緊鄰歷史保護建筑深基坑工程新工藝
——CSM工法的應用

■ 徐 楓 Xu Feng 段朝靜 Duan Chaojing

緊鄰歷史保護建筑深基坑工程新工藝
——CSM工法的應用

■ 徐 楓 Xu Feng 段朝靜 Duan Chaojing

以同濟中學圖書館暨楊浦區圖書館修繕擴建項目一期工程的深基坑工程為背景，以保護緊鄰優秀歷史保護建筑為主線，介紹一種深基坑工程新工藝——CSM工法，并總結歷史建筑保護的關鍵技術措施。其成功實踐可為類似條件下的基坑工程設計與施工提供借鑒和參考。

基坑圍護；CSM工法；優秀歷史保護建筑；設計；施工

0 引言

隨著上海城市建設和更新改造的不斷發展，臨近的工程活動，尤其是深基坑開挖對既有建筑物產生的影響越來越受到關注。特別是對于眾多具有獨特歷史文脈和文化精髓的優秀歷史保護建筑，該類建筑通常年代久遠，其基礎薄弱、構件老化、整體抗變形能力較差。因此，其周邊深基坑的設計與施工對變形控制的要求尤為苛刻，必須嚴格控制在一定范圍內以保證其安全性。本文討論的同濟中學圖書館暨楊浦區圖書館（舊上海市圖書館）修繕擴建項目一期工程，其周邊的歷史保護建筑就具有這樣的特點。因此，緊鄰歷史保護建筑的深基坑工程在設計與施工中應具有其特殊的應對措施。

目前，國內已有許多工程師和研究人員對此類問題進行了不少設計和研究工作：劉征[1]、鐘錚等[2]、黃茂松等[3]總結了歷史保護建筑的結構特點和對變形的控制要求，通過實際保護案例的實踐，提出了基于周邊既有建筑物承載能力的基坑變形控制標準；邸國恩等[4]介紹了敏感環境條件下上海盧灣區47#、48# 街坊項目深基坑工程支護結構選型分析思路；侯勝男等[5]對緊鄰深基坑某歷史建筑變形進行了實測分析。

先前的成功案例多是在歷史保護建筑預先加固的基礎上再次進行基坑圍護，而本案例中，由于受現場條件限制，緊鄰的歷史保護建筑未能預先進行基礎加固。為此，本文將結合工程實例，介紹一種新工藝——CSM工法，即雙輪銑深攪水泥攪拌墻內插型鋼。

1.1 歷史建筑結構概況

同濟中學圖書館位于黑山路181號，始建于1935年，為一幢主體2層、局部4層的混凝土結構房屋，原為舊上海市立圖書館，現該房屋已空置。該房屋于1994年2月15日被上海市人民政府批準為上海市第二批優秀歷史建筑，保護類別為二類；2004 年2月25日被上海市楊浦區人民政府核定公布為上海市楊浦區“區級文物保護單位”。

隨著上海市文化事業蓬勃發展，楊浦區委、區政府決定將圖書館修繕擴建作為楊浦區圖書館新館，工程將按建筑師董大酉最初的設計構想恢復建設成為一棟完整的建筑物。

同濟中學圖書館是國內少有的鋼筋混凝土結構的中國宮殿式建筑，由董大酋設計，張裕泰合記營造廠承建，于1934年動工，1935年竣工。房屋采用條形或方形基礎，基礎寬約1.25m，基礎埋深約1.65～1.77m。

本房屋鋼筋混凝土構件的碳化深度均超過保護層厚度，混凝土表面碳化較嚴重。房屋混凝土構件鋼筋銹蝕嚴重，構件處于高概率銹蝕狀態。房屋向北平均傾斜率為2.61‰，東西方向無明顯傾斜規律，房屋整體向北傾斜；最大角部棱線傾斜率為4.88‰，個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）沉降相對較大。

1.2 工程地質條件

本工程場地內較為平坦，屬濱海平原地貌類型。場地淺層地下水屬潛水類型，穩定水位為0.3～1.5m。場地的工程地質條件及基坑圍護設計參數如表1所示。

1.3 基坑周邊環境概況

1 工程概況

表1 土層物理力學性質綜合成果表

基坑東、南、西三側均分布有市政道路，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。

基坑北側分布有歷史保護建筑（主體為2層混凝土結構、局部為4層）。基坑與歷史保護建筑外墻的最近距離約2.4m，與歷史保護建筑原有基礎邊緣的最近距離約1.9m。

該歷史保護建筑為本次基坑圍護的重點保護對象，初步考慮先錨桿靜壓樁基礎加固后再實施基坑圍護。但檢測時，在舊基礎下發現木樁，且受現場及檢測條件限制，木樁具體布置情況無法調查；同時，由于室內地坪及原有特色裝飾皆為文物，需重點保護不得破壞，舊基礎無法進行錨桿靜壓樁預加固。

綜上所述，本基坑工程周邊環境條件保護要求較高，尤其緊鄰的歷史保護建筑本身無法進行基礎預加固，對變形較為敏感。周邊敏感的環境對該基坑工程的設計和施工提出了較高要求。基坑周邊環境總平面及有關監測點布置見圖1。

2 基坑圍護設計

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

作為圍護體（圖2）。

2.1 CSM工法原理及特點

CSM工法樁又稱雙輪銑深層攪拌技術，其主要原理是通過鉆桿下端的一對液壓銑輪，對原地層進行銑、銷、攪拌，同時摻入水泥漿固化液，與被打碎的原地基土充分攪拌混合后，形成具有一定強度和良好止水性能的水泥土連續墻。這種施工方法的優點有：①CSM工法樁置換土少，節約施工場地；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小，最大限度地保護周邊建筑；④CSM工法樁施工效率高，節約工期。

2.2 具體圍護設計

圖1 基坑周邊環境總平面及有關監測點布置圖

圖2 CSM工法銑頭

圍護體采用820mm厚CSM工法樁，水泥摻量為20%，樁長16.5m，內插H700×300×13×24型鋼。一般區域型鋼間距1.2m，長度13.5m；緊鄰歷史保護建筑區域型鋼間距0.60m，長度15.0m，坑內側設置雙軸攪拌樁裙邊加固，且該區域地下結構施工完成后型鋼不拔除。基坑內設置一道鋼筋混凝土支撐，井字形布置。在基坑北側緊鄰歷史保護建筑區域，采用H400×400×13×21型鋼斜拋撐穿墻換撐（圖3）。

3 對歷史建筑保護的關鍵技術措施

由于鄰近歷史建筑物無法通過樁基托換等自身強化型技術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，采取針對性的設計與施工技術措施，減少基坑工程自身變形。

圖3 基坑靠近建筑物側圍護結構剖面圖

（1）圍護選用止水效果較好與對周邊土體擾動較小的CSM工法新工藝，為確保型鋼插入設計標高及成樁質量，根據現場試成樁調整水灰比至1.5，相鄰槽段噴漿工藝的施工時間間隔不大于10h，一般區域下沉速度50～80cm/min，提升速度80～100cm/min；緊鄰歷史保護建筑區域下沉速度30～50cm/min，提升速度50～80cm/min，以減少圍護樁施工過程中的不利影響。

（2）歷史保護建筑區域加密內插型鋼間距，采用水泥攪拌樁坑內被動區加固，選擇合理的土方開挖方案，以減小土方開挖階段圍護體的位移。

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

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

（5）在拆撐之前采用H型鋼換撐，以減少拆撐導致的內支撐體系剛度衰減。

（6）止水帷幕隔斷開挖范圍內砂性土，在土方開挖前進行坑內降水，以增加坑內土體的有效應力，提高其強度。

（7） 在基坑施工過程中，對歷史保護建筑全程監測。

4 實施與監測

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

4.1 施工工況

圖4 圍護體在各個工況下的側向位移

根據工程實施情況，現場施工順序基本可劃分為以下5個工況：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，非重點保護區域型鋼回收，重點保護區域型鋼不回收，及空隙注漿處理。

4.2 監測結果分析

圖4表示圍護體在各個工況下的典型側向位移情況。可以看出，圍護體的側向位移主要發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，內支撐體系整體剛度減弱，圍護體存在較大的變形增量。圍護體的最大側向位移為14.2mm，基本處于開挖面附近。

圖5表示基坑北側緊鄰的優秀歷史保護建筑沉降監測情況，統計的各監測點分布在建筑物靠近基坑側建筑邊線的角部及中部。從圖5可以看出，各點沉降主要發生在圍護施工及土方開挖階段，最大沉降點位于F10測點，沉降值為35.57mm，其余各點沉降均不超過30mm。在拆撐階段，各點沉降已保持穩定，沉降增幅較小。在工程實施階段，歷史保護建筑物的沉降均處于可控狀態，雖然建筑物個別測點最大沉降達到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，未出現新增裂縫、傾斜等不良現象。

圖5 鄰近優秀歷史保護建筑沉降監測

監測情況表明，本基坑工程采用的CSM工法，以及采取的針對性設計與施工技術措施有效地保護了緊鄰歷史保護建筑和周邊環境，使緊鄰歷史保護建筑和周邊環境的沉降變形均在可控范圍之內。

5 結語

長期以來，緊鄰歷史保護建筑條件下的基坑圍護工程設計與實施備受關注。先前的成功案例多是在歷史保護建筑預先加固的基礎上再次進行基坑圍護和開挖。

本文所述的同濟中學圖書館暨楊浦區圖書館（舊上海市圖書館）修繕擴建項目一期工程，由于現場條件限制未能預先基礎加固，只得在基坑圍護上采取針對性技術措施。為此，本工程中采用了一種可應用于上述環境條件下基坑工程的新工藝——CSM工法。

目前，同濟中學圖書館暨楊浦區圖書館修繕擴建項目一期工程的基坑工程已經成功實施完畢。整個基坑實施過程有效地保護了緊鄰歷史保護建筑和市政管線等周邊環境的安全，取得了良好的經濟和社會效益。此項目基坑工程的成功實踐可為類似條件下基坑工程的設計與施工提供有益的借鑒和參考。

[1]劉征.臨近歷史保護建筑的深基坑設計與施工[J].地下空間與工程學報,2009,5(S2):165-169.

[2]鐘錚,許亮,王祺國等.緊鄰保護建筑的深基坑逆作法設計與實踐[J].巖土工程學報,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準[J].巖石力學與工程學報,2012,31(11):2305-2311.

[4]邸國恩,黃炳德,王衛東.敏感環境條件下深基坑工程設計與實踐[J].巖土工程學報,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測分析[J].地下空間與工程學報,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）