建筑基坑施工支护处理在考古勘探区的应用

2023-12-11张希旺孙崇威许子龙孙振磊

科技创新与应用 2023年33期

张希旺，孙崇威，许子龙，鲁南，孙振磊

（中建八局第二建设有限公司，济南 250014）

随着城市建设的快速发展，国家对考古勘探区的安全防护措施也越来越重视，特别是考古范围广、开挖深度深和环境条件复杂的区域[1-2]。目前，考古勘探工作大部分是由人力慢慢探索，整个过程中存在一定的危险性。建筑基坑工程常采用桩基、地下连续墙、放坡开挖、基坑降水和土钉墙等方式进行支护处理，相关施工规范也非常成熟[3-4]。若将建筑基坑支护工程施工相关技术和规范应用到考古勘探区，可为考古勘探的支护处理提供一种新的思路。另外，目前很多遗址都是在建筑施工的基坑开挖阶段被发现，而在基坑开挖前，都会有具有资质的勘探单位对基坑的土质、水位、地下情况等进行勘探，从而提供足够的技术参数来进行设计。而施工单位会根据勘探报告制定相关的施工方案，也会从技术层面对基坑进行足够的了解，勘探报告也是一份具有权威性的方案，笔者认为对考古也有一定指导性。

本文首先介绍在考古勘探过程中会遇到的问题，然后提出可应用于考古勘探区的建筑基坑支护工程相关技术措施，最后论述建筑基坑工程相关规范也适用于考古勘探，旨在提高考古勘探区的安全性，可为类似工程提供借鉴与参考。

1 考古勘探过程中遇到的问题

虽然现在的科技水平比较先进，但在考古作业中有较多不可预见的情况发生，只能靠人力去探索分析，这导致考古会是一个漫长的过程。此过程中，考古勘探区会经历各个季节，比较特殊的季节就是雨季，水量和水位急剧升高会直接危及考古基坑的稳定性和安全性。全国各地不同地区的土质和地下水位情况复杂，同时不同历史时代的遗址和墓葬的埋深均不太一样，这对考古勘探区的支护技术提出了很高的要求[5-6]。根据地勘报告结果显示，郑州商代遗址位于杂填土层以下，素填土和粉土层之间。杂填土层质地松散，层底埋深为0.3~5.2 m；素填土层质地松散，较密，层底埋深为0.5~5.5 m。考古前一般需将杂填土层进行清理，然后进行考古勘探孔的开挖。如果面临雨季，长期的雨水冲刷、浸泡和地下水位的上升就容易导致基坑失稳，不仅影响考古工作和遗址上部的基础建设进程，还会对文物造成不可逆的损坏，更可能会危及考古人员的生命安全。

随着社会的发展和城市建设的需要，城市轨道以及房地产行业的发展也越来越迫切，对工程建设的进度要求比较高，并且缺乏对考古方面的保护意识。因为时间的洗礼和历史文化的发展进程不同，很多遗址的确切地点未知，遗址情况未知，大多数都是在工程建设的过程中或者工程建设的前期被无意间发现，更有甚者是已经对遗址造成了不可逆的破坏以后才被人们发现。更有一些文物保护意识不强的单位，往往从工期考虑的角度出发直接私自掩埋，从而导致国家的损失，也是对历史的不尊重。本文考虑将建筑基坑的处理应用到考古基坑，也是考虑到建筑施工过程中发现遗址的这种情况，施工现场的设备齐全，针对突发情况可以及时应对，这样可以更好地保护遗址。另外，通过建筑基坑支护方面的技术对考古基坑保护以后可以加快考古的发掘进度，从而减小意外发现遗址对建筑施工进度的影响。另一方面，建筑施工往往对周围环境影响比较大，意外发现的遗址可能已经对遗址造成了无形的破坏，影响了遗址的土层稳定性，通过建筑基坑支护技术的加固可以减小发掘过程中的风险。

针对更早一些年代的遗址，此处以商代王城遗址为例，商代王城遗址是距今约3 500 多年的商代前期都城遗址，城垣大部分均为夯土板筑，城墙的横断面均为梯形，残墙大部分都埋藏在地面以下，也有局部位于地面之上。还有一些墓葬坑、宫殿夯土基址、手工作坊、祭祀遗址、古河道和古居民区等重要遗址，位于地下3~12 m 的位置，面积广，跨度大，采用的都是明挖的方式进行挖掘。根据目前情况，大部分遗址都是夯土的方式，在没有水或者排水良好的情况且处于地上的时候可以保证一定的强度和稳定性。但是目前发掘的大部分遗址均位于地下很深的位置。并且都是采用人工开挖，在建筑基坑中均属于超过一定规模的深基坑工程，不仅需要编制专项施工方案，还需要一定数量的专家进行论证后方可进行施工。而现在的考古坑远远没有达到该要求，并且没有任何的支护措施和防排水措施，根据现场的情况来看，基坑的坍塌和积水情况时有发生，这不仅影响了发掘的进度，破坏了遗址原貌，还严重威胁到了发掘人员的人身安全。

目前，考古现场的支护结构普遍比较简单，一方面是考虑最大限度地保护遗址原貌，另一方面是针对考古基坑没有具体的规范，并且对于不同的考古基坑和不同年代的建构筑物遗址情况不同，没有办法出具完整的、全面的、通用的以及具有强制执行力的规范来约束考古基坑的施工规范。大部分是利用原来地貌上原有支护，或者进行一些简单的支撑。没有具体的规范对考古现场的支护结构进行要求，并出具计算书进行安全论证。尤其像一些小规模的考古现场经常依照经验进行，比如勘探孔需要探到生土层，各地遗址和墓穴埋深不同，大多数探孔开挖深度都要达到5 m 以上，很有可能造成塌孔，危及考古人员的安全。勘探孔挖完以后需要暴露的时间也比较久，在雨季未受到保护的话就会形成一个天然的水缸，不断浸泡周边土体，为后续的大面积发掘留下了很大的安全隐患。针对一些较大规模的发掘坑支护处理也是依据建筑基坑支护相关的设计文件和一些标准，或者邀请一些专家进行现场指导安全方面的工作，但是此类标准是否符合考古勘探区、是否会对文物造成破坏有待考证。还有就是一些未受到关注，或者安全意识不强的发掘现场，或者受发掘人员的主观意识影响，只考虑到文物保护方面，从而忽略了人身安全这一方面。

2 基坑施工支护处理

建筑基坑的开挖与支护结构是一个系统且整体的工程，涵盖了工程地质、水文地质、施工环境、施工工艺、建筑结构、建筑材料、管理因素等众多方面[7-8]。考古基坑与建筑基坑施工工程具有很多相似之处，而且开挖的深度、跨度等往往都大于建筑基坑。同时，考古基坑土质不是原状土，历经沧桑，地质更为复杂，因此建筑基坑的支护处理方式经过优化是可以用于考古基坑的。考虑桩基和地下连续墙的造价和可能对考古区域产生一定的破坏，本文主要介绍放坡开挖、土钉墙支护、注浆加固和高压旋喷桩4 种支护方式。

第一种，放坡开挖方式的应用一般需要考虑基坑的深度、土质状况等方面的情况，然后对边坡系数进行合理的设置，保障边坡土质的整体稳定性，虽然这种方式能够保障边坡土质的稳定性，但对位移问题不能有效控制。放坡开挖方式适用于安全等级为三级的基坑，这种支护方式造价低，在建筑施工中这种施工方式比较常见。当然放坡开挖方式要求地层土质较好，开挖的深度不大，并且要有足够的场地来满足放坡的要求。考古勘探的范围往往具有不确定性，需要根据遗址来慢慢发掘，放坡开挖很好地保护了遗址原貌，应变性强，减少了一些人为不可控的因素对勘探区的破坏，在条件满足的情况下，更推荐放坡开挖。

第二种，土钉墙支护方式是指在边坡上打入满足直径要求的金属钢管或者钢筋等，并在开挖坡面上编制或者绑扎上钢筋网，然后在钢筋网表面喷射上混凝土，使钢筋网能够与混凝土融合在一块的方法。这种方式具有应用操作简单、造价低、施工快和质量易控制等优点。土钉墙支护方式一般适合用在地下水以上或是人工降水后的黏性土、杂填土、粉土和卵石等基坑中。针对考古区域，在勘探区完成以后，排除安装土钉会对文物造成破坏的可能以后，采取土钉加固具有很强的操作性，针对空间不大，垂直开挖的基坑有很好的操作性。同时考虑考古基坑同样需要进行安全监测，检测设备安装在土钉上，也更加方便和高效。

第三种，注浆加固是指将一些固化浆料通过设备注入到地基或者孔隙、裂缝中去，通过固化浆料达到置换、填充和挤压的作用以达到的一种加固措施，从而提高基坑、土体的物理性能。一般的土体加固措施是采用一定比例的水泥和水的搅拌溶液，具有施工简单、对环境影响小、效果明显、造价低和操作空间小等特点，适用于各种土体，但在施工过程中需要进行压力的控制，控制好浆液扩散半径，保证考古区域基坑不被污染。还有一种双液浆则是采用一定比例的改性水玻璃和水泥搅拌而成，这种双浆液适用于粉细砂、细中砂层和遇水地层，可通过调整比例快速凝固来加固土体止水的作用，对应急抢险和遇水基坑效果非常明显。目前，注浆加固的技术已在我国各种领域应用，通过调整材料和比例可以满足考古基坑的加固和止水作用，从而保证考古的安全和挖掘进度。注浆加固需要考虑注浆加固的范围，前期需要勘察单位出具准确的勘察报告，需要防止浆液污染或者劈裂文物遗址。

第四种，高压旋喷桩是指通过控制设备的压力将水泥浆注入土体，置换土体从而达到加固土体的一种技术。一些较深基坑或者临河、临坡的基坑可以采用这种工艺。该工艺操作简单、操作空间小、造价低，通过桩体的咬合可以形成一道止水帷幕，针对临河或者地下水位较高的情况非常有效，并且通过控制设备压力，可以决定桩体的直径，从而保证考古基坑内不受环境的污染，该工艺适用于考古基坑勘探和开挖的过程中。高压旋喷桩可以加固基坑边坡，并且通过旋喷桩的咬合可以形成一道止水帷幕，对一些临水、临河、临坝的情况有很好的止水效果和加固基坑的作用。

以上几种基坑支护的方式，在很多情况下由于地下水的影响，还会采取基坑降水的方式来降低基坑内的地下水来保证基坑开挖过程的稳定性，基坑降水又根据不同的地质分为很多种形式，其中最常见为有管井降水、真空井点降水、轻型井点降水和集水明排等。基坑勘探报告中往往会明确地下水位，在考古前可以根据勘探报告选择适合的降水方式，提前进行水位的观测，地下水往往是最不可控的，只有提前进行降水才能降低基坑坍塌的风险，防止开挖过程中涌水涌砂的风险，这也从另一方面保护了文物。更重要的是基坑降水的现有技术和规范也很成熟，设备先进，对文物的影响很小，可以合理应用。

3 建筑基坑施工相关规范适用于考古勘探

JDJ 311—2013《建筑深基坑工程施工安全技术规范》[9]中规定开挖深度大于等于5 m 即为深基坑工程，实际上考古基坑开挖深度大部分远超过了5 m。同时，该规范还强调针对特殊性土深基坑工程要采取合适的安全技术措施，考古勘探区土质在经历历史的变迁后也符合复杂不稳定的特殊性。因此，本文提出该规范里的部分内容同样适用于考古勘探区的基坑开挖情况。当考古勘探区开挖达到深基坑深度或土质环境复杂时，工作人员可根据建筑基坑施工的工程经验和施工条件，对场地采取合适的支护措施。在设计规划阶段，考古单位可与设计、勘察单位形成联动，由考古单位提供考古方面的技术指导，由设计单位出具支护设计图纸，然后由专业施工队伍在进行基坑支护施工完成以后，考古作业队方可进行考古作业。同时，考古单位应参照勘察单位出具的勘察报告，安排必要的基坑监测和降排水措施。

基坑支护完毕以后，由于考古性质的特殊性，不仅要保证勘探孔的深度，还要保证勘探孔的密度，勘探孔的开挖需要专业人员一边挖探一边观察留样。勘探孔的人工挖孔，大多没有支护措施，并且历经时间长，还可能存在孔边堆载，随时都可能发生塌孔，危及考古人员的安全。根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[10]中的相关条款规定，人工挖空桩的半径应在0.8~2.5 m之间，利用护壁混凝土和构造钢筋共同作业提供防护，属于超过一定规模的危险性较大的工程。而考古探孔大部分都是采用人工挖探，并且没有支护措施。可以借用该规范中条款，在挖探过程中用钢套管代替混凝土护壁，既不会破坏遗址也保证了考古人员安全，钢套管还可以循环利用，更重要的是在钢套管上也方便安装基坑监测设备，随时监控侧壁的变形。

建筑施工的过程中意外发现的遗址，往往可能是一些比较隐蔽或者年代久远的古墓、墓穴、遗址等。但是在建筑基坑施工前都会按照规范要求进行基坑的勘探，勘探单位也都是具备相应的资质和技术水平的，勘探报告中针对地下水位、土质以及重难点给出了建议和相应的应对措施。在建筑基坑施工前，施工单位也会针对勘探报告中的问题以及基坑开挖制定专项施工方案。对于意外发现的遗址，施工方有足够的技术准备来应对，并且结合考古专业人员的意见和专业知识，可以更好地保护文物和发掘文物。

建筑基坑支护中的放坡开挖、注浆加固、土钉墙和高压旋喷桩等的施工工艺和施工规范非常完善，并且施工队伍经验丰富，目前已经广泛用于建筑基坑、地铁车站、隧道工程等的止水、加固等各个专业。注浆加固、高压旋喷桩在地下止水效果和土体加固方面效果突出、操作简单，再结合土钉墙的刚性，在考古发掘的前期和过程中均可以按照实际情况进行综合应用，完全不会影响发掘进度，同时解决了人员安全问题、雨季基坑坍塌、地下涌水等风险，甚至还能加快发掘进度，更好地保护文物。