软土深基坑开挖对孤岛型古建筑的保护实例

 龚迪快，  吴才德，  曾婕，  叶维

 （浙江华展工程研究设计院有限公司，宁波315012）

[摘要]  基于对软土深基坑工程中孤岛型古建筑的保护要求，在古建筑周围采用SMW工法桩+多道圈梁+坑底高压旋喷桩加固的支护方式，并采用连系梁将孤岛的支护体系与外围大基坑支护体系进行连接。采用PLAXIS有限元计算程序，对基坑开挖各施工工况进行模拟。并在基坑开挖全过程中，采用信息化施工，对古建筑进行了全方位的跟踪监测。有限元分析结果和监测数据表明，该支护方式有效地控制了孤岛型古建筑的变形。该支护方式值得在今后类似工程中推广使用。

[关键词]  深基坑；软土；古建筑；有限元分析；SMW工法

O  引言

 随着近几年宁波市老城区改造工程的不断深入，对古建筑的保护问题愈发凸显。特别是在开发地下空间时，研究如何控制深基坑开挖给邻近古建筑带来的影响，提出确保古建筑安全和正常使用的对策和措施，对城市的合理开发与建设意义重大。已有的实际工程设计中主要侧重于围护结构的强度控制，现行的基坑设计规范[3A]只提出了基坑围护体的变形和受力设计计算方法，尚未规定基坑开挖对周边建筑影响的分析方法。本文结合宁波和丰创意广场工程来探讨软土深基坑开挖对古建筑保护的对策和措施，供同类工程参考。

1 工程概况

1.1外围大基坑工程概况

宁波和丰创意广场工程位于宁波市江东区江东北路和民安路交叉口的西北角，甬江东岸。规划总用地面积85 400 m 2，总建筑面积338 600m2，分东、西两个地块。其中，古建筑位于西区地块范围内，见图1。西区地块由2幢19层高层建筑及1~4层商业建筑组成，下设二层地下车库。基坑开挖面积约为31 000 m 2，支护结构总长约750m。±0.000m标高相当于黄海高程3. 450m，基坑周边自然地坪黄海高程为2. 400m，基坑开挖深度为8.8~9.8m。在西区基坑的西南角存在一座三层钢结构建筑，距离基坑最小距离约7. 5m；西区基坑的西侧存在一座7815工厂和一座三层钢混结构的办公房，工厂距离基坑最小距离约8m。在基坑施工期间，基坑内的古建筑和基坑外钢结构建筑、7815工厂和办公房均需重点保护。

1.2场地工程地质条件

基坑开挖影响范围内土层主要由杂填土、淤泥质土、黏土组成，其主要物理力学参数如表1所示。

1.3古建筑概况

古建筑为民国时期的一座两层砖木结构的小洋房，采用浅基础形式，坡屋顶，在历史和建筑艺术上具有重要文物保护价值和意义。其平面布置见图2。

这幢古建筑（图3）已有一百年的历史，历经沧桑和时代变迁，需要修缮和加固。基坑施工前，从建筑物的外观上来看，古建筑自身已有多处开裂（图4），内饰也有部分破坏（图5）。古建筑整体刚度明显不足，主要表现如下：1）古建筑的底层与二层墙体上均没有设置贯通圈梁；2）二层内墙为轻质隔墙，不能和外墙形成整体受力体系；3）屋盖系统与承重墙未可靠连接；4）门洞、窗洞较多，应力集中点多。

2  古建筑保护方案设计

2.1外围基坑支护结构设计

基坑采用明挖顺作法施工，采用钻孔灌注桩+两道钢筋混凝土水平内支撑的支护结构。在基坑的西南角靠近钢结构建筑区域采用4800@1 000钻孔灌注桩，桩长为19m；西侧靠近7815工厂、办公房区域采用+850@1 050钻孔灌注桩，桩长为23m;其余区域采用4750@ 950钻孔灌注桩，桩长为18m。平面支撑体系采用十字对撑+角撑的形式布置，为方便古建筑孤岛区域支护结构与外围基坑支护结构相连，将十字对撑正交位置设置在孤岛的附近。冠梁设置在自然地坪以下0. 45m，第一道围梁及支撑设置在自然地坪以下1. 45m，截面尺寸分别为1 300×700和800×800，第二道围梁及支撑设置在自然地坪以下5. 95m，截面尺寸分别为1 400×800和800×900，围梁及支撑混凝土强度等级均为C30。支护桩均穿越淤泥或淤泥质土进入土性相对较好的⑤。层。支护结构剖面图见图6。

2.2古建筑周围支护结构设计

在基坑施工过程中，古建筑容许沉降值为10cm，容许整体侧向变形为1cm，容许裂缝宽度为3mm。根据建设方要求，宜对门前五棵古树（图7）进行保护。古建筑保护措施有“原地保留”及“平移”两种方案。若采用“平移”方案，则须对古建筑自身结构进行加固（如在所有墙体下部设置圈梁等），将对古建筑的外观造成较大改变，古建筑原有的艺术价值也将大打折扣。鉴于古建筑保存的现状，采取了“原地保留”方案。由于古建筑位于基坑内，在基坑开挖过程中，古建筑下方土体将形成孤岛。因此，需对古建筑下方土体设置可靠的围护措施。

在基坑开挖过程中，将古建筑下方土体保留为一圆柱形孤岛，孤岛高度为8.8~9. 8m（古建筑自身的高度约为10m），面积约为450m2，周长约90m。在孤岛周圈采用排桩+五道围梁（WL-1~WL-5）的支护形式。支护桩采取具有受力和抗渗两种功能、工期短、造价低、环境污染小、对邻近土体位移场扰动小的SMW工法桩，桩长(Z)为20m。在支护桩内侧坑底被动区设置高压旋喷桩进行加固，以有效减小支护结构的变形，从而减小由于支护结构变形引起的古建筑沉降。孤岛区域支护结构剖面图见图8（图中的标高为相对标高），支护结构截面尺寸及材料见表2。为防止由于挖土不均匀引起古建筑整体侧移，在孤岛第一道围梁和第四道围梁位置设置连系梁( LL)与外围基坑支护结构相连，见图9。

3  保护古建筑的几项措施

 由于基坑开挖深度较深，浅基础形式古建筑自身荷载对其下方土体影响较大，且孤岛区域土体为有限土体，这些因素都将对古建筑的保护十分不利。为了控制围护结构和古建筑的变形，确保古建筑的安全，在支护结构设计和施工中，提出了以下措施：1)增加围梁的受拉钢筋数量。2）SMW工法桩中的H型钢需等基坑回填结束后方能拔除，对于H型钢拔出后形成的空隙应采用水泥与粉煤灰混合浆液进行跟踪灌浆。3）对古建筑切忌用高压旋喷桩或高压注浆等措施进行地基加固，根据经验，此类加固方式在施工阶段往往会产生10cm以上的地面隆起，将对古建筑造成较大的损伤。4）虽然设计考虑了采用SMW工法桩来防止桩缝处产生的水土流失，但基坑开挖仍不可避免会引起古建筑区域地下水位的下降。水位下降一方面会引起古建筑的沉降，另一方面也可能导致树木失水死亡，因此建议在基坑开挖期间定时对树木进行浇水作业。5）在基坑开挖前，对古建筑四侧墙体采用钢构方式做刚度增强处理，尽可能减少基坑开挖引起古建筑墙体的开裂。

4  有限元分析和监测结果

4.1有限元计算模型

 采用平面应变有限元法，借助PLAXIS有限元计算程序，对基坑开挖各施工工况进行模拟，以分析围护结构与土体在各个工况下的变形情况。

 计算中做了如下假定：1）由于基坑支护结构的刚度相对软土而言大得多，因此计算中假定为线弹性体，以简化计算；2）土体本构模型采用硬化土模型；3）计算中引进接触面单元来模拟结构与土体的相互作用；4）将古建筑采用等效的均布荷载代替。

有限元分析模型在水平方向长度为80m、竖直方向高度为40m。计算过程中土体采用15节点三角形单元模拟，围护结构采用梁单元模拟。计算模型的上边界为自由边界，左右两侧边界约束水平位移，底边界约束水平和竖向位移。土体计算参数（泊松比、切线刚度、割线刚度、卸载或加载刚度）根据岩土工程勘察资料和监测数据反演分析得到，见表3，土体的重度y、黏聚力c、内摩擦角9的取值见表1；支护结构材料的本构模型均采用弹性模型，参数根据实际情况输入。结构与土体的相互作用采用接触面来模拟。初始应力场采用静止土压力系数K。计算确定，同时考虑了邻近古建筑上部荷载对初始应力的影响。基坑开挖过程的模拟采用有限元软件“单元生死”技术模拟，通过分步激活基坑支护和杀死土体单元，模拟支护和土体开挖的全过程。

4.2有限元计算结果

根据基坑顺作开挖的步骤进行基坑开挖数值模拟，得到基坑开挖对孤岛土体位移场的影响。图10为开挖到基坑底部时孤岛区域整体网格变形图，图11和图12分别为设第二道围梁和开挖到基坑底部时孤岛区域土体总体变形云图。

 数值分析预估结果表明，设置第二道圈梁时，孤岛区域土体最大水平位移约为3mm，最大竖向沉降约为43mm；挖至坑底时，孤岛区域土体最大水平位移约为7mm，最大竖向沉降约为86mm。基坑开挖对孤岛区域的古建筑影响较小。

4.3工程实测结果与分析

在基坑开挖全过程中，采用信息化施工，对古建筑进行了全方位的跟踪监测。监测内容包括孤岛区域深层土体位移监测、支护结构水平位移监测、水位监测以及古建筑的沉降和倾斜监测等。图13为基坑开挖至坑底时孤岛区域围护结构现场照片。

监测结果表明，古建筑最大竖向沉降为90mm，沉降均匀；孤岛区域土体水平位移为8mm，整体侧向变形在10mm以内，古建筑主体结构未发生较大开裂，保护情况良好。开挖至坑底时的数值模拟计算结果和实测结果对比见表4。由表可见，有限元预估的孤岛区域土体水平位移和古建筑沉降与工程实测接近，由此验证了本文数值分析的合理性。

5  结论

 (1)软土深基坑工程中采用的SMW工法桩+多道圈梁+坑底高压旋喷桩的支护方式，可有效控制孤岛型古建筑的变形，起到较好的保护效果，值得在今后类似工程中推广使用。

 (2)采用PLAXIS有限元软件计算得到古建筑孤岛区域土体最大竖向沉降约为86mm，监测结果表明古建筑最大竖向沉降为90mm，表明本文基于采用反分析得到参数值的有限元分析结果与实测数据一致，且结果满足古建筑沉降控制要求。

 (3)监测得到的古建筑整体侧向变形控制在10mm以内，说明采用连系梁连接古建筑所处孤岛的自身支护体系与外围大基坑支护体系，可有效防止孤岛发生整体侧向变形。

 (4)孤岛型古建筑的支护结构设计应密切结合施工实际，并重视对监测数据的反演分析，使得基坑挖土的现场情况与计算分析的模型尽量一致，真正实现信息化动态施工。