緊鄰歷史古跡的開放式地下博物館逆作法施工技術(shù)研究*

張 瑞

1. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080

1 工程概況

1.1 地理位置概況

南京科舉博物館工程位于南京市秦淮區(qū)夫子廟商業(yè)區(qū)中心地帶，周邊為密集的商業(yè)街區(qū)及民居。同時(shí)，北側(cè)距著名歷史建筑明遠(yuǎn)樓僅8 m，且明遠(yuǎn)樓周邊有一需重點(diǎn)保護(hù)的古樹；東側(cè)為在建地鐵3號(hào)線。建筑設(shè)計(jì)為“硯臺(tái)”寶盒收納在地下。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

工程4層地下室周邊采用開放性大開孔逆作法施工，博物館中間本體脫離部分采用大開孔圓環(huán)支撐，圓環(huán)內(nèi)徑達(dá)46 m，以滿足在逆作階段過程中的水平力。在大開孔區(qū)域周邊北側(cè)及南側(cè)設(shè)置了多處2 600 mm×800 mm豎向柱以及厚600 mm的豎向剪力墻。中間為地下4層博物館本體。

博物館本體為勁性型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，采用“上掛下托”的形式，即B2板架于B3板之上，由B3板承受B2板荷載；B1板掛在B0板上，由B0板承受B1板的荷載。B1板與B0板之間設(shè)置拉桿，B3板與B2板之間設(shè)置托桿。

1.3 圍護(hù)概況

本工程基坑周邊普遍采用厚1 000 mm“兩墻合一”地下連續(xù)墻（柔性接頭），地下連續(xù)墻共計(jì)63幅；基坑北側(cè)靠近明遠(yuǎn)樓區(qū)域及西側(cè)需清除地下障礙物區(qū)域的地下連續(xù)墻兩側(cè)設(shè)φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁槽壁加固，其余區(qū)域地下連續(xù)墻外側(cè)槽段接縫處采用φ1 000 mm@700 mm高壓旋噴樁止水。

2 工程難點(diǎn)與特點(diǎn)

1）明遠(yuǎn)樓距基坑北側(cè)邊最近處僅8 m；其周邊有多棵古樹，樹冠高大、根系發(fā)達(dá)，極易受到圍護(hù)施工影響。

2）工程4層地下室周邊采用開放式逆作法施工，在逆作法階段采用大開孔圓環(huán)支撐，直徑達(dá)到46 m，正常使用階段將圓環(huán)支撐拆除，周邊逆作區(qū)域與本體順作區(qū)域之間完全脫開，形成一個(gè)完全開放性的結(jié)構(gòu)形式。

3）博物館工程力求空間效果，結(jié)構(gòu)上采用“上掛下托”的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)施工的難度較大。

3 歷史古跡保護(hù)措施

3.1 運(yùn)用逆作法施工

本工程位于南京夫子廟旅游風(fēng)景區(qū)的核心地帶，場(chǎng)地極為狹小，且基坑的北側(cè)為歷史保護(hù)建筑物。為了降低施工對(duì)周邊環(huán)境及歷史保護(hù)建筑物的影響，本工程采用逆作法施工。逆作法方案以4層結(jié)構(gòu)梁板作為基坑開挖階段的水平支撐，其支撐剛度大，對(duì)水平變形的控制極為有效。在首層結(jié)構(gòu)梁板上設(shè)置專用的施工車輛運(yùn)行通道及堆載場(chǎng)地。利用首層結(jié)構(gòu)梁板作為施工機(jī)械的挖土平臺(tái)及車輛運(yùn)作通道，有效地解決了基地周邊施工場(chǎng)地狹小的問題[1]。

3.2 增強(qiáng)基坑圍護(hù)

本工程基坑周邊普遍采用厚1 000 mm“兩墻合一”地下連續(xù)墻（柔性接頭），北側(cè)靠近明遠(yuǎn)樓區(qū)域則采用厚1 000 mm的T形地下連續(xù)墻。加強(qiáng)地下連續(xù)墻的剛度，避免在開挖過程中明遠(yuǎn)樓處土體位移導(dǎo)致建筑物的破壞。

3.3 采用鋼板樁保護(hù)古樹

明遠(yuǎn)樓兩側(cè)有4棵枝繁葉茂的古樹，其與明遠(yuǎn)樓形成一個(gè)極為融洽的風(fēng)景。為避免在施工過程中對(duì)這4棵古樹產(chǎn)生破壞性的影響，進(jìn)場(chǎng)施工之前，在4棵古樹與基坑邊之間插入了一排深9 m的拉森鋼板樁，使其根系與施工區(qū)域之間形成一道人為的屏障，以盡可能減少破壞。

4 地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 垂直度控制

普通臨時(shí)圍護(hù)地下連續(xù)墻垂直度一般要求控制在1/150，而“兩墻合一”地下連續(xù)墻由于其在基坑工程完成后作為主體工程的一部分而將承受永久荷載的作用，成槽垂直度的好壞，不僅關(guān)系到鋼筋籠吊裝、預(yù)埋裝置安裝及整個(gè)地下連續(xù)墻工程的質(zhì)量，更關(guān)系到“兩墻合一”地下連續(xù)墻的受力性能，因此成槽垂直度要求比普通臨時(shí)圍護(hù)地下連續(xù)墻要求更高。一般作為“兩墻合一”的地下連續(xù)墻垂直度需達(dá)到1/300，本工程設(shè)計(jì)要求成槽垂直度達(dá)到1/400，因此施工中需采取相應(yīng)的措施來保證超深地下連續(xù)墻的垂直度[2]。

4.2 節(jié)點(diǎn)防滲技術(shù)

“兩墻合一”地下連續(xù)墻既作為圍護(hù)節(jié)點(diǎn)擋土、擋水結(jié)構(gòu)，也作為結(jié)構(gòu)地下室外墻起著永久的擋土、擋水作用，因此對(duì)防水、防滲要求極高。地下連續(xù)墻單元槽段依靠接頭連接，這種接頭通常要滿足受力和防滲要求，但通常地下連續(xù)墻接頭的位置是防滲的薄弱環(huán)節(jié)。可采用以下措施：

1）由于地下連續(xù)墻是泥漿護(hù)壁成槽，接頭混凝土面上必然附著有一定厚度的泥皮（與泥漿指標(biāo)、制漿材料有關(guān)），如不清除，澆筑混凝土?xí)r在槽段接頭面上就會(huì)形成一層夾泥帶，基坑開挖后，在水壓作用下可能從這些地方滲漏水及冒砂。為了減少這種隱患，保證地下連續(xù)墻的質(zhì)量，施工中必須采取有效的方法進(jìn)行混凝土壁面清刷。

2）接頭處設(shè)置扶壁柱：通過在連續(xù)墻接頭處設(shè)置扶壁柱來加大地下連續(xù)墻外水流的滲流途徑，折點(diǎn)多、抗?jié)B性能好。

3）在接頭處采用旋噴加固：連續(xù)墻施工結(jié)束后，在基坑開挖前對(duì)槽段接頭縫進(jìn)行品字形旋噴樁加固?？孜淮_定通常以接縫樁中心為對(duì)稱軸，距連續(xù)墻邊緣不超過1 m，鉆孔深度宜達(dá)基坑開挖面以下1 m。

4.3 方案的比選與改良

按照設(shè)計(jì)圖紙的要求，南京科舉博物館項(xiàng)目地下連續(xù)墻需要進(jìn)入④2層中風(fēng)化層至少2 m。針對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)要求，對(duì)“鉆抓結(jié)合”以及“抓銑結(jié)合”2種施工方案進(jìn)行比選。由于嵌巖深度不深（平均深度約為2.5 m），中風(fēng)化持力層④2層強(qiáng)度為4 MPa。再結(jié)合場(chǎng)地以及費(fèi)用等各方面因素考慮，決定采用“鉆抓結(jié)合”的成槽工藝進(jìn)行施工。

在試成槽階段對(duì)暴露出來的一些問題進(jìn)行改良。主要是增加抓斗質(zhì)量，在抓斗兩側(cè)增加鋼板，大大提高斗齒挖掘時(shí)的貫入力，導(dǎo)架側(cè)向呈圓弧過渡，減少了間隙，提高了抓斗的穩(wěn)定性，采用短斗齒，加大油泵功率，提升成槽機(jī)的機(jī)械性能。槽段成孔為3孔，鉆孔凈距保持在1.5～2 m，成槽過程中如挖土速度較慢可在中間增設(shè)鉆孔。

先按正常挖土成槽施工，根據(jù)地勘報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)，在即將挖至④1層土?xí)r，預(yù)留1～2 m位置，采用直徑與地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)厚度相同的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)取土。預(yù)留1～2 m起到對(duì)旋挖鉆機(jī)限位的作用。避免旋挖鉆機(jī)直接在巖層鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生打滑，導(dǎo)致槽底呈圓弧形的情況。

5 挖土施工

5.1 取土口設(shè)置

為了滿足結(jié)構(gòu)受力以及有效傳遞水平力的要求，利用中間環(huán)形支撐位置作為最大的取土口使用。西側(cè)取土口利用樓板結(jié)構(gòu)間距30～35 m進(jìn)行布置（圖1）。

5.2 挖土分塊分析

首層土方采用大開挖的形式進(jìn)行開挖。第2、3層土采用長(zhǎng)臂挖機(jī)，利用3個(gè)取土口及中心圓環(huán)支撐進(jìn)行取土。第4、5層土采用電吊及長(zhǎng)臂挖機(jī)結(jié)合在B0板上進(jìn)行取土。按照工作量將基坑劃分為4個(gè)區(qū)域，并按照1→3→4→2的順序進(jìn)行跳倉施工。

6 開放式逆作法施工

6.1 本體外圍結(jié)構(gòu)施工

由于工程4層地下室周邊采用開放式逆作法施工，在逆作法階段采用大開孔圓環(huán)支撐，直徑達(dá)46 m，占整個(gè)基坑面積的2/3。如此大的缺失對(duì)其余周邊結(jié)構(gòu)的自身剛度也提出了一個(gè)較大的要求。

6.1.1 逆作法施工階段

為了確保其自身結(jié)構(gòu)的剛度，在逆作法施工階段大開孔區(qū)域采用圓環(huán)支撐的結(jié)構(gòu)形式來確保其水平力的傳遞形成對(duì)稱。同時(shí)，在大開孔結(jié)構(gòu)較為薄弱的4個(gè)角部區(qū)域，對(duì)各層采用厚400 mm樓板同時(shí)內(nèi)配型鋼的措施，以提升角部區(qū)域水平構(gòu)件的剛度（圖2）。

6.1.2 永久使用階段

另外，在正常使用階段，地下2層北側(cè)、地下3層?xùn)|側(cè)及南側(cè)3塊區(qū)域的樓板存在缺失。結(jié)合大開孔特殊的結(jié)構(gòu)形式，在東側(cè)、北側(cè)以及南側(cè)地下連續(xù)墻迎坑面設(shè)置了厚400 mm的混凝土內(nèi)襯墻，在大開孔區(qū)域的北側(cè)及東側(cè)設(shè)置了厚600 mm的混凝土剪力墻，在大開孔區(qū)域的北側(cè)及南側(cè)設(shè)置了14根截面為600 mm×2 600 mm的矩形柱。這使得在圓環(huán)支撐拆除前，東、南、北3側(cè)均形成了一個(gè)完整的箱體，大大提升了整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。

圖1 基坑分區(qū)及取土口平面布置示意

圖2 逆作施工階段開孔 區(qū)域加強(qiáng)

6.2 結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)

逆作法工程施工過程中由于結(jié)構(gòu)樓板即為水平支撐體系，因此，在施工過程中需要對(duì)自身結(jié)構(gòu)體系的受力情況進(jìn)行分析，挑選應(yīng)力較小的區(qū)域設(shè)置施工縫，避免由于留設(shè)施工縫而形成結(jié)構(gòu)裂縫。

值得注意的是必須要等到豎向短柱及剪力墻施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可拆除中間環(huán)形支撐。

另外，在對(duì)大開孔區(qū)域圓環(huán)支撐進(jìn)行拆除時(shí)，采用對(duì)永久結(jié)構(gòu)影響最小的靜力切割的方式進(jìn)行拆除。

6.3 施工流程

第1層土方開挖至-2.55 m→施工B0層逆作樓板→第2層土方開挖至-7.20 m→施工B1層逆作樓板→第3層土方開挖至-12.55 m→施工B2層逆作樓板→第4層土方開挖至-16.25 m→施工B3層逆作樓板→第5層土方開挖至-20.90 m→施工底板（穿插錨桿樁施工）

6.4 上掛下托結(jié)構(gòu)施工

6.4.1 本體結(jié)構(gòu)形式

在大開孔區(qū)域內(nèi)為博物館本體，其與周邊區(qū)域相互脫開，作為一個(gè)博物館主體，需要特殊的展陳要求以及獨(dú)特的建筑表現(xiàn)形式，底板處為一個(gè)大空間形式，各層樓板外圍處于一個(gè)懸挑狀態(tài)，因此提出了一個(gè)“上掛下托”的結(jié)構(gòu)形式（圖3）。由于與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有所不同，盲目地按照傳統(tǒng)施工工序進(jìn)行施工可能導(dǎo)致與設(shè)計(jì)工況不符，繼而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的安全隱患。因此，利用軟件模擬可能發(fā)生的工況條件，從而確定最終的施工方案。

6.4.2 施工流程

完成底板施工→拆除第3、4道支撐→吊裝B3及B2層鋼結(jié)構(gòu)勁性梁柱→施工B3層樓板→施工B2層樓板→拆除第1、2道支撐→吊裝B1及B0層鋼結(jié)構(gòu)勁性梁柱→施工B1層樓板→施工B0層樓板

圖3 本體區(qū)域結(jié)構(gòu)模型

7 監(jiān)測(cè)分析

目前，南京科舉博物館已經(jīng)完成了施工階段與使用階段2個(gè)工況的轉(zhuǎn)換。在整個(gè)逆作法施工的過程中，周圍管線最大沉降為11.2 mm，周圍地表最大沉降6.3 mm，基坑最大位移7.13 mm。相比其他采用順作法的深基坑工程，其變化值是相當(dāng)小的。與部分采用逆作法的工程相比，也屬于變形較小的。支撐拆除后，由于采用比較合理的施工工藝，變形未發(fā)生較大的變化，尤其是T形槽段的加固使得明遠(yuǎn)樓前方區(qū)域墻體的變化值極小。

變化值之所以小有2個(gè)原因：一是工程工期十分緊張，無形中加快了整個(gè)施工的進(jìn)度，減少了基坑暴露時(shí)間。從最大位移點(diǎn)的位置來看，該區(qū)域?yàn)樘崆伴_挖區(qū)域，由于暴露時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致產(chǎn)生的位移相對(duì)較大。二是本工程采用了逆作法施工技術(shù)，利用結(jié)構(gòu)樓板自身作為水平支撐體系，在地下室結(jié)構(gòu)施工階段起到了約束作用[4]。

8 結(jié)語

南京科舉博物館工程在僅僅12個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，就完成了包括樁基圍護(hù)、地下室主體結(jié)構(gòu)、地上3層裙房主體結(jié)構(gòu)、機(jī)電安裝以及裝飾裝修等工程，在青奧會(huì)之前完成了負(fù)一層臨展對(duì)外開館。工程采用了逆作法施工技術(shù)，一方面大大縮短了整個(gè)地下部分的施工周期；另一方面大大降低了對(duì)周圍建筑及景區(qū)整體環(huán)境的影響。