀態(tài)。房屋向北平均傾斜率為2.61‰，東西方向無明顯傾斜規(guī)律，房屋整體向北傾斜；最大角部棱線傾斜率為4.88‰，個(gè)別角部棱線傾斜率略大。房屋平面呈中間低四周高的趨勢，中部門樓（C區(qū)）沉降相對較大。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程場地內(nèi)較為平坦，屬濱海平原地貌類型。場地淺層地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位為0.3～1.5m。場地的工程地質(zhì)條件及基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.3 基坑周邊環(huán)境概況

1 工程概況

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合成果表

基坑?xùn)|、南、西三側(cè)均分布有市政道路，且道路下面分布有多條市政管線，最近的市政管線與基坑距離約10.5m。

基坑北側(cè)分布有歷史保護(hù)建筑（主體為2層混凝土結(jié)構(gòu)、局部為4層）?；优c歷史保護(hù)建筑外墻的最近距離約2.4m，與歷史保護(hù)建筑原有基礎(chǔ)邊緣的最近距離約1.9m。

該歷史保護(hù)建筑為本次基坑圍護(hù)的重點(diǎn)保護(hù)對象，初步考慮先錨桿靜壓樁基礎(chǔ)加固后再實(shí)施基坑圍護(hù)。但檢測時(shí)，在舊基礎(chǔ)下發(fā)現(xiàn)木樁，且受現(xiàn)場及檢測條件限制，木樁具體布置情況無法調(diào)查；同時(shí)，由于室內(nèi)地坪及原有特色裝飾皆為文物，需重點(diǎn)保護(hù)不得破壞，舊基礎(chǔ)無法進(jìn)行錨桿靜壓樁預(yù)加固。

綜上所述，本基坑工程周邊環(huán)境條件保護(hù)要求較高，尤其緊鄰的歷史保護(hù)建筑本身無法進(jìn)行基礎(chǔ)預(yù)加固，對變形較為敏感。周邊敏感的環(huán)境對該基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提出了較高要求?；又苓叚h(huán)境總平面及有關(guān)監(jiān)測點(diǎn)布置見圖1。

2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

考慮到本工程場地空間狹小、工期緊張，為達(dá)到對緊鄰歷史保護(hù)建筑物的重點(diǎn)保護(hù)要求，綜合比較灌注樁、SMW工法等各圍護(hù)形式后，最終采用一種新工藝——CSM工法（雙輪銑深攪水泥攪拌墻內(nèi)插型鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)）

作為圍護(hù)體（圖2）。

2.1 CSM工法原理及特點(diǎn)

CSM工法樁又稱雙輪銑深層攪拌技術(shù)，其主要原理是通過鉆桿下端的一對液壓銑輪，對原地層進(jìn)行銑、銷、攪拌，同時(shí)摻入水泥漿固化液，與被打碎的原地基土充分?jǐn)嚢杌旌虾螅纬删哂幸欢◤?qiáng)度和良好止水性能的水泥土連續(xù)墻。這種施工方法的優(yōu)點(diǎn)有：①CSM工法樁置換土少，節(jié)約施工場地；②CSM工法樁接頭少，墻體攪拌均勻，套銑無縫施工，止水效果好；③CSM工法樁在施工過程中對周邊土體擾動(dòng)小，最大限度地保護(hù)周邊建筑；④CSM工法樁施工效率高，節(jié)約工期。

2.2 具體圍護(hù)設(shè)計(jì)

圖1 基坑周邊環(huán)境總平面及有關(guān)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖2 CSM工法銑頭

圍護(hù)體采用820mm厚CSM工法樁，水泥摻量為20%，樁長16.5m，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。一般區(qū)域型鋼間距1.2m，長度13.5m；緊鄰歷史保護(hù)建筑區(qū)域型鋼間距0.60m，長度15.0m，坑內(nèi)側(cè)設(shè)置雙軸攪拌樁裙邊加固，且該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)施工完成后型鋼不拔除?；觾?nèi)設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐，井字形布置。在基坑北側(cè)緊鄰歷史保護(hù)建筑區(qū)域，采用H400×400×13×21型鋼斜拋撐穿墻換撐（圖3）。

3 對歷史建筑保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)措施

由于鄰近歷史建筑物無法通過樁基托換等自身強(qiáng)化型技術(shù)措施來提高其抵抗不均勻變形的能力，故必須從基坑工程“源頭”出發(fā)，采取針對性的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)措施，減少基坑工程自身變形。

圖3 基坑靠近建筑物側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

（1）圍護(hù)選用止水效果較好與對周邊土體擾動(dòng)較小的CSM工法新工藝，為確保型鋼插入設(shè)計(jì)標(biāo)高及成樁質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場試成樁調(diào)整水灰比至1.5，相鄰槽段噴漿工藝的施工時(shí)間間隔不大于10h，一般區(qū)域下沉速度50～80cm/min，提升速度80～100cm/min；緊鄰歷史保護(hù)建筑區(qū)域下沉速度30～50cm/min，提升速度50～80cm/min，以減少圍護(hù)樁施工過程中的不利影響。

（2）歷史保護(hù)建筑區(qū)域加密內(nèi)插型鋼間距，采用水泥攪拌樁坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固，選擇合理的土方開挖方案，以減小土方開挖階段圍護(hù)體的位移。

（3）支撐采用井字形布置，提高其內(nèi)支撐體系整體剛度，抵抗土方開挖對歷史保護(hù)建筑的不利影響。

（4）采用靜力切割水平支撐，排除采用機(jī)械鎬頭機(jī)或爆破拆除的方式，減少拆撐導(dǎo)致的周邊土體震動(dòng)。

（5）在拆撐之前采用H型鋼換撐，以減少拆撐導(dǎo)致的內(nèi)支撐體系剛度衰減。

（6）止水帷幕隔斷開挖范圍內(nèi)砂性土，在土方開挖前進(jìn)行坑內(nèi)降水，以增加坑內(nèi)土體的有效應(yīng)力，提高其強(qiáng)度。

（7） 在基坑施工過程中，對歷史保護(hù)建筑全程監(jiān)測。

4 實(shí)施與監(jiān)測

對歷史建筑的沉降觀測貫穿于基坑工程的全過程，包括圍護(hù)體施工、坑內(nèi)攪拌樁加固、基坑開挖（含降水）及拆撐等階段。

4.1 施工工況

圖4 圍護(hù)體在各個(gè)工況下的側(cè)向位移

根據(jù)工程實(shí)施情況，現(xiàn)場施工順序基本可劃分為以下5個(gè)工況：①工況1，施工雙輪銑深攪水泥土攪拌墻、型鋼、立柱樁、立柱及坑內(nèi)加固；②工況2，開挖至支撐底，澆筑支撐；③工況3，開挖至基底，澆筑墊層和底板；④工況4，施工型鋼換撐，拆除水平支撐；⑤工況5，施工頂板，基坑槽壁回填，非重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域型鋼回收，重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域型鋼不回收，及空隙注漿處理。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖4表示圍護(hù)體在各個(gè)工況下的典型側(cè)向位移情況?？梢钥闯?，圍護(hù)體的側(cè)向位移主要發(fā)生在支撐至坑底的土方開挖階段，開挖至基底后，隨著墊層、底板澆筑完成及型鋼換撐安裝完畢，圍護(hù)體的變形增量較小。在水平支撐拆除之后，僅剩型鋼換撐體系，內(nèi)支撐體系整體剛度減弱，圍護(hù)體存在較大的變形增量。圍護(hù)體的最大側(cè)向位移為14.2mm，基本處于開挖面附近。

圖5表示基坑北側(cè)緊鄰的優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑沉降監(jiān)測情況，統(tǒng)計(jì)的各監(jiān)測點(diǎn)分布在建筑物靠近基坑側(cè)建筑邊線的角部及中部。從圖5可以看出，各點(diǎn)沉降主要發(fā)生在圍護(hù)施工及土方開挖階段，最大沉降點(diǎn)位于F10測點(diǎn)，沉降值為35.57mm，其余各點(diǎn)沉降均不超過30mm。在拆撐階段，各點(diǎn)沉降已保持穩(wěn)定，沉降增幅較小。在工程實(shí)施階段，歷史保護(hù)建筑物的沉降均處于可控狀態(tài)，雖然建筑物個(gè)別測點(diǎn)最大沉降達(dá)到35.57mm，但建筑物各邊沉降差均小于10mm，建筑物不均勻沉降較小，且建筑物整體情況較好，未出現(xiàn)新增裂縫、傾斜等不良現(xiàn)象。

圖5 鄰近優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑沉降監(jiān)測

監(jiān)測情況表明，本基坑工程采用的CSM工法，以及采取的針對性設(shè)計(jì)與施工技術(shù)措施有效地保護(hù)了緊鄰歷史保護(hù)建筑和周邊環(huán)境，使緊鄰歷史保護(hù)建筑和周邊環(huán)境的沉降變形均在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

長期以來，緊鄰歷史保護(hù)建筑條件下的基坑圍護(hù)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施備受關(guān)注。先前的成功案例多是在歷史保護(hù)建筑預(yù)先加固的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行基坑圍護(hù)和開挖。

本文所述的同濟(jì)中學(xué)圖書館暨楊浦區(qū)圖書館（舊上海市圖書館）修繕擴(kuò)建項(xiàng)目一期工程，由于現(xiàn)場條件限制未能預(yù)先基礎(chǔ)加固，只得在基坑圍護(hù)上采取針對性技術(shù)措施。為此，本工程中采用了一種可應(yīng)用于上述環(huán)境條件下基坑工程的新工藝——CSM工法。

目前，同濟(jì)中學(xué)圖書館暨楊浦區(qū)圖書館修繕擴(kuò)建項(xiàng)目一期工程的基坑工程已經(jīng)成功實(shí)施完畢。整個(gè)基坑實(shí)施過程有效地保護(hù)了緊鄰歷史保護(hù)建筑和市政管線等周邊環(huán)境的安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。此項(xiàng)目基坑工程的成功實(shí)踐可為類似條件下基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益的借鑒和參考。

[1]劉征.臨近歷史保護(hù)建筑的深基坑設(shè)計(jì)與施工[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(S2):165-169.

[2]鐘錚,許亮,王祺國等.緊鄰保護(hù)建筑的深基坑逆作法設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(S1):249-255. [3]黃茂松,朱曉宇,張陳蓉.基于周邊既有建筑物承載能力的基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(11):2305-2311.

[4]邸國恩,黃炳德,王衛(wèi)東.敏感環(huán)境條件下深基坑工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,7(32):383-387.

[5]侯勝男,劉陜南,劉征,沈南生,周志道,岳建勇.緊鄰深基坑某歷史建筑變形實(shí)測分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(5):977-982.

New Technology for Deep Foundation Pit Project Close to Historic Preservation Building --Application of CSM Construction Method

Based on background of the deep foundation pit project located in the site of Tongji Middle School Library/Yangpu Library's Renovation and Extension Project, this paper introduces a new technology of deep excavation project -- CSM method and summarizes the key technical measures for the protection of historic buildings based on the protection of nearby excellent historical reservation building. This successful practice can provide an example and reference for the design and construction of foundation pit under the similar conditions.

foundation pit support, CSM method, excellent historic preservation architecture, design, construction

2016-09-18）