紧邻历史保护建筑的深基坑施工关键技术

潘黎萍

上海市建筑学会 上海 201112

随着我国城市化进程的快速发展，在狭窄的场地内进行开发地下空间的情况已是常态。在紧邻历史保护建筑的范围内进行深基坑施工时，不仅需要解决深基坑自身的施工安全问题，也要控制其对周边环境的变形影响。为此，不少学者进行了相关的研究工作[1-5]。刘征[6]以上海半岛酒店工程为例，根据历史保护建筑的结构特点及其对变形的控制要求，采取分期施工的方法，在实施过程中依据基坑信息化施工的监测数据进行施工过程控制，较成功地实现了邻近历史保护建筑的深基坑设计与施工。张治国等[7]以上海某在建工程为例，对基坑不同施工阶段的邻近历史保护建筑物沉降进行监测，针对基坑开挖过程中产生的附近土层隆沉、地下连续墙水平位移和建（构）筑物结构沉降等进行了分析，并对基坑加固以及拆撑等不同工况下的邻近建（构）筑物沉降情况进行了更深入的研究。李攀登等[8]以华侨城42街坊基坑工程为例，按照“时空效应”的基本原理，遵循行业内土方开挖的分块、分层、限时、平衡、对称等原则进行基坑的设计与施工，取得了很好的变形控制效果，保证了邻近历史保护建筑的安全。

本文在总结前人研究成果的基础上，通过提炼与归纳，结合以往工程施工经验，以上海软土地质条件下的深基坑工程为案例，进一步阐述了紧邻历史保护建筑的深基坑施工时，经实际验证了的有效技术措施。

1 工程概况

上海某深基坑工程项目基地位于浦东新区，总建筑面积18 022 m2，其中地下建筑面积9 290 m2，地上建筑面积8 732 m2。垫层厚150 mm，基础底板厚500 mm，工程桩采用φ650 mm的钻孔灌注桩。工程基坑平面形状呈L形，开挖面积约4 600 m2，开挖深度11.75 m，局部深度12.25～13.55 m，采用顺作法施工。本深基坑项目的周边环境较为复杂，基坑北侧紧邻上海市一优秀历史保护建筑，与此同时，基坑周边分布有不少的老旧建筑、各种不同直径的管线以及轨交区间隧道等。

本工程北侧紧邻历史保护建筑。该历史保护建筑与基坑边的距离约为4.46 m。该建筑历史较为悠久，且缺失原始图纸。根据现场查看，该建筑采用砖砌大放脚基础，基础埋深在自然地面以下1.0～1.4 m。该历史保护建筑采用3层砖木结构，竖向承重结构则采用砖砌体，楼板为木格栅地板楼面，屋面采用三角形木屋架。

本项目基坑工程浅部的土层结构较为松散，且呈现透水性能差的特性。在开挖的相应深度范围内，相关土层均属于较为典型的上海软土地质。其中由上而下的第③层为淤泥质粉质黏土，该土层一般呈灰色，且含水量较为丰富，透水性较差。因此，在该层土方开挖的施工过程中，极易产生类似“弹簧土”的不良现象，对土方开挖施工非常不利。

2 施工难点

2.1 紧邻历史保护建筑

根据相关的鉴定报告，该建筑的结构砌块与砌筑砂浆等实际强度普遍较低，且设计时没有设置构造柱等，由于缺少有效的构造措施，故该建筑的整体性显得非常差。同时，该建筑在整体结构上存在略微的倾斜现象，且在结构方面也发现有不少的裂缝。

另外，砖砌大放脚的基础形式虽然属于刚性基础，且其基础下的应力是较为均匀的，但相应的抗剪能力与抗拉能力却仍较差，在地基土层发生相应变形的情况下较容易产生开裂等不良现象。与此同时，该建筑所采用的结构体系（砖木结构），也是属于传统上偏于简单的结构体系。众所周知，当发生不均匀沉降时，砌体结构相较于其他类型的结构是更为敏感的，而位于砌体结构之上的木结构搁置处，在局部发生倾斜的条件下也将随之发生位置移动。

由上述可知，该保护建筑在邻近的基坑施工时，如无加固措施，将难以确保结构稳定。因此，其必须在基坑开始施工之前采取相应的针对性措施，确保加固效果，从而保证安全。

2.2 基坑的周边环境较为复杂

本工程基坑的周围存在大量的居民区老旧建筑，且这些老旧建筑的房龄大多在40 a以上。东侧、南侧紧邻的道路下均有大量的市政管线，其中东侧的地下高压电缆距围护三轴桩外侧最近处仅1.0 m，南侧的地下高压电缆距围护三轴桩外侧最近处仅0.5 m。大部分管线均处于基坑开挖深度的影响范围内，施工期间所有管线都处于工作状态，须保证其正常使用。

2.3 场内施工条件受限

本工程基坑的整体形状大致为L形。由于形状较不规则，因此该基坑内的阳角位置较多，支撑设置受力不均，非常不利于基坑的变形控制。另外，本工程在东西两侧各设置1个出土口，但受现场条件所限，出土口的宽度仅6.5 m。本工程基坑的施工场地较为狭小，综合考虑后，拟将南侧与西侧作为主要的施工场所，同时设置有临时设施以及施工需要的钢筋加工堆场，而其余的场地区域内均难以进行相应的基坑施工作业。

3 关键施工技术的应用

3.1 基坑支护体系设计优化

3.1.1 基坑围护

本工程竖向围护结构在考虑实际情况后，采用了MJS（全方位高压喷射）水泥土搅拌桩套打钻孔灌注桩的基坑围护方式。MJS工法桩可以有效确保基坑围护的隔水效果，同时，在相应的MJS工法桩完成施工以后，应当预留充分的时间，只有保证沉降趋于稳定且MJS桩的强度达到设计要求之后，方可进行后续的钻孔灌注桩施工。后续的钻孔灌注桩在施工时，应当满足相应的强度要求，避免因前一工序环节的施工进度过快，导致未能达到设计的强度要求，从而将钻孔灌注桩施工对周围土体的扰动影响降到最低。

3.1.2 支撑体系

本工程基坑面积相对较小，但环境保护要求高，因此，在基坑设计时于坑内设置2道水平支撑，采用钢筋混凝土材质，并以十字对撑形式设置。钢筋混凝土支撑能充分发挥材质性能，具有受力明确、刚度强以及变形较小等优点，适用于对周围环境保护要求较高的基坑布置。在拆除钢筋混凝土支撑时，针对十字支撑的形式，其在2个方向的相应主撑被破除后，支撑系统即失去了控制变形的功能。因此，设计时在十字对撑布置形式的基础之上，进一步于基坑角部设置了角撑，从而通过八字撑和角撑来继续提高支撑的刚度与强度，有效减小基坑的变形。根据实际情况，本工程支撑系统的围檩尺寸设计为1 200 mm×700 mm，主撑的截面尺寸设计为750 mm×750 mm，连系撑的截面尺寸设计为620 mm×810 mm。支撑布置现场见图1。

图1 支撑布置现场

3.1.3 土体的加固

为有效降低因基坑开挖施工造成周围土层的不利沉降，避免开挖时基坑内外土压力的失衡，采用了φ850 mm@600 mm的三轴水泥土搅拌桩对坑内相应的被动区土方进行加固，从而使被动区土体抵抗侧向位移的能力加强，以控制基坑的不利变形。根据设计要求，本工程基坑土体加固分为强加固区和弱加固区，其加固范围分别为第2道支撑的底部至基坑底以下3.8 m，以及第2道支撑往上部分，相应的加固宽度为7.5 m。

另外，为保证施工安全，根据现场实际情况，于混凝土圈梁上沿处布设了厚600 mm的钢筋混凝土挡土墙，其顶面标高与自然地面相同，可进一步避免在上层的土体开挖过程中发生位移，从而有效保护邻近的保护建筑。

3.1.4 土方开挖

控制基坑变形的重要工序之一即是土方开挖，为有效遵循时空效应的开挖原理，在本项目的基坑开挖时，按照“先撑后挖、竖向分层、分区以及水平分块”的原则进行施工，土方开挖至相应的支撑底标高后，即马上施工钢筋混凝土支撑，待强度达到设计要求的80%时，方可继续下一步土方开挖。开挖至基坑底后，第一时间浇筑完成垫层施工，在最快的时间内形成底板，以形成底部支撑抵抗变形。在整个过程中，应始终努力缩短基坑底无支撑的暴露时间，尽早组织相关人员进行桩基验收工作，从而将基坑的变形程度降至最低。

3.1.5 支撑换撑及拆除

为减缓支撑拆除后的土压力释放过程，针对邻近历史保护建筑的基坑北侧，采用了型钢斜抛撑穿墙换撑的施工工艺，换撑材料为450 mm×450 mm×14 mm×25 mm的H型钢，其长度约为12 m。该型钢斜抛撑应在基坑回填施工之后再割除，从而有效防止在钢筋混凝土支撑拆除阶段所造成的历史保护建筑变形等情况。另外，在基坑的东侧、南侧以及西侧等区域，均设置了高0.8 m的换撑混凝土牛腿，并待换撑牛腿的强度达到设计要求后，方可拆除相应部分的钢筋混凝土支撑。

根据施工经验可知，针对支撑拆除，人工凿除方式具有噪声以及扬尘大、速度慢、工效低等缺陷，而机械拆除则具有噪声小、速度快、对周围环境的扰动小等优势。本项目基坑紧邻历史保护建筑，为减少振动影响，最终决定采用静音切割的方式来拆除钢筋混凝土支撑。

3.2 历史保护建筑的加固措施

3.2.1 静压锚杆钢管桩

本工程保护建筑的上部为3层砖木结构，且荷载不大。在正常使用情况下，由于主体结构的安全性不足，因此，拟对其地基基础主动进行静压锚杆钢管桩加固。在历史保护建筑基础加固中，静压锚杆钢管桩是应用较为广泛的一种技术。

根据本项目设计要求，选用短桩（单桩承载力较低），以保证其压桩力不超过相应加固部分的自重荷载。考虑项目土层的分布情况，在保护建筑四周墙下布置了38根静压锚杆钢管桩。钢管桩的桩长为12.5 m（共5节，每节长为2.5 m），设计直径约350 mm，桩径275 mm，钢管壁厚为8 mm，采用Q235B材质。在最上一节的钢管桩处焊接有4根φ16 mm的抗拔锚固筋，锚固的长度设计为25d（d为锚固筋直径），焊缝长210 mm。钢管桩单桩的设计承载力为125 kN。

静压锚杆钢管桩施工技术的主要流程为：桩孔测量定位→清理桩孔→锚杆加工、埋设→反力架的安装→第1节钢管桩就位与校正→压桩→下一节钢管桩就位与校正→焊接→压桩至设计要求的深度→组织验收→压桩反力架拆除→桩头切割→清孔→封桩。

3.2.2 主体结构加固

除采用静压锚杆钢管桩加固技术外，为进一步保证历史保护建筑的结构安全，在施工前，本项目另对其结构梁、柱等采取了多种加固保护措施。

1）当保护建筑的木屋架已有明显的裂缝或断裂等痕迹时，在其下弦梁处外包钢板以及钢卡箍；当为轻微裂缝时，可在下弦梁处外包U形钢卡箍；而对于其他没有裂缝的木屋架下弦梁，则一般均采用了碳纤维布绑扎的加固措施，以增强其约束力，保证木屋架下弦梁可以承受相应的施工荷载。

2）采取增大截面法对屋面圈梁进行加固，并在梁两侧增加50 mm的宽度；采用粘钢措施对框架梁和次梁进行加固。

3）为提高小截面柱子的承载力，可对其灌注混凝土浆料，从而有效地增大其截面面积。

3.3 自动化监测

在施工过程中，基坑状态以及其对周边环境的影响是时刻变化的。因此，本项目采取了24 h实时监测的方式，以掌握实际情况，指导施工、保证安全。

相较于传统的人工监测方式，自动化监测技术通过其网络化与自动化的功能配置，能实时采集、传输、转化数据，现场人员通过相应界面即可形象、直观地了解变化趋势，既节省了人工投入，也保证了数据的精确度，并能全天不间断监控，具有更好的现场适用性与应用价值。

3.4 压力注浆加固

在基坑施工过程中，虽然前期有过细致与科学的设计措施，但现场情况复杂，存在部分不可预见的突发因素，如历史保护建筑受施工影响较大，其沉降数据逐渐接近预警值时，应立即采取压力注浆措施，防止其进一步沉降。具体操作时，应先对该历史保护建筑的基础部分进行注浆加固，同时还应对其建筑基础与基坑坑壁之间的相应土体进行注浆加固，以避免进一步发生沉降。又比如，在基坑降水时，如果因止水帷幕施工质量不佳导致渗漏，亦可采取压力注浆的方式进行渗水处堵漏施工。由于实际施工现场较为复杂，面对突发情况，应根据自动化监测数据及时采取针对性的措施，如调节基坑的土方施工顺序、对坑底进行回填等，或者进行坑底注浆加固，在基坑的变形趋于稳定之后，再进行下一步的土方开挖。

4 实施效果

在紧邻历史保护建筑的深基坑施工时，若变形控制不当，将会对周边的建筑、管线以及道路等产生不利的影响，但通过对围护体系方案的优化设计，并在施工过程中合理安排施工与细致管理，就有可能使复杂周边环境条件下的软土深基坑施工达到预期的效果。目前，本项目已基本完成地下主体的相应施工。监测数据显示，从基坑开挖开始到底板形成，紧邻的保护建筑最大变形仅为12.4 mm，远小于规范中要求的允许值，同时，周边道路下的管线未见明显大的沉降或差异沉降。由此可见，本次施工所采取的措施较好地保护了周边环境，尤其是历史保护建筑，取得了良好的实施效果。

5 结语

本文针对一紧邻历史保护建筑的深基坑进行难点分析，在此基础上，采取了基坑支护优化设计、历史保护建筑加固、自动化监测和压力注浆等相应的针对性技术手段，有效地降低了基坑施工对周围环境，尤其是紧邻的历史保护建筑的扰动，在顺利完工的同时，实现了历史保护建筑的充分保护。本工程中相关施工技术的应用，能够为今后类似的工程施工提供宝贵经验。