緊鄰歷史保護(hù)建筑的深基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

潘黎萍

上海市建筑學(xué)會 上海 201112

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，在狹窄的場地內(nèi)進(jìn)行開發(fā)地下空間的情況已是常態(tài)。在緊鄰歷史保護(hù)建筑的范圍內(nèi)進(jìn)行深基坑施工時，不僅需要解決深基坑自身的施工安全問題，也要控制其對周邊環(huán)境的變形影響。為此，不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[1-5]。劉征[6]以上海半島酒店工程為例，根據(jù)歷史保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)特點及其對變形的控制要求，采取分期施工的方法，在實施過程中依據(jù)基坑信息化施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行施工過程控制，較成功地實現(xiàn)了鄰近歷史保護(hù)建筑的深基坑設(shè)計與施工。張治國等[7]以上海某在建工程為例，對基坑不同施工階段的鄰近歷史保護(hù)建筑物沉降進(jìn)行監(jiān)測，針對基坑開挖過程中產(chǎn)生的附近土層隆沉、地下連續(xù)墻水平位移和建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)沉降等進(jìn)行了分析，并對基坑加固以及拆撐等不同工況下的鄰近建（構(gòu)）筑物沉降情況進(jìn)行了更深入的研究。李攀登等[8]以華僑城42街坊基坑工程為例，按照“時空效應(yīng)”的基本原理，遵循行業(yè)內(nèi)土方開挖的分塊、分層、限時、平衡、對稱等原則進(jìn)行基坑的設(shè)計與施工，取得了很好的變形控制效果，保證了鄰近歷史保護(hù)建筑的安全。

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過提煉與歸納，結(jié)合以往工程施工經(jīng)驗，以上海軟土地質(zhì)條件下的深基坑工程為案例，進(jìn)一步闡述了緊鄰歷史保護(hù)建筑的深基坑施工時，經(jīng)實際驗證了的有效技術(shù)措施。

1 工程概況

上海某深基坑工程項目基地位于浦東新區(qū)，總建筑面積18 022 m2，其中地下建筑面積9 290 m2，地上建筑面積8 732 m2。墊層厚150 mm，基礎(chǔ)底板厚500 mm，工程樁采用φ650 mm的鉆孔灌注樁。工程基坑平面形狀呈L形，開挖面積約4 600 m2，開挖深度11.75 m，局部深度12.25～13.55 m，采用順作法施工。本深基坑項目的周邊環(huán)境較為復(fù)雜，基坑北側(cè)緊鄰上海市一優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑，與此同時，基坑周邊分布有不少的老舊建筑、各種不同直徑的管線以及軌交區(qū)間隧道等。

本工程北側(cè)緊鄰歷史保護(hù)建筑。該歷史保護(hù)建筑與基坑邊的距離約為4.46 m。該建筑歷史較為悠久，且缺失原始圖紙。根據(jù)現(xiàn)場查看，該建筑采用磚砌大放腳基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深在自然地面以下1.0～1.4 m。該歷史保護(hù)建筑采用3層磚木結(jié)構(gòu)，豎向承重結(jié)構(gòu)則采用磚砌體，樓板為木格柵地板樓面，屋面采用三角形木屋架。

本項目基坑工程淺部的土層結(jié)構(gòu)較為松散，且呈現(xiàn)透水性能差的特性。在開挖的相應(yīng)深度范圍內(nèi)，相關(guān)土層均屬于較為典型的上海軟土地質(zhì)。其中由上而下的第③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，該土層一般呈灰色，且含水量較為豐富，透水性較差。因此，在該層土方開挖的施工過程中，極易產(chǎn)生類似“彈簧土”的不良現(xiàn)象，對土方開挖施工非常不利。

2 施工難點

2.1 緊鄰歷史保護(hù)建筑

根據(jù)相關(guān)的鑒定報告，該建筑的結(jié)構(gòu)砌塊與砌筑砂漿等實際強度普遍較低，且設(shè)計時沒有設(shè)置構(gòu)造柱等，由于缺少有效的構(gòu)造措施，故該建筑的整體性顯得非常差。同時，該建筑在整體結(jié)構(gòu)上存在略微的傾斜現(xiàn)象，且在結(jié)構(gòu)方面也發(fā)現(xiàn)有不少的裂縫。

另外，磚砌大放腳的基礎(chǔ)形式雖然屬于剛性基礎(chǔ)，且其基礎(chǔ)下的應(yīng)力是較為均勻的，但相應(yīng)的抗剪能力與抗拉能力卻仍較差，在地基土層發(fā)生相應(yīng)變形的情況下較容易產(chǎn)生開裂等不良現(xiàn)象。與此同時，該建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系（磚木結(jié)構(gòu)），也是屬于傳統(tǒng)上偏于簡單的結(jié)構(gòu)體系。眾所周知，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時，砌體結(jié)構(gòu)相較于其他類型的結(jié)構(gòu)是更為敏感的，而位于砌體結(jié)構(gòu)之上的木結(jié)構(gòu)擱置處，在局部發(fā)生傾斜的條件下也將隨之發(fā)生位置移動。

由上述可知，該保護(hù)建筑在鄰近的基坑施工時，如無加固措施，將難以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，其必須在基坑開始施工之前采取相應(yīng)的針對性措施，確保加固效果，從而保證安全。

2.2 基坑的周邊環(huán)境較為復(fù)雜

本工程基坑的周圍存在大量的居民區(qū)老舊建筑，且這些老舊建筑的房齡大多在40 a以上。東側(cè)、南側(cè)緊鄰的道路下均有大量的市政管線，其中東側(cè)的地下高壓電纜距圍護(hù)三軸樁外側(cè)最近處僅1.0 m，南側(cè)的地下高壓電纜距圍護(hù)三軸樁外側(cè)最近處僅0.5 m。大部分管線均處于基坑開挖深度的影響范圍內(nèi)，施工期間所有管線都處于工作狀態(tài)，須保證其正常使用。

2.3 場內(nèi)施工條件受限

本工程基坑的整體形狀大致為L形。由于形狀較不規(guī)則，因此該基坑內(nèi)的陽角位置較多，支撐設(shè)置受力不均，非常不利于基坑的變形控制。另外，本工程在東西兩側(cè)各設(shè)置1個出土口，但受現(xiàn)場條件所限，出土口的寬度僅6.5 m。本工程基坑的施工場地較為狹小，綜合考慮后，擬將南側(cè)與西側(cè)作為主要的施工場所，同時設(shè)置有臨時設(shè)施以及施工需要的鋼筋加工堆場，而其余的場地區(qū)域內(nèi)均難以進(jìn)行相應(yīng)的基坑施工作業(yè)。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 基坑支護(hù)體系設(shè)計優(yōu)化

3.1.1 基坑圍護(hù)

本工程豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)在考慮實際情況后，采用了MJS（全方位高壓噴射）水泥土攪拌樁套打鉆孔灌注樁的基坑圍護(hù)方式。MJS工法樁可以有效確?；訃o(hù)的隔水效果，同時，在相應(yīng)的MJS工法樁完成施工以后，應(yīng)當(dāng)預(yù)留充分的時間，只有保證沉降趨于穩(wěn)定且MJS樁的強度達(dá)到設(shè)計要求之后，方可進(jìn)行后續(xù)的鉆孔灌注樁施工。后續(xù)的鉆孔灌注樁在施工時，應(yīng)當(dāng)滿足相應(yīng)的強度要求，避免因前一工序環(huán)節(jié)的施工進(jìn)度過快，導(dǎo)致未能達(dá)到設(shè)計的強度要求，從而將鉆孔灌注樁施工對周圍土體的擾動影響降到最低。

3.1.2 支撐體系

本工程基坑面積相對較小，但環(huán)境保護(hù)要求高，因此，在基坑設(shè)計時于坑內(nèi)設(shè)置2道水平支撐，采用鋼筋混凝土材質(zhì)，并以十字對撐形式設(shè)置。鋼筋混凝土支撐能充分發(fā)揮材質(zhì)性能，具有受力明確、剛度強以及變形較小等優(yōu)點，適用于對周圍環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑布置。在拆除鋼筋混凝土支撐時，針對十字支撐的形式，其在2個方向的相應(yīng)主撐被破除后，支撐系統(tǒng)即失去了控制變形的功能。因此，設(shè)計時在十字對撐布置形式的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步于基坑角部設(shè)置了角撐，從而通過八字撐和角撐來繼續(xù)提高支撐的剛度與強度，有效減小基坑的變形。根據(jù)實際情況，本工程支撐系統(tǒng)的圍檁尺寸設(shè)計為1 200 mm×700 mm，主撐的截面尺寸設(shè)計為750 mm×750 mm，連系撐的截面尺寸設(shè)計為620 mm×810 mm。支撐布置現(xiàn)場見圖1。

圖1 支撐布置現(xiàn)場

3.1.3 土體的加固

為有效降低因基坑開挖施工造成周圍土層的不利沉降，避免開挖時基坑內(nèi)外土壓力的失衡，采用了φ850 mm@600 mm的三軸水泥土攪拌樁對坑內(nèi)相應(yīng)的被動區(qū)土方進(jìn)行加固，從而使被動區(qū)土體抵抗側(cè)向位移的能力加強，以控制基坑的不利變形。根據(jù)設(shè)計要求，本工程基坑土體加固分為強加固區(qū)和弱加固區(qū)，其加固范圍分別為第2道支撐的底部至基坑底以下3.8 m，以及第2道支撐往上部分，相應(yīng)的加固寬度為7.5 m。

另外，為保證施工安全，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，于混凝土圈梁上沿處布設(shè)了厚600 mm的鋼筋混凝土擋土墻，其頂面標(biāo)高與自然地面相同，可進(jìn)一步避免在上層的土體開挖過程中發(fā)生位移，從而有效保護(hù)鄰近的保護(hù)建筑。

3.1.4 土方開挖

控制基坑變形的重要工序之一即是土方開挖，為有效遵循時空效應(yīng)的開挖原理，在本項目的基坑開挖時，按照“先撐后挖、豎向分層、分區(qū)以及水平分塊”的原則進(jìn)行施工，土方開挖至相應(yīng)的支撐底標(biāo)高后，即馬上施工鋼筋混凝土支撐，待強度達(dá)到設(shè)計要求的80%時，方可繼續(xù)下一步土方開挖。開挖至基坑底后，第一時間澆筑完成墊層施工，在最快的時間內(nèi)形成底板，以形成底部支撐抵抗變形。在整個過程中，應(yīng)始終努力縮短基坑底無支撐的暴露時間，盡早組織相關(guān)人員進(jìn)行樁基驗收工作，從而將基坑的變形程度降至最低。

3.1.5 支撐換撐及拆除

為減緩支撐拆除后的土壓力釋放過程，針對鄰近歷史保護(hù)建筑的基坑北側(cè)，采用了型鋼斜拋撐穿墻換撐的施工工藝，換撐材料為450 mm×450 mm×14 mm×25 mm的H型鋼，其長度約為12 m。該型鋼斜拋撐應(yīng)在基坑回填施工之后再割除，從而有效防止在鋼筋混凝土支撐拆除階段所造成的歷史保護(hù)建筑變形等情況。另外，在基坑的東側(cè)、南側(cè)以及西側(cè)等區(qū)域，均設(shè)置了高0.8 m的換撐混凝土牛腿，并待換撐牛腿的強度達(dá)到設(shè)計要求后，方可拆除相應(yīng)部分的鋼筋混凝土支撐。

根據(jù)施工經(jīng)驗可知，針對支撐拆除，人工鑿除方式具有噪聲以及揚塵大、速度慢、工效低等缺陷，而機械拆除則具有噪聲小、速度快、對周圍環(huán)境的擾動小等優(yōu)勢。本項目基坑緊鄰歷史保護(hù)建筑，為減少振動影響，最終決定采用靜音切割的方式來拆除鋼筋混凝土支撐。

3.2 歷史保護(hù)建筑的加固措施

3.2.1 靜壓錨桿鋼管樁

本工程保護(hù)建筑的上部為3層磚木結(jié)構(gòu)，且荷載不大。在正常使用情況下，由于主體結(jié)構(gòu)的安全性不足，因此，擬對其地基基礎(chǔ)主動進(jìn)行靜壓錨桿鋼管樁加固。在歷史保護(hù)建筑基礎(chǔ)加固中，靜壓錨桿鋼管樁是應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)。

根據(jù)本項目設(shè)計要求，選用短樁（單樁承載力較低），以保證其壓樁力不超過相應(yīng)加固部分的自重荷載?？紤]項目土層的分布情況，在保護(hù)建筑四周墻下布置了38根靜壓錨桿鋼管樁。鋼管樁的樁長為12.5 m（共5節(jié)，每節(jié)長為2.5 m），設(shè)計直徑約350 mm，樁徑275 mm，鋼管壁厚為8 mm，采用Q235B材質(zhì)。在最上一節(jié)的鋼管樁處焊接有4根φ16 mm的抗拔錨固筋，錨固的長度設(shè)計為25d（d為錨固筋直徑），焊縫長210 mm。鋼管樁單樁的設(shè)計承載力為125 kN。

靜壓錨桿鋼管樁施工技術(shù)的主要流程為：樁孔測量定位→清理樁孔→錨桿加工、埋設(shè)→反力架的安裝→第1節(jié)鋼管樁就位與校正→壓樁→下一節(jié)鋼管樁就位與校正→焊接→壓樁至設(shè)計要求的深度→組織驗收→壓樁反力架拆除→樁頭切割→清孔→封樁。

3.2.2 主體結(jié)構(gòu)加固

除采用靜壓錨桿鋼管樁加固技術(shù)外，為進(jìn)一步保證歷史保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)安全，在施工前，本項目另對其結(jié)構(gòu)梁、柱等采取了多種加固保護(hù)措施。

1）當(dāng)保護(hù)建筑的木屋架已有明顯的裂縫或斷裂等痕跡時，在其下弦梁處外包鋼板以及鋼卡箍；當(dāng)為輕微裂縫時，可在下弦梁處外包U形鋼卡箍；而對于其他沒有裂縫的木屋架下弦梁，則一般均采用了碳纖維布綁扎的加固措施，以增強其約束力，保證木屋架下弦梁可以承受相應(yīng)的施工荷載。

2）采取增大截面法對屋面圈梁進(jìn)行加固，并在梁兩側(cè)增加50 mm的寬度；采用粘鋼措施對框架梁和次梁進(jìn)行加固。

3）為提高小截面柱子的承載力，可對其灌注混凝土漿料，從而有效地增大其截面面積。

3.3 自動化監(jiān)測

在施工過程中，基坑狀態(tài)以及其對周邊環(huán)境的影響是時刻變化的。因此，本項目采取了24 h實時監(jiān)測的方式，以掌握實際情況，指導(dǎo)施工、保證安全。

相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式，自動化監(jiān)測技術(shù)通過其網(wǎng)絡(luò)化與自動化的功能配置，能實時采集、傳輸、轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，現(xiàn)場人員通過相應(yīng)界面即可形象、直觀地了解變化趨勢，既節(jié)省了人工投入，也保證了數(shù)據(jù)的精確度，并能全天不間斷監(jiān)控，具有更好的現(xiàn)場適用性與應(yīng)用價值。

3.4 壓力注漿加固

在基坑施工過程中，雖然前期有過細(xì)致與科學(xué)的設(shè)計措施，但現(xiàn)場情況復(fù)雜，存在部分不可預(yù)見的突發(fā)因素，如歷史保護(hù)建筑受施工影響較大，其沉降數(shù)據(jù)逐漸接近預(yù)警值時，應(yīng)立即采取壓力注漿措施，防止其進(jìn)一步沉降。具體操作時，應(yīng)先對該歷史保護(hù)建筑的基礎(chǔ)部分進(jìn)行注漿加固，同時還應(yīng)對其建筑基礎(chǔ)與基坑坑壁之間的相應(yīng)土體進(jìn)行注漿加固，以避免進(jìn)一步發(fā)生沉降。又比如，在基坑降水時，如果因止水帷幕施工質(zhì)量不佳導(dǎo)致滲漏，亦可采取壓力注漿的方式進(jìn)行滲水處堵漏施工。由于實際施工現(xiàn)場較為復(fù)雜，面對突發(fā)情況，應(yīng)根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)及時采取針對性的措施，如調(diào)節(jié)基坑的土方施工順序、對坑底進(jìn)行回填等，或者進(jìn)行坑底注漿加固，在基坑的變形趨于穩(wěn)定之后，再進(jìn)行下一步的土方開挖。

4 實施效果

在緊鄰歷史保護(hù)建筑的深基坑施工時，若變形控制不當(dāng)，將會對周邊的建筑、管線以及道路等產(chǎn)生不利的影響，但通過對圍護(hù)體系方案的優(yōu)化設(shè)計，并在施工過程中合理安排施工與細(xì)致管理，就有可能使復(fù)雜周邊環(huán)境條件下的軟土深基坑施工達(dá)到預(yù)期的效果。目前，本項目已基本完成地下主體的相應(yīng)施工。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，從基坑開挖開始到底板形成，緊鄰的保護(hù)建筑最大變形僅為12.4 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范中要求的允許值，同時，周邊道路下的管線未見明顯大的沉降或差異沉降。由此可見，本次施工所采取的措施較好地保護(hù)了周邊環(huán)境，尤其是歷史保護(hù)建筑，取得了良好的實施效果。

5 結(jié)語

本文針對一緊鄰歷史保護(hù)建筑的深基坑進(jìn)行難點分析，在此基礎(chǔ)上，采取了基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計、歷史保護(hù)建筑加固、自動化監(jiān)測和壓力注漿等相應(yīng)的針對性技術(shù)手段，有效地降低了基坑施工對周圍環(huán)境，尤其是緊鄰的歷史保護(hù)建筑的擾動，在順利完工的同時，實現(xiàn)了歷史保護(hù)建筑的充分保護(hù)。本工程中相關(guān)施工技術(shù)的應(yīng)用，能夠為今后類似的工程施工提供寶貴經(jīng)驗。