緊鄰歷史古跡的開放式地下博物館逆作法施工技術研究*

張 瑞

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 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夫子廟商業區中心地帶，周邊為密集的商業街區及民居。同時，北側距著名歷史建筑明遠樓僅8 m，且明遠樓周邊有一需重點保護的古樹；東側為在建地鐵3號線。建筑設計為“硯臺”寶盒收納在地下。

1.2 結構概況

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支撐，圓環內徑達46 m，以滿足在逆作階段過程中的水平力。在大開孔區域周邊北側及南側設置了多處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構，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板之間設置拉桿，B3板與B2板之間設置托桿。

1.3 圍護概況

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

2 工程難點與特點

1）明遠樓距基坑北側邊最近處僅8 m；其周邊有多棵古樹，樹冠高大、根系發達，極易受到圍護施工影響。

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支撐，直徑達到46 m，正常使用階段將圓環支撐拆除，周邊逆作區域與本體順作區域之間完全脫開，形成一個完全開放性的結構形式。

3）博物館工程力求空間效果，結構上采用“上掛下托”的結構體系，結構施工的難度較大。

3 歷史古跡保護措施

3.1 運用逆作法施工

本工程位于南京夫子廟旅游風景區的核心地帶，場地極為狹小，且基坑的北側為歷史保護建筑物。為了降低施工對周邊環境及歷史保護建筑物的影響，本工程采用逆作法施工。逆作法方案以4層結構梁板作為基坑開挖階段的水平支撐，其支撐剛度大，對水平變形的控制極為有效。在首層結構梁板上設置專用的施工車輛運行通道及堆載場地。利用首層結構梁板作為施工機械的挖土平臺及車輛運作通道，有效地解決了基地周邊施工場地狹小的問題[1]。

3.2 增強基坑圍護

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

3.3 采用鋼板樁保護古樹

明遠樓兩側有4棵枝繁葉茂的古樹，其與明遠樓形成一個極為融洽的風景。為避免在施工過程中對這4棵古樹產生破壞性的影響，進場施工之前，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 地下連續墻施工關鍵技術

4.1 垂直度控制

普通臨時圍護地下連續墻垂直度一般要求控制在1/150，而“兩墻合一”地下連續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，不僅關系到鋼筋籠吊裝、預埋裝置安裝及整個地下連續墻工程的質量，更關系到“兩墻合一”地下連續墻的受力性能，因此成槽垂直度要求比普通臨時圍護地下連續墻要求更高。一般作為“兩墻合一”的地下連續墻垂直度需達到1/300，本工程設計要求成槽垂直度達到1/400，因此施工中需采取相應的措施來保證超深地下連續墻的垂直度[2]。

4.2 節點防滲技術

“兩墻合一”地下連續墻既作為圍護節點擋土、擋水結構，也作為結構地下室外墻起著永久的擋土、擋水作用，因此對防水、防滲要求極高。地下連續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，但通常地下連續墻接頭的位置是防滲的薄弱環節。可采用以下措施：

1）由于地下連續墻是泥漿護壁成槽，接頭混凝土面上必然附著有一定厚度的泥皮（與泥漿指標、制漿材料有關），如不清除，澆筑混凝土時在槽段接頭面上就會形成一層夾泥帶，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，保證地下連續墻的質量，施工中必須采取有效的方法進行混凝土壁面清刷。

2）接頭處設置扶壁柱：通過在連續墻接頭處設置扶壁柱來加大地下連續墻外水流的滲流途徑，折點多、抗滲性能好。

3）在接頭處采用旋噴加固：連續墻施工結束后，在基坑開挖前對槽段接頭縫進行品字形旋噴樁加固。孔位確定通常以接縫樁中心為對稱軸，距連續墻邊緣不超過1 m，鉆孔深度宜達基坑開挖面以下1 m。

4.3 方案的比選與改良

按照設計圖紙的要求，南京科舉博物館項目地下連續墻需要進入④2層中風化層至少2 m。針對這個設計要求，對“鉆抓結合”以及“抓銑結合”2種施工方案進行比選。由于嵌巖深度不深（平均深度約為2.5 m），中風化持力層④2層強度為4 MPa。再結合場地以及費用等各方面因素考慮，決定采用“鉆抓結合”的成槽工藝進行施工。

在試成槽階段對暴露出來的一些問題進行改良。主要是增加抓斗質量，在抓斗兩側增加鋼板，大大提高斗齒挖掘時的貫入力，導架側向呈圓弧過渡，減少了間隙，提高了抓斗的穩定性，采用短斗齒，加大油泵功率，提升成槽機的機械性能。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鉆孔。

先按正常挖土成槽施工，根據地勘報告相關數據，在即將挖至④1層土時，預留1～2 m位置，采用直徑與地下連續墻設計厚度相同的旋挖鉆機進行鉆進取土。預留1～2 m起到對旋挖鉆機限位的作用。避免旋挖鉆機直接在巖層鉆進時發生打滑，導致槽底呈圓弧形的情況。

5 挖土施工

5.1 取土口設置

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

5.2 挖土分塊分析

首層土方采用大開挖的形式進行開挖。第2、3層土采用長臂挖機，利用3個取土口及中心圓環支撐進行取土。第4、5層土采用電吊及長臂挖機結合在B0板上進行取土。按照工作量將基坑劃分為4個區域，并按照1→3→4→2的順序進行跳倉施工。

6 開放式逆作法施工

6.1 本體外圍結構施工

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支撐，直徑達46 m，占整個基坑面積的2/3。如此大的缺失對其余周邊結構的自身剛度也提出了一個較大的要求。

6.1.1 逆作法施工階段

為了確保其自身結構的剛度，在逆作法施工階段大開孔區域采用圓環支撐的結構形式來確保其水平力的傳遞形成對稱。同時，在大開孔結構較為薄弱的4個角部區域，對各層采用厚400 mm樓板同時內配型鋼的措施，以提升角部區域水平構件的剛度（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、地下3層東側及南側3塊區域的樓板存在缺失。結合大開孔特殊的結構形式，在東側、北側以及南側地下連續墻迎坑面設置了厚400 mm的混凝土內襯墻，在大開孔區域的北側及東側設置了厚600 mm的混凝土剪力墻，在大開孔區域的北側及南側設置了14根截面為600 mm×2 600 mm的矩形柱。這使得在圓環支撐拆除前，東、南、北3側均形成了一個完整的箱體，大大提升了整個結構的穩定性[3]。

圖1 基坑分區及取土口平面布置示意

圖2 逆作施工階段開孔 區域加強

6.2 結構施工要點

逆作法工程施工過程中由于結構樓板即為水平支撐體系，因此，在施工過程中需要對自身結構體系的受力情況進行分析，挑選應力較小的區域設置施工縫，避免由于留設施工縫而形成結構裂縫。

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到設計強度后，方可拆除中間環形支撐。

另外，在對大開孔區域圓環支撐進行拆除時，采用對永久結構影響最小的靜力切割的方式進行拆除。

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 上掛下托結構施工

6.4.1 本體結構形式

在大開孔區域內為博物館本體，其與周邊區域相互脫開，作為一個博物館主體，需要特殊的展陳要求以及獨特的建筑表現形式，底板處為一個大空間形式，各層樓板外圍處于一個懸挑狀態，因此提出了一個“上掛下托”的結構形式（圖3）。由于與傳統的結構形式有所不同，盲目地按照傳統施工工序進行施工可能導致與設計工況不符，繼而產生結構的安全隱患。因此，利用軟件模擬可能發生的工況條件，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層鋼結構勁性梁柱→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層鋼結構勁性梁柱→施工B1層樓板→施工B0層樓板

圖3 本體區域結構模型

7 監測分析

目前，南京科舉博物館已經完成了施工階段與使用階段2個工況的轉換。在整個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，變形未發生較大的變化，尤其是T形槽段的加固使得明遠樓前方區域墻體的變化值極小。

變化值之所以小有2個原因：一是工程工期十分緊張，無形中加快了整個施工的進度，減少了基坑暴露時間。從最大位移點的位置來看，該區域為提前開挖區域，由于暴露時間長而導致產生的位移相對較大。二是本工程采用了逆作法施工技術，利用結構樓板自身作為水平支撐體系，在地下室結構施工階段起到了約束作用[4]。

8 結語

南京科舉博物館工程在僅僅12個月的時間內，就完成了包括樁基圍護、地下室主體結構、地上3層裙房主體結構、機電安裝以及裝飾裝修等工程，在青奧會之前完成了負一層臨展對外開館。工程采用了逆作法施工技術，一方面大大縮短了整個地下部分的施工周期；另一方面大大降低了對周圍建筑及景區整體環境的影響。