紧邻历史保护建筑深基坑工程新工艺——CSM工法的应用

■ 徐 枫 Xu Feng 段朝静 Duan Chaojing

紧邻历史保护建筑深基坑工程新工艺
——CSM工法的应用

■ 徐 枫 Xu Feng 段朝静 Duan Chaojing

以同济中学图书馆暨杨浦区图书馆修缮扩建项目一期工程的深基坑工程为背景，以保护紧邻优秀历史保护建筑为主线，介绍一种深基坑工程新工艺——CSM工法，并总结历史建筑保护的关键技术措施。其成功实践可为类似条件下的基坑工程设计与施工提供借鉴和参考。

基坑围护；CSM工法；优秀历史保护建筑；设计；施工

0 引言

随着上海城市建设和更新改造的不断发展，临近的工程活动，尤其是深基坑开挖对既有建筑物产生的影响越来越受到关注。特别是对于众多具有独特历史文脉和文化精髓的优秀历史保护建筑，该类建筑通常年代久远，其基础薄弱、构件老化、整体抗变形能力较差。因此，其周边深基坑的设计与施工对变形控制的要求尤为苛刻，必须严格控制在一定范围内以保证其安全性。本文讨论的同济中学图书馆暨杨浦区图书馆（旧上海市图书馆）修缮扩建项目一期工程，其周边的历史保护建筑就具有这样的特点。因此，紧邻历史保护建筑的深基坑工程在设计与施工中应具有其特殊的应对措施。

目前，国内已有许多工程师和研究人员对此类问题进行了不少设计和研究工作：刘征[1]、钟铮等[2]、黄茂松等[3]总结了历史保护建筑的结构特点和对变形的控制要求，通过实际保护案例的实践，提出了基于周边既有建筑物承载能力的基坑变形控制标准；邸国恩等[4]介绍了敏感环境条件下上海卢湾区47#、48# 街坊项目深基坑工程支护结构选型分析思路；侯胜男等[5]对紧邻深基坑某历史建筑变形进行了实测分析。

先前的成功案例多是在历史保护建筑预先加固的基础上再次进行基坑围护，而本案例中，由于受现场条件限制，紧邻的历史保护建筑未能预先进行基础加固。为此，本文将结合工程实例，介绍一种新工艺——CSM工法，即双轮铣深搅水泥搅拌墙内插型钢。

1.1 历史建筑结构概况

同济中学图书馆位于黑山路181号，始建于1935年，为一幢主体2层、局部4层的混凝土结构房屋，原为旧上海市立图书馆，现该房屋已空置。该房屋于1994年2月15日被上海市人民政府批准为上海市第二批优秀历史建筑，保护类别为二类；2004 年2月25日被上海市杨浦区人民政府核定公布为上海市杨浦区“区级文物保护单位”。

随着上海市文化事业蓬勃发展，杨浦区委、区政府决定将图书馆修缮扩建作为杨浦区图书馆新馆，工程将按建筑师董大酉最初的设计构想恢复建设成为一栋完整的建筑物。

同济中学图书馆是国内少有的钢筋混凝土结构的中国宫殿式建筑，由董大酋设计，张裕泰合记营造厂承建，于1934年动工，1935年竣工。房屋采用条形或方形基础，基础宽约1.25m，基础埋深约1.65～1.77m。

本房屋钢筋混凝土构件的碳化深度均超过保护层厚度，混凝土表面碳化较严重。房屋混凝土构件钢筋锈蚀严重，构件处于高概率锈蚀状态。房屋向北平均倾斜率为2.61‰，东西方向无明显倾斜规律，房屋整体向北倾斜；最大角部棱线倾斜率为4.88‰，个别角部棱线倾斜率略大。房屋平面呈中间低四周高的趋势，中部门楼（C区）沉降相对较大。

1.2 工程地质条件

本工程场地内较为平坦，属滨海平原地貌类型。场地浅层地下水属潜水类型，稳定水位为0.3～1.5m。场地的工程地质条件及基坑围护设计参数如表1所示。

1.3 基坑周边环境概况

1 工程概况

表1 土层物理力学性质综合成果表

基坑东、南、西三侧均分布有市政道路，且道路下面分布有多条市政管线，最近的市政管线与基坑距离约10.5m。

基坑北侧分布有历史保护建筑（主体为2层混凝土结构、局部为4层）。基坑与历史保护建筑外墙的最近距离约2.4m，与历史保护建筑原有基础边缘的最近距离约1.9m。

该历史保护建筑为本次基坑围护的重点保护对象，初步考虑先锚杆静压桩基础加固后再实施基坑围护。但检测时，在旧基础下发现木桩，且受现场及检测条件限制，木桩具体布置情况无法调查；同时，由于室内地坪及原有特色装饰皆为文物，需重点保护不得破坏，旧基础无法进行锚杆静压桩预加固。

综上所述，本基坑工程周边环境条件保护要求较高，尤其紧邻的历史保护建筑本身无法进行基础预加固，对变形较为敏感。周边敏感的环境对该基坑工程的设计和施工提出了较高要求。基坑周边环境总平面及有关监测点布置见图1。

2 基坑围护设计

考虑到本工程场地空间狭小、工期紧张，为达到对紧邻历史保护建筑物的重点保护要求，综合比较灌注桩、SMW工法等各围护形式后，最终采用一种新工艺——CSM工法（双轮铣深搅水泥搅拌墙内插型钢围护结构）

作为围护体（图2）。

2.1 CSM工法原理及特点

CSM工法桩又称双轮铣深层搅拌技术，其主要原理是通过钻杆下端的一对液压铣轮，对原地层进行铣、销、搅拌，同时掺入水泥浆固化液，与被打碎的原地基土充分搅拌混合后，形成具有一定强度和良好止水性能的水泥土连续墙。这种施工方法的优点有：①CSM工法桩置换土少，节约施工场地；②CSM工法桩接头少，墙体搅拌均匀，套铣无缝施工，止水效果好；③CSM工法桩在施工过程中对周边土体扰动小，最大限度地保护周边建筑；④CSM工法桩施工效率高，节约工期。

2.2 具体围护设计

图1 基坑周边环境总平面及有关监测点布置图

图2 CSM工法铣头

围护体采用820mm厚CSM工法桩，水泥掺量为20%，桩长16.5m，内插H700×300×13×24型钢。一般区域型钢间距1.2m，长度13.5m；紧邻历史保护建筑区域型钢间距0.60m，长度15.0m，坑内侧设置双轴搅拌桩裙边加固，且该区域地下结构施工完成后型钢不拔除。基坑内设置一道钢筋混凝土支撑，井字形布置。在基坑北侧紧邻历史保护建筑区域，采用H400×400×13×21型钢斜抛撑穿墙换撑（图3）。

3 对历史建筑保护的关键技术措施

由于邻近历史建筑物无法通过桩基托换等自身强化型技术措施来提高其抵抗不均匀变形的能力，故必须从基坑工程“源头”出发，采取针对性的设计与施工技术措施，减少基坑工程自身变形。

图3 基坑靠近建筑物侧围护结构剖面图

（1）围护选用止水效果较好与对周边土体扰动较小的CSM工法新工艺，为确保型钢插入设计标高及成桩质量，根据现场试成桩调整水灰比至1.5，相邻槽段喷浆工艺的施工时间间隔不大于10h，一般区域下沉速度50～80cm/min，提升速度80～100cm/min；紧邻历史保护建筑区域下沉速度30～50cm/min，提升速度50～80cm/min，以减少围护桩施工过程中的不利影响。

（2）历史保护建筑区域加密内插型钢间距，采用水泥搅拌桩坑内被动区加固，选择合理的土方开挖方案，以减小土方开挖阶段围护体的位移。

（3）支撑采用井字形布置，提高其内支撑体系整体刚度，抵抗土方开挖对历史保护建筑的不利影响。

（4）采用静力切割水平支撑，排除采用机械镐头机或爆破拆除的方式，减少拆撑导致的周边土体震动。

（5）在拆撑之前采用H型钢换撑，以减少拆撑导致的内支撑体系刚度衰减。

（6）止水帷幕隔断开挖范围内砂性土，在土方开挖前进行坑内降水，以增加坑内土体的有效应力，提高其强度。

（7） 在基坑施工过程中，对历史保护建筑全程监测。

4 实施与监测

对历史建筑的沉降观测贯穿于基坑工程的全过程，包括围护体施工、坑内搅拌桩加固、基坑开挖（含降水）及拆撑等阶段。

4.1 施工工况

图4 围护体在各个工况下的侧向位移

根据工程实施情况，现场施工顺序基本可划分为以下5个工况：①工况1，施工双轮铣深搅水泥土搅拌墙、型钢、立柱桩、立柱及坑内加固；②工况2，开挖至支撑底，浇筑支撑；③工况3，开挖至基底，浇筑垫层和底板；④工况4，施工型钢换撑，拆除水平支撑；⑤工况5，施工顶板，基坑槽壁回填，非重点保护区域型钢回收，重点保护区域型钢不回收，及空隙注浆处理。

4.2 监测结果分析

图4表示围护体在各个工况下的典型侧向位移情况。可以看出，围护体的侧向位移主要发生在支撑至坑底的土方开挖阶段，开挖至基底后，随着垫层、底板浇筑完成及型钢换撑安装完毕，围护体的变形增量较小。在水平支撑拆除之后，仅剩型钢换撑体系，内支撑体系整体刚度减弱，围护体存在较大的变形增量。围护体的最大侧向位移为14.2mm，基本处于开挖面附近。

图5表示基坑北侧紧邻的优秀历史保护建筑沉降监测情况，统计的各监测点分布在建筑物靠近基坑侧建筑边线的角部及中部。从图5可以看出，各点沉降主要发生在围护施工及土方开挖阶段，最大沉降点位于F10测点，沉降值为35.57mm，其余各点沉降均不超过30mm。在拆撑阶段，各点沉降已保持稳定，沉降增幅较小。在工程实施阶段，历史保护建筑物的沉降均处于可控状态，虽然建筑物个别测点最大沉降达到35.57mm，但建筑物各边沉降差均小于10mm，建筑物不均匀沉降较小，且建筑物整体情况较好，未出现新增裂缝、倾斜等不良现象。

图5 邻近优秀历史保护建筑沉降监测

监测情况表明，本基坑工程采用的CSM工法，以及采取的针对性设计与施工技术措施有效地保护了紧邻历史保护建筑和周边环境，使紧邻历史保护建筑和周边环境的沉降变形均在可控范围之内。

5 结语

长期以来，紧邻历史保护建筑条件下的基坑围护工程设计与实施备受关注。先前的成功案例多是在历史保护建筑预先加固的基础上再次进行基坑围护和开挖。

本文所述的同济中学图书馆暨杨浦区图书馆（旧上海市图书馆）修缮扩建项目一期工程，由于现场条件限制未能预先基础加固，只得在基坑围护上采取针对性技术措施。为此，本工程中采用了一种可应用于上述环境条件下基坑工程的新工艺——CSM工法。

目前，同济中学图书馆暨杨浦区图书馆修缮扩建项目一期工程的基坑工程已经成功实施完毕。整个基坑实施过程有效地保护了紧邻历史保护建筑和市政管线等周边环境的安全，取得了良好的经济和社会效益。此项目基坑工程的成功实践可为类似条件下基坑工程的设计与施工提供有益的借鉴和参考。

[1]刘征.临近历史保护建筑的深基坑设计与施工[J].地下空间与工程学报,2009,5(S2):165-169.

[2]钟铮,许亮,王祺国等.紧邻保护建筑的深基坑逆作法设计与实践[J].岩土工程学报,2010,32(S1):249-255. [3]黄茂松,朱晓宇,张陈蓉.基于周边既有建筑物承载能力的基坑变形控制标准[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2305-2311.

[4]邸国恩,黄炳德,王卫东.敏感环境条件下深基坑工程设计与实践[J].岩土工程学报,2010,7(32):383-387.

[5]侯胜男,刘陕南,刘征,沈南生,周志道,岳建勇.紧邻深基坑某历史建筑变形实测分析[J].地下空间与工程学报,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）