緊鄰歷史保護建筑的深基坑施工關鍵技術

潘黎萍

上海市建筑學會 上海 201112

隨著我國城市化進程的快速發展，在狹窄的場地內進行開發地下空間的情況已是常態。在緊鄰歷史保護建筑的范圍內進行深基坑施工時，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境的變形影響。為此，不少學者進行了相關的研究工作[1-5]。劉征[6]以上海半島酒店工程為例，根據歷史保護建筑的結構特點及其對變形的控制要求，采取分期施工的方法，在實施過程中依據基坑信息化施工的監測數據進行施工過程控制，較成功地實現了鄰近歷史保護建筑的深基坑設計與施工。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建筑物沉降進行監測，針對基坑開挖過程中產生的附近土層隆沉、地下連續墻水平位移和建（構）筑物結構沉降等進行了分析，并對基坑加固以及拆撐等不同工況下的鄰近建（構）筑物沉降情況進行了更深入的研究。李攀登等[8]以華僑城42街坊基坑工程為例，按照“時空效應”的基本原理，遵循行業內土方開挖的分塊、分層、限時、平衡、對稱等原則進行基坑的設計與施工，取得了很好的變形控制效果，保證了鄰近歷史保護建筑的安全。

本文在總結前人研究成果的基礎上，通過提煉與歸納，結合以往工程施工經驗，以上海軟土地質條件下的深基坑工程為案例，進一步闡述了緊鄰歷史保護建筑的深基坑施工時，經實際驗證了的有效技術措施。

1 工程概況

上海某深基坑工程項目基地位于浦東新區，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境較為復雜，基坑北側緊鄰上海市一優秀歷史保護建筑，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間隧道等。

本工程北側緊鄰歷史保護建筑。該歷史保護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。根據現場查看，該建筑采用磚砌大放腳基礎，基礎埋深在自然地面以下1.0～1.4 m。該歷史保護建筑采用3層磚木結構，豎向承重結構則采用磚砌體，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構較為松散，且呈現透水性能差的特性。在開挖的相應深度范圍內，相關土層均屬于較為典型的上海軟土地質。其中由上而下的第③層為淤泥質粉質黏土，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，極易產生類似“彈簧土”的不良現象，對土方開挖施工非常不利。

2 施工難點

2.1 緊鄰歷史保護建筑

根據相關的鑒定報告，該建筑的結構砌塊與砌筑砂漿等實際強度普遍較低，且設計時沒有設置構造柱等，由于缺少有效的構造措施，故該建筑的整體性顯得非常差。同時，該建筑在整體結構上存在略微的傾斜現象，且在結構方面也發現有不少的裂縫。

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

由上述可知，該保護建筑在鄰近的基坑施工時，如無加固措施，將難以確保結構穩定。因此，其必須在基坑開始施工之前采取相應的針對性措施，確保加固效果，從而保證安全。

2.2 基坑的周邊環境較為復雜

本工程基坑的周圍存在大量的居民區老舊建筑，且這些老舊建筑的房齡大多在40 a以上。東側、南側緊鄰的道路下均有大量的市政管線，其中東側的地下高壓電纜距圍護三軸樁外側最近處僅1.0 m，南側的地下高壓電纜距圍護三軸樁外側最近處僅0.5 m。大部分管線均處于基坑開挖深度的影響范圍內，施工期間所有管線都處于工作狀態，須保證其正常使用。

2.3 場內施工條件受限

本工程基坑的整體形狀大致為L形。由于形狀較不規則，因此該基坑內的陽角位置較多，支撐設置受力不均，非常不利于基坑的變形控制。另外，本工程在東西兩側各設置1個出土口，但受現場條件所限，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，擬將南側與西側作為主要的施工場所，同時設置有臨時設施以及施工需要的鋼筋加工堆場，而其余的場地區域內均難以進行相應的基坑施工作業。

3 關鍵施工技術的應用

3.1 基坑支護體系設計優化

3.1.1 基坑圍護

本工程豎向圍護結構在考慮實際情況后，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方式。MJS工法樁可以有效確保基坑圍護的隔水效果，同時，在相應的MJS工法樁完成施工以后，應當預留充分的時間，只有保證沉降趨于穩定且MJS樁的強度達到設計要求之后，方可進行后續的鉆孔灌注樁施工。后續的鉆孔灌注樁在施工時，應當滿足相應的強度要求，避免因前一工序環節的施工進度過快，導致未能達到設計的強度要求，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，但環境保護要求高，因此，在基坑設計時于坑內設置2道水平支撐，采用鋼筋混凝土材質，并以十字對撐形式設置。鋼筋混凝土支撐能充分發揮材質性能，具有受力明確、剛度強以及變形較小等優點，適用于對周圍環境保護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個方向的相應主撐被破除后，支撐系統即失去了控制變形的功能。因此，設計時在十字對撐布置形式的基礎之上，進一步于基坑角部設置了角撐，從而通過八字撐和角撐來繼續提高支撐的剛度與強度，有效減小基坑的變形。根據實際情況，本工程支撐系統的圍檁尺寸設計為1 200 mm×700 mm，主撐的截面尺寸設計為750 mm×750 mm，連系撐的截面尺寸設計為620 mm×810 mm。支撐布置現場見圖1。

圖1 支撐布置現場

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相應的被動區土方進行加固，從而使被動區土體抵抗側向位移的能力加強，以控制基坑的不利變形。根據設計要求，本工程基坑土體加固分為強加固區和弱加固區，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，相應的加固寬度為7.5 m。

另外，為保證施工安全，根據現場實際情況，于混凝土圈梁上沿處布設了厚600 mm的鋼筋混凝土擋土墻，其頂面標高與自然地面相同，可進一步避免在上層的土體開挖過程中發生位移，從而有效保護鄰近的保護建筑。

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、分區以及水平分塊”的原則進行施工，土方開挖至相應的支撐底標高后，即馬上施工鋼筋混凝土支撐，待強度達到設計要求的80%時，方可繼續下一步土方開挖。開挖至基坑底后，第一時間澆筑完成墊層施工，在最快的時間內形成底板，以形成底部支撐抵抗變形。在整個過程中，應始終努力縮短基坑底無支撐的暴露時間，盡早組織相關人員進行樁基驗收工作，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，針對鄰近歷史保護建筑的基坑北側，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建筑變形等情況。另外，在基坑的東側、南側以及西側等區域，均設置了高0.8 m的換撐混凝土牛腿，并待換撐牛腿的強度達到設計要求后，方可拆除相應部分的鋼筋混凝土支撐。

根據施工經驗可知，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、對周圍環境的擾動小等優勢。本項目基坑緊鄰歷史保護建筑，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 歷史保護建筑的加固措施

3.2.1 靜壓錨桿鋼管樁

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

根據本項目設計要求，選用短樁（單樁承載力較低），以保證其壓樁力不超過相應加固部分的自重荷載。考慮項目土層的分布情況，在保護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，每節長為2.5 m），設計直徑約350 mm，樁徑275 mm，鋼管壁厚為8 mm，采用Q235B材質。在最上一節的鋼管樁處焊接有4根φ16 mm的抗拔錨固筋，錨固的長度設計為25d（d為錨固筋直徑），焊縫長210 mm。鋼管樁單樁的設計承載力為125 kN。

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

3.2.2 主體結構加固

除采用靜壓錨桿鋼管樁加固技術外，為進一步保證歷史保護建筑的結構安全，在施工前，本項目另對其結構梁、柱等采取了多種加固保護措施。

1）當保護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的施工荷載。

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

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 自動化監測

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

相較于傳統的人工監測方式，自動化監測技術通過其網絡化與自動化的功能配置，能實時采集、傳輸、轉化數據，現場人員通過相應界面即可形象、直觀地了解變化趨勢，既節省了人工投入，也保證了數據的精確度，并能全天不間斷監控，具有更好的現場適用性與應用價值。

3.4 壓力注漿加固

在基坑施工過程中，雖然前期有過細致與科學的設計措施，但現場情況復雜，存在部分不可預見的突發因素，如歷史保護建筑受施工影響較大，其沉降數據逐漸接近預警值時，應立即采取壓力注漿措施，防止其進一步沉降。具體操作時，應先對該歷史保護建筑的基礎部分進行注漿加固，同時還應對其建筑基礎與基坑坑壁之間的相應土體進行注漿加固，以避免進一步發生沉降。又比如，在基坑降水時，如果因止水帷幕施工質量不佳導致滲漏，亦可采取壓力注漿的方式進行滲水處堵漏施工。由于實際施工現場較為復雜，面對突發情況，應根據自動化監測數據及時采取針對性的措施，如調節基坑的土方施工順序、對坑底進行回填等，或者進行坑底注漿加固，在基坑的變形趨于穩定之后，再進行下一步的土方開挖。

4 實施效果

在緊鄰歷史保護建筑的深基坑施工時，若變形控制不當，將會對周邊的建筑、管線以及道路等產生不利的影響，但通過對圍護體系方案的優化設計，并在施工過程中合理安排施工與細致管理，就有可能使復雜周邊環境條件下的軟土深基坑施工達到預期的效果。目前，本項目已基本完成地下主體的相應施工。監測數據顯示，從基坑開挖開始到底板形成，緊鄰的保護建筑最大變形僅為12.4 mm，遠小于規范中要求的允許值，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了周邊環境，尤其是歷史保護建筑，取得了良好的實施效果。

5 結語

本文針對一緊鄰歷史保護建筑的深基坑進行難點分析，在此基礎上，采取了基坑支護優化設計、歷史保護建筑加固、自動化監測和壓力注漿等相應的針對性技術手段，有效地降低了基坑施工對周圍環境，尤其是緊鄰的歷史保護建筑的擾動，在順利完工的同時，實現了歷史保護建筑的充分保護。本工程中相關施工技術的應用，能夠為今后類似的工程施工提供寶貴經驗。