軟土地區(qū)緊鄰歷史文物單位深基坑支護案例分析

馮翠霞，陳思奇，劉立東

(1.上海申元巖土工程有限公司，上海 200011； 2.上海凱迪工程咨詢有限公司，上海 200002)

0 引言

軟土地區(qū)地下工程開挖施工期間周邊環(huán)境變形較大，加之基坑工程埋深越來越深，使得對基坑自身及周邊環(huán)境的變形控制要求越來越高[1]。對于環(huán)境保護要求較高的工程，在基坑工程設(shè)計中需要采取多種加強措施，以滿足實際環(huán)境保護需求。本文依托臨近歷史保護建筑的深基坑項目，通過采取針對性的設(shè)計方案，分析了加厚支護擋墻、設(shè)置被動區(qū)土體加固、設(shè)置鋼換撐等對基坑工程變形控制的效果。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程及周邊環(huán)境概況

本項目位于上海市靜安區(qū)海防路以南、陜西北路以東。擬建三棟塔樓(酒店、辦公樓20層～29層)及商業(yè)裙房(3層)，下設(shè)5層地下室。地下室平面南北長約248 m，東西寬約143 m，基坑開挖面積約3.11萬m2，基坑開挖深度為22.9 m/23.6 m。地下室外墻退紅線距離6 m，紅線外周邊臨路，其中場地東南角部現(xiàn)存淺基礎(chǔ)重要歷史文化保護建筑，距離基坑6 m～9 m；場地東北角部現(xiàn)存樁基礎(chǔ)高層公寓建筑，距離基坑10.8 m，周邊道路下埋設(shè)有多種市政管線，管線與地下室外墻最近距離為6.7 m，具體平面位置如圖1所示。

1.2 地質(zhì)資料

本工程場地位于長江三角洲入?？?，屬三角洲沖擊平原濱海平原地貌類型。場地淺層富有潛水，勘察過程中靜止水位埋深在0.7 m～1.8 m，計算按照上海相對不利水位0.5 m考慮。深層存在上海典型的⑦層承壓水層，水位埋深在7.91 m～9.25 m。經(jīng)計算，本項目存在承壓水突涌的風險。土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層物理力學性質(zhì)綜合成果

1.3 文物保護對象

本地塊內(nèi)場地東南角現(xiàn)有一棟兩層磚木結(jié)構(gòu)房屋，為上海市重點保護文物建筑。該建筑物北側(cè)距離本工程基坑邊緣8.2 m，西側(cè)距離本工程基坑邊緣9.0 m。

該建筑物為江寧路673弄4號～10號，其中10號為中共中央閱文處舊址(見圖2)，2010年8月被列為上海市靜安區(qū)登記不可移動文物，于2021年3月11日，入選上海市第一批革命文物名錄，具有重要的歷史價值。

該房屋結(jié)構(gòu)形式為磚木結(jié)構(gòu)，橫墻與半磚木立帖墻共同承重，主要承重墻厚為30 mm,220 mm，由實心黏土磚、黃泥石灰砂漿砌筑，磚尺寸為216 mm×105 mm×43 mm，房屋主要為橫墻和半磚厚木立帖墻承重，1軸橫墻、8軸橫墻除底層B軸軸間墻厚為330 mm厚外，其余均為220 mm厚，4軸橫墻底層、二層墻厚均為220 mm厚,木立帖墻中木柱主要截面尺寸為190 mm×190 mm，150 mm×150 mm兩種。樓蓋主要為木樓面，木格柵尺寸為75 mm×200 mm@470 mm，75 mm×150 mm@470 mm，75 mm×150 mm@350 mm～495 mm等木格柵在木立帖墻處擱置于100 mm×180 mm木梁上(照9221)，在4軸橫墻處擱置于300 mm×200 mm混凝土梁上，在1軸橫墻及8軸橫墻處直接擱置在變截面墻體上(照922-2)。東西向縱外墻均為220 mm厚，木格柵直接擱置在墻體內(nèi)。曬臺區(qū)域為混凝土板，10號二層通往曬臺的樓梯采用鋼筋混凝土樓梯，其余均為簡易木樓梯,房屋主屋面共設(shè)7根圓木檁條直接擱置在承重墻體及半磚木立帖墻上。房屋基礎(chǔ)情況：房屋承重墻體采用墻下大放腳基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約為0.75 m，基礎(chǔ)下為碎磚墊層；木柱下方設(shè)置花崗巖方蹲，下部仍采用青磚大放腳埋深約0.825 m，基礎(chǔ)下為碎磚墊層。

房屋因年久失修、自然老化所致的損壞，承重墻體因不均勻沉降出現(xiàn)貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，主要木構(gòu)件出現(xiàn)腐朽、脫榫、蛀蝕，已成為危險構(gòu)件，其中觀音兜傾斜嚴重，存在倒塌危險。房屋局部傾斜接近10‰，過街樓最大傾斜率達到31‰，已構(gòu)成局部危險點。綜合評定為嚴重損壞房，局部存在危險。房屋抵抗變形能力很差。

2 基坑設(shè)計概況

2.1 基坑圍護選型及分區(qū)籌劃

本項目基坑超深、大、環(huán)境復(fù)雜、保護要求高，總體方案采用板式圍護結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐方案，順作法施工。基坑采用地下連續(xù)墻作為臨時圍護擋墻結(jié)構(gòu)、五道鋼筋混凝土水平支撐體系的設(shè)計方案[2-6]。

根據(jù)基坑安全現(xiàn)有管理規(guī)定以及業(yè)主分期開發(fā)的進度要求，本項目基坑需分區(qū)施工，同時通過科學合理的劃分與安排，做到：一方面最大限度加快基坑施工速度，縮短整個項目的總工期，控制造價；另一方面確?；幼陨戆踩碍h(huán)境安全，保障項目順利實施。

本項目分區(qū)籌劃見圖3，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)挖深達22.9 m，圍護連續(xù)墻選用1 m厚地下連續(xù)墻，局部靠近塔樓部位開挖深度23.6 m、落深區(qū)范圍24.4 m，圍護連續(xù)墻選用1.2 m厚地下連續(xù)墻；Ⅲ區(qū)挖深12.55 m，靠近保護建筑側(cè)圍護連續(xù)墻選用0.8 m厚地下連續(xù)墻，混凝土設(shè)計強度為水下C35；Ⅳ區(qū)挖深12.1 m，采用φ950 mm鉆孔灌注樁。

2.2 支撐選型及布置

支撐體系采用對撐+角撐+邊桁架的形式，該布置形式，支撐受力明確、可靠，有利于控制圍護結(jié)構(gòu)變形，從而保護周邊環(huán)境安全和主體工程能順利實施。支撐平面見圖4。

3 針對文保建筑的設(shè)計措施

軟土地區(qū)深基坑工程施工對周邊環(huán)境影響極大，根本原因為特殊的地質(zhì)條件所造成的。軟土包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等，其特點為天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、滲透性差、靈敏度高、流變顯著等。這些原因直接或間接導(dǎo)致深基坑工程圍護自身變形大，對周邊環(huán)境影響大[7]。

在基坑工程實施的過程中，要對周邊環(huán)境進行預(yù)估，根據(jù)周邊環(huán)境詳細資料初步判斷基坑工程施工對其影響的可能性，可以通過有限元軟件進行數(shù)值分析，分析結(jié)果作為基坑圍護方案選型的依據(jù)，并提出相應(yīng)的保護措施。對于建構(gòu)筑物，參照各類建筑物在自重作用下的差異沉降與建筑物損壞程度之間的相應(yīng)關(guān)系，一般情況可以按10 mm絕對變形值控制。

本項目文保建筑周邊范圍基坑圍護設(shè)計充分考慮對文保建筑的保護，具體保護措施如下：

1)加厚地墻：文保建筑物周邊地下5層區(qū)域采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，一般部位采用1.0 m地下連續(xù)墻。地下2層區(qū)域靠近文保建筑一側(cè)采用0.8 m地下連續(xù)墻，其余各邊采用大直徑灌注樁。2)加強坑內(nèi)加固：文保建筑物周邊坑內(nèi)采用三軸攪拌樁裙邊加固，加固深度自第二道支撐底面到坑底以下7 m，加固寬度12.7 m。3)文保建筑自身基礎(chǔ)進行加固，采用錨桿靜壓樁加固基礎(chǔ)(見圖5)。4)為提高地下連續(xù)墻施工質(zhì)量，文保建筑周邊范圍地墻設(shè)置三軸攪拌樁槽壁加固。5)加密支撐布置，文保建筑周邊支撐間距不超過9 m。6)各層拆撐階段設(shè)置鋼斜換撐，控制基坑變形。

4 基坑實測數(shù)據(jù)及保護措施

目前本案基坑已施工完成，鄰近文保建筑區(qū)域，基坑墻體測斜累計變形為60.5 mm～82.3 mm(見圖6)；其余一般區(qū)域109.4 mm～156.5 mm，最大變形普遍在接近坑底處發(fā)生(約21 m處)，雖累計變形已超報警值，但保護區(qū)域的基坑變形明顯小于普遍區(qū)域，可見保護加固措施起到了一定的作用。

1)本項目針對文保建筑保護對基坑采用多項加強措施：通過增加深基坑圍護結(jié)構(gòu)擋墻厚度，可以使圍護墻剛度顯著增大，進而使地墻側(cè)向變形、周邊地表變形、周邊建筑物沉降都明顯減小。適當提高基坑圍護結(jié)構(gòu)擋墻剛度，可以從引起變形的源頭上采取保護措施減小基坑的變形，并控制深基坑周邊淺基礎(chǔ)房屋的沉降變形。

2)地下連續(xù)墻剛度大、整體性好、圍護結(jié)構(gòu)變形小、安全度高；具有良好的抗?jié)B能力；可作為地下室結(jié)構(gòu)的外墻；施工無噪聲、震動等；對周邊環(huán)境效果較好，常用于較深或者周邊環(huán)境保護要求極高的基坑工程中。根據(jù)工程經(jīng)驗，增加地下連續(xù)墻厚度，可以使圍護墻剛度顯著增大，相比1 000 mm地下連續(xù)墻，1 200 mm的地下連續(xù)墻EI值增加73%。地墻增厚使地墻側(cè)向變形、周邊建筑物沉降、周邊地表變形明顯減小，地墻側(cè)向變形、周邊建筑物沉降、地表最大沉降均可減小10%～20%。同時工程造價提高約為總工程量的3%～5%。對于周邊環(huán)境保護要求較高的地段，考慮對環(huán)境影響的顯著作用，地墻剛度的提升是值得采用的。

3)對深基坑內(nèi)被動區(qū)土體進行水泥土攪拌樁、旋噴樁、注漿等方式加固，可以增加被動區(qū)土體剛度，使得坑底附近土體彈性系數(shù)增大，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形減小，最大變形位置上移，并有效減小深基坑周邊淺基礎(chǔ)房屋的沉降變形。根據(jù)工程經(jīng)驗，增加被動區(qū)土體加固，可以使坑內(nèi)被動區(qū)土體剛度顯著增大，使得坑底附近土體彈性系數(shù)增大，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形減小，最大變形位置上移。地墻側(cè)向變形、周邊建筑物沉降、周邊地表變形都有一定減小，地墻側(cè)向變形、周邊建筑物沉降、地表最大沉降減少5%～10%。雙軸或三軸水泥土攪拌樁是上海地區(qū)最常用的坑內(nèi)加固工藝，適合各種成因的飽和土，常用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和高含水量低強度黏土。一般深度不超過18 m的土體加固可采用雙軸攪拌樁，超過18 m深度的加固或者加固要求比較高的情況采用三軸水泥土攪拌樁。高壓旋噴樁在坑底被動區(qū)加固中也有一定的應(yīng)用。由于高壓旋噴樁加固體均勻性、整體性好、強度高、布置靈活，因此在深大基坑工程中應(yīng)用越來越多。

4)通過對深基坑周邊淺基礎(chǔ)房屋自身的加固，提高其抵抗變形能力，也可以有效控制深基坑變形對周邊淺基礎(chǔ)房屋的影響。本工程通過對保護對象增設(shè)錨桿靜壓樁的方式，加固淺基礎(chǔ)房屋為深基礎(chǔ)形式。根據(jù)工程經(jīng)驗，對基坑周邊淺基礎(chǔ)房屋增加錨桿靜壓樁，可以使淺基礎(chǔ)房屋抗變形能力顯著增大。對控制周邊建筑物沉降作用明顯，周邊建筑物沉降一般可減小20%～50%。當周邊淺基礎(chǔ)房屋自身結(jié)構(gòu)整體性差，對變形極其敏感的情況，例如承重結(jié)構(gòu)強度低、結(jié)構(gòu)整體性差、可能經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)改動，采取將基礎(chǔ)形式改造為樁基礎(chǔ)，對淺基礎(chǔ)房屋保護的效果會很好，而且會有附加收益[8-9]。

5)通過加密支撐豎向?qū)娱g間距及水平撐桿間距，可提高基坑自身抵抗變形能力，尤其對位于圍檁跨中位置，因跨度減小，圍檁跨中位置計算撓度減小，對基坑周邊的變形控制效果較好，有效控制深基坑變形對周邊的影響。

6)同時拆撐階段設(shè)置鋼斜換撐，減小無支撐工況圍護擋墻豎向跨度，也是控制基坑變形的有效措施之一。

通過本工程中各項措施的應(yīng)用，最大可能控制基坑及周邊保護對象變形，可以為軟土地區(qū)環(huán)境保護要求較高的深大基坑設(shè)計施工，提供一定的參考依據(jù)。