紧邻历史保护建筑及既有建筑的深基坑设计与施工技术研究

李伟强

1.上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2.上海市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

随着城市化进程的加快，施工环境也越来越复杂，不仅需要在紧凑的场地内进行地下空间开发，还需要在紧邻历史保护建筑以及在用既有建筑的场地内进行深基坑施工。故而在进行前期策划时，不仅需要明确历史保护建筑及在用建筑的保护要求，因地制宜地制订相关施工工艺及保护措施，更应该结合整个工程施工过程，进行全盘考虑，如材料堆场、加工场地布置、出土路线及防尘防噪措施、土方开挖划分、基坑及周边建筑应急措施等，避免因为场地限制或周边环境的变形控制要求制约深基坑的施工作业。

1 研究的缘起

在紧邻历史保护建筑以及在用既有建筑的场地内进行深基坑施工时，需要面临2个主要问题，即建筑的保护问题和施工过程中场地的综合利用问题[1-2]。

1.1 历史保护建筑的保护问题

1.1.1 历史保护建筑的结构形式抗变形能力较差

历史保护建筑年代久远，拥有其独特的风格特点。一般采用砖砌大放脚基础，竖向承重结构采用砖砌体，楼板结构采用木格栅及木地板的形式，屋顶一般采用木屋架，部分建筑采用砖木与混凝土的混合形式。

首先，砖砌基础为刚性基础，基础下应力较为均匀，但其抗拉及抗剪能力较差，在地基土变形情况下容易引起开裂；其次，砖木结构或砖混结构，本身结构体系较为简单，且砌体结构对于不均匀沉降异常敏感，在局部倾斜的情况下木结构搁置点也随之移动，整体结构抵抗变形能力较差。

1.1.2 长时间使用材料性能达到临界状态

经过漫长岁月的侵蚀，保护建筑的砌体承重结构及砂浆强度不满足承压要求，局部开裂；采用混凝土结构的部分，强度等级普遍低于现行标准，碳化也较为严重，不能达到保护钢筋的功能，内部的钢筋出现锈蚀，承载能力降低；对于木结构而言，由于自然侵蚀及白蚁等虫蛀现象，木质结构内部损坏严重。此外，由于长年的累积变形，搁置点逐渐偏移，造成搁置长度不足等现象较为常见。故而在上述因素的影响下，其房屋整体性能均出现了下降。

1.1.3 建筑整体或局部倾斜超过规范允许值

JGJ 125—99《危险房屋鉴定标准》（2004年版）规定基础整体倾斜率超过1%的限值为危房，GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定基础局部倾斜率的限值为0.4%，在长年累月的使用下，部分建筑整体会出现不均匀沉降，局部的外墙出现开裂现象，甚至超过规范限值，影响房屋整体安全。

1.2 场地内部既有建筑保护问题

对于场地内部的房屋，应注重对于砌体结构及浅基础结构房屋的保护。由于深基坑开挖所引起的沉降与测点距离开挖点的位置的关系曲线呈抛物线形，而砌体结构建筑对于局部倾斜沉降异常敏感，容易出现开裂现象，从而引发安全事故。浅基础结构房屋在不均匀沉降情况下产生整体倾斜，影响建筑的正常使用。

1.3 施工过程中场地的综合利用问题

在深基坑施工过程中，需要解决临时宿舍、材料堆场、加工场地及大型机械的停靠位置、行车路线、出土方向及弃土场地等问题，对于狭小场地而言，无法满足上述要求[3-5]。

因此，在紧邻历史保护建筑以及在用既有建筑的场地内进行深基坑施工，在设计阶段及施工筹划阶段就应针对项目特点进行分析，最大程度挖掘场地潜力，并对周边房屋提出针对性保护措施。

本文结合某医院改扩建工程，根据周边环境的变形控制要求及场地特点进行针对性的设计，并对深基坑施工提出较为严格的要求，在施工过程中根据监测结果，不断进行参数调整，针对历史保护建筑及内部建筑提出相应的应急处理措施及加固方案。

2 工程案例

2.1 工程概况

2.1.1 基坑概况

背景工程基坑平面形状呈L形，面积约4 700 m2，开挖深度10.85 m，局部深度12.15～13.65 m，采用顺作法施工，围护采用排桩结合三轴搅拌桩止水，竖向设置2道混凝土十字对撑。

2.1.2 地质概况

基坑开挖范围内基本为④层淤泥质黏土层，土厚达9～10 m，对于基坑变形控制十分不利。此外场地内遗留大量医院老旧基础及人防结构，未被清除的情况下即回填，对于围护施工带来一定难度。

2.1.3 环境概况

工程位于医院内部，场地东侧为有百年历史的保护建筑申康宾馆；南侧为医院内保留的1幢8层建筑及2层裙房；西侧为民航古北公寓，北侧为古北湾大酒店，红线与地下室外墙间距离为3.5～10.0 m。其中申康宾馆是上海市第四批优秀历史建筑，建于20世纪30年代，砖混结构，大放脚基础；离基坑最近的为11#楼（由1栋2层及1栋1层建筑组成），东侧红线（距外墙6.9 m）处即为现有围墙，同时也是11#楼1层建筑的西山墙。基坑南侧为医院内部的8层建筑及2层裙房，裙房采用天然基础，砖混结构，距离基坑外边线约3.4 m（图1）。

2.1.4 历史保护建筑检测情况

根据检测报告，保护建筑外墙门洞边墙体有竖向裂缝、门洞上角有斜裂缝、窗洞下方墙体有竖向裂缝以及女儿墙有粉刷龟裂等。房屋主体结构向北、东倾斜，向北最大斜率为0.27%；向东最大倾斜率为0.61%。据此，设定变形监测指标：沉降速率大于1mm/d（连续2 d），累计沉降值大于20mm；墙体裂缝扩展大于0.5mm或新增裂缝达0.5mm；倾斜率增量达到0.1%；房屋附近5 m范围内发生宽度大于10mm的地裂缝。

图1 环境平面示意

2.2 工程难点

1）基坑形状呈L形，基坑内阳角较多，对于变形控制不利。

2）工程在南北侧各设置1个出土口，出土口宽度仅6 m。

3）基坑场地狭小，北侧及西侧为主要施工区域，并设置临时宿舍、钢筋堆场，其余区域无法进行施工作业。

4）基坑周边被建筑包围。申康宾馆11#楼离基坑较近，其1层山墙搭建于本场地围墙上，且检测结果对于基坑施工不利。医院前的2层裙房及2层彩钢板房临时诊所距离基坑边线仅3.4 m，结构形式对变形非常敏感。

2.3 基坑设计施工关键技术

2.3.1 地下室跨层处分坑技术

西侧基坑边线与申康宾馆仅6.9 m，为控制深基坑开挖对保护建筑的影响，将基坑分为2个部分（先施工I区，再进行II区施工），分隔处设置在东侧1层坡道处（图2、图3）。

图2 I 区支撑平面布置

图3 II 区支撑平面布置

传统施工顺序为待两侧结构完成后再进行结构贯通，增加了凿除难度，工期也较长。在本项目设计中，利用结构特点，在西侧地下2层结构外墙处设置暗梁，东侧坡道水平钢支撑撑于暗梁处，水平力由B1板处斜抛撑进行分担，抛撑端部设置于梁柱节点处及剪力墙处。换撑力经结构设计复核后，建议在底板上设置抛撑以减少楼板竖向受力，故在底板层设置抛撑对B1板抛撑进行荷载传递（图4）。经此设计，可在基坑开挖时就凿除围护分隔墙，减少了对主体结构受力的影响，同时也避免了两侧结构完成后凿除连通的问题。

图4 I 区、II 区剖面

2.3.2 分坑分隔墙兼作隔离桩技术

在Ⅰ区施工时，采用分坑施工，历史保护建筑距离基坑边达到13.1 m，但仍处于基坑2倍挖深的影响范围内，为此，设置隔离桩隔断Ⅰ区开挖时的土体变形途径，由于Ⅱ区开挖需要设置围护桩，故而利用Ⅱ区围护桩兼作隔离桩，隔离桩间隔1根插入⑤1层，并控制泥浆沉渣，减少自身沉降对周边土体的影响。

2.3.3 支撑布置技术

基坑面积较小，环境保护要求高，故采用十字对撑形式布置。但在支撑拆除时，十字支撑在两个方向主撑破除后，支撑系统无法起到变形控制作用，故在十字对撑基础上，于基坑角部设置角撑，加强拆撑时对周边环境的位移控制（图5）。

图5 支撑现场效果

2.3.4 建筑变形控制技术

在医院内部2层裙房区域，由于离基坑边仅3.4 m，为减少开挖引起的土体变形，在该侧预埋注浆管，注浆管伸入基础下方土体。基坑施工时根据监测数据进行低压灌浆结合跟踪注浆的双重加固工艺，一方面填充因基坑变形而引起的土体空隙，另一方面通过跟踪注浆管减小房屋倾斜度及沉降量。在拆撑时，考虑到机械拆除支撑对土体扰动大，容易引起保护建筑的沉降，在基坑L形北侧采用机械拆除，但预先采用排钻断开主撑，在基坑南侧采用切割方式拆除支撑。同时，在支撑拆除前，设置局部临时角撑，对申康宾馆及2层裙房进行保护。

2.3.5 基坑内空间利用技术

由于红线与地下室外墙间距离为3.5～10.0 m，扣除基坑的施工空间2.6 m，施工场地十分紧凑，为此在施工阶段，根据施工阶段对场地进行安排，对临时宿舍及材料堆场进行规划，提前进行基坑加固设计。工程中充分利用围护墙的空间，将压顶梁与地面连成整体，供材料堆放，在转角部位设置支撑，加大转角宽度，便于行车。加大了栈桥布置范围，提供材料堆场及机械停靠区域，使栈桥覆盖率占基坑面积的40%，缓解了施工场地紧凑的难题；在栈桥布置时，提前规划了行车路线，空车从北侧进入，从南侧驶出，并尽量使出口远离宾馆区域（图6）。

图6 围护墙作为道路示意

2.4 应急处理措施

1）坑外污水管未处理，导致宾馆处水位持续下降。基坑周边潜水水位监测时，在L形阳角部位出现水位下降较大的情况，申康宾馆处也出现类似情况，而在基坑封闭降水试验时，未出现问题。经过现场探查及老图纸翻阅，发现转角部位北侧存在一污水池，在基坑施工前未清除，地下水持续流进污水池后排出。在确认原因后，为防止宾馆区域出现水土流失，对该区域进行注浆填充，在污水池内部区域注浆无效后，改用低压力旋喷填充，经过观测后水位基本恢复正常。

2）11#楼开挖过程中单日沉降超过报警值。开挖至基底时，宾馆11#楼当天出现3.9mm沉降量，超出单日报警值，第二日仍有2.1mm变形，为防止变形继续发展，在沉降区域采取跟踪注浆的措施，采用锚杆钻机引孔，跳孔间隔注浆施工（跳孔间距3 m），注浆加固区集中位于沉降较大区域，压力控制在0.2 MPa左右，流量控制在10 L/min左右，根据监测情况调整注浆节奏；同时控制底板土方开挖速度，以200 m2为单位进行开挖及垫层浇筑，随后进行其余区域土方开挖，在10 d内完成垫层区域底板浇筑。在多项举措下最终控制了下沉趋势。

2.5 工程实施效果

从基坑开挖至底板完成，邻近历史保护建筑处围护体测斜仅19.7mm，小于规范允许值（图7），申康宾馆11#楼及2层裙房的沉降分别为25.2mm及30.5mm（图8），基本达到了对周边环境的保护要求。

图7 邻近申康宾馆11#楼处围护桩测斜曲线

图8 申康宾馆11#楼沉降历时曲线

3 结语

背景工程基坑虽然规模不大，挖深接近11 m，但现场环境复杂，需要在狭小的场地内兼顾施工空间、周边历史建筑及内部建筑的保护问题，在设计和施工的配合下，有效地解决了该项目所遇到的难题，最终历史保护建筑沉降25.2mm，局部倾斜控制在允许范围内，院内裙房沉降也在可控范围内，达到了预期的保护目标，该项目的成功实施为类似工程提供了宝贵的经验。

1）在紧邻历史保护建筑及内部建筑的场地内进行基坑施工，应提前对建筑进行详细的调研，了解其结构形式、现状、薄弱点及变形控制要求，制订相应的保护措施，并针对施工过程中可能出现的问题制订预案。

2）深基坑的施工对浅基础建筑影响较大，浅层土方不建议开挖过深。在距离非常近的情况下采用分坑施工的方式对于历史建筑的保护效果明显，并可将分坑处围护桩作为隔离桩，对环境保护效果良好。

3）隔离桩应穿透软土进入较为稳定的土层，且应严格控制沉渣以减小自身沉降，在密排布置的情况下可采用长短桩间隔布置的方式，减小工程投入。

4）混凝土十字支撑的刚度较大，但在支撑拆除时，十字支撑在2个方向主撑破除之后，支撑系统无法起到变形控制作用，故建议在周边环境复杂时，在十字对撑基础上，于基坑角部设置角撑，加强支撑拆除时对周边环境的位移控制。

5）应充分重视拆撑过程。经验证明，环境复杂时机械拆除的振动对周边土体的强度有非常大的影响，故拆除方式上尽量选择排钻切除或切割工艺。在保护建筑处，建议设置角撑或抛撑等减小悬臂高度。

6）施工环境紧凑的情况下，在施工筹划阶段就应针对项目特点进行分析，根据每阶段工况，合理安排临时宿舍、材料堆场、加工场地及大型机械的停靠位置、行车路线、出土方向及弃土场地等问题，此外，应最大程度地挖掘场地潜力，如利用围护墙和转角部位支撑的空间、加大栈桥面积等。

7）施工过程瞬息万变，在施工前应对可能发生的问题作出相应预案，在施工过程中遇到问题时，应查明原因后进行针对性处理。