軟土深基坑開挖對孤島型古建筑的保護實例
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龔迪快， 吳才德， 曾婕， 葉維
（浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，寧波315012）
[摘要] 基于對軟土深基坑工程中孤島型古建筑的保護要求，在古建筑周圍采用SMW工法樁+多道圈梁+坑底高壓旋噴樁加固的支護方式，并采用連系梁將孤島的支護體系與外圍大基坑支護體系進行連接。采用PLAXIS有限元計算程序，對基坑開挖各施工工況進行模擬。并在基坑開挖全過程中，采用信息化施工，對古建筑進行了全方位的跟蹤監(jiān)測。有限元分析結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該支護方式有效地控制了孤島型古建筑的變形。該支護方式值得在今后類似工程中推廣使用。
[關(guān)鍵詞] 深基坑；軟土；古建筑；有限元分析；SMW工法
O 引言
隨著近幾年寧波市老城區(qū)改造工程的不斷深入，對古建筑的保護問題愈發(fā)凸顯。特別是在開發(fā)地下空間時，研究如何控制深基坑開挖給鄰近古建筑帶來的影響，提出確保古建筑安全和正常使用的對策和措施，對城市的合理開發(fā)與建設(shè)意義重大。已有的實際工程設(shè)計中主要側(cè)重于圍護結(jié)構(gòu)的強度控制，現(xiàn)行的基坑設(shè)計規(guī)范[3A]只提出了基坑圍護體的變形和受力設(shè)計計算方法，尚未規(guī)定基坑開挖對周邊建筑影響的分析方法。本文結(jié)合寧波和豐創(chuàng)意廣場工程來探討軟土深基坑開挖對古建筑保護的對策和措施，供同類工程參考。
1 工程概況
1.1外圍大基坑工程概況
寧波和豐創(chuàng)意廣場工程位于寧波市江東區(qū)江東北路和民安路交叉口的西北角，甬江東岸。規(guī)劃總用地面積85 400 m 2，總建筑面積338 600m2，分東、西兩個地塊。其中，古建筑位于西區(qū)地塊范圍內(nèi)，見圖1。西區(qū)地塊由2幢19層高層建筑及1~4層商業(yè)建筑組成，下設(shè)二層地下車庫�；娱_挖面積約為31 000 m 2，支護結(jié)構(gòu)總長約750m。±0.000m標(biāo)高相當(dāng)于黃海高程3. 450m，基坑周邊自然地坪黃海高程為2. 400m，基坑開挖深度為8.8~9.8m。在西區(qū)基坑的西南角存在一座三層鋼結(jié)構(gòu)建筑，距離基坑最小距離約7. 5m；西區(qū)基坑的西側(cè)存在一座7815工廠和一座三層鋼混結(jié)構(gòu)的辦公房，工廠距離基坑最小距離約8m。在基坑施工期間，基坑內(nèi)的古建筑和基坑外鋼結(jié)構(gòu)建筑、7815工廠和辦公房均需重點保護。
1.2場地工程地質(zhì)條件
基坑開挖影響范圍內(nèi)土層主要由雜填土、淤泥質(zhì)土、黏土組成，其主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
1.3古建筑概況
古建筑為民國時期的一座兩層磚木結(jié)構(gòu)的小洋房，采用淺基礎(chǔ)形式，坡屋頂，在歷史和建筑藝術(shù)上具有重要文物保護價值和意義。其平面布置見圖2。
這幢古建筑（圖3）已有一百年的歷史，歷經(jīng)滄桑和時代變遷，需要修繕和加固�；邮┕で埃瑥慕ㄖ锏耐庥^上來看，古建筑自身已有多處開裂（圖4），內(nèi)飾也有部分破壞（圖5）。古建筑整體剛度明顯不足，主要表現(xiàn)如下：1）古建筑的底層與二層墻體上均沒有設(shè)置貫通圈梁；2）二層內(nèi)墻為輕質(zhì)隔墻，不能和外墻形成整體受力體系；3）屋蓋系統(tǒng)與承重墻未可靠連接；4）門洞、窗洞較多，應(yīng)力集中點多。
2 古建筑保護方案設(shè)計
2.1外圍基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計
基坑采用明挖順作法施工，采用鉆孔灌注樁+兩道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)。在基坑的西南角靠近鋼結(jié)構(gòu)建筑區(qū)域采用4800@1 000鉆孔灌注樁，樁長為19m；西側(cè)靠近7815工廠、辦公房區(qū)域采用+850@1 050鉆孔灌注樁，樁長為23m;其余區(qū)域采用4750@ 950鉆孔灌注樁，樁長為18m。平面支撐體系采用十字對撐+角撐的形式布置，為方便古建筑孤島區(qū)域支護結(jié)構(gòu)與外圍基坑支護結(jié)構(gòu)相連，將十字對撐正交位置設(shè)置在孤島的附近。冠梁設(shè)置在自然地坪以下0. 45m，第一道圍梁及支撐設(shè)置在自然地坪以下1. 45m，截面尺寸分別為1 300×700和800×800，第二道圍梁及支撐設(shè)置在自然地坪以下5. 95m，截面尺寸分別為1 400×800和800×900，圍梁及支撐混凝土強度等級均為C30。支護樁均穿越淤泥或淤泥質(zhì)土進入土性相對較好的⑤。層。支護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖6。
2.2古建筑周圍支護結(jié)構(gòu)設(shè)計
在基坑施工過程中，古建筑容許沉降值為10cm，容許整體側(cè)向變形為1cm，容許裂縫寬度為3mm。根據(jù)建設(shè)方要求，宜對門前五棵古樹（圖7）進行保護。古建筑保護措施有“原地保留”及“平移”兩種方案。若采用“平移”方案，則須對古建筑自身結(jié)構(gòu)進行加固（如在所有墻體下部設(shè)置圈梁等），將對古建筑的外觀造成較大改變，古建筑原有的藝術(shù)價值也將大打折扣。鑒于古建筑保存的現(xiàn)狀，采取了“原地保留”方案。由于古建筑位于基坑內(nèi)，在基坑開挖過程中，古建筑下方土體將形成孤島。因此，需對古建筑下方土體設(shè)置可靠的圍護措施。
在基坑開挖過程中，將古建筑下方土體保留為一圓柱形孤島，孤島高度為8.8~9. 8m（古建筑自身的高度約為10m），面積約為450m2，周長約90m。在孤島周圈采用排樁+五道圍梁（WL-1~WL-5）的支護形式。支護樁采取具有受力和抗?jié)B兩種功能、工期短、造價低、環(huán)境污染小、對鄰近土體位移場擾動小的SMW工法樁，樁長(Z)為20m。在支護樁內(nèi)側(cè)坑底被動區(qū)設(shè)置高壓旋噴樁進行加固，以有效減小支護結(jié)構(gòu)的變形，從而減小由于支護結(jié)構(gòu)變形引起的古建筑沉降。孤島區(qū)域支護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖8（圖中的標(biāo)高為相對標(biāo)高），支護結(jié)構(gòu)截面尺寸及材料見表2。為防止由于挖土不均勻引起古建筑整體側(cè)移，在孤島第一道圍梁和第四道圍梁位置設(shè)置連系梁( LL)與外圍基坑支護結(jié)構(gòu)相連，見圖9。
3 保護古建筑的幾項措施
由于基坑開挖深度較深，淺基礎(chǔ)形式古建筑自身荷載對其下方土體影響較大，且孤島區(qū)域土體為有限土體，這些因素都將對古建筑的保護十分不利。為了控制圍護結(jié)構(gòu)和古建筑的變形，確保古建筑的安全，在支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中，提出了以下措施：1)增加圍梁的受拉鋼筋數(shù)量。2）SMW工法樁中的H型鋼需等基坑回填結(jié)束后方能拔除，對于H型鋼拔出后形成的空隙應(yīng)采用水泥與粉煤灰混合漿液進行跟蹤灌漿。3）對古建筑切忌用高壓旋噴樁或高壓注漿等措施進行地基加固，根據(jù)經(jīng)驗，此類加固方式在施工階段往往會產(chǎn)生10cm以上的地面隆起，將對古建筑造成較大的損傷。4）雖然設(shè)計考慮了采用SMW工法樁來防止樁縫處產(chǎn)生的水土流失，但基坑開挖仍不可避免會引起古建筑區(qū)域地下水位的下降。水位下降一方面會引起古建筑的沉降，另一方面也可能導(dǎo)致樹木失水死亡，因此建議在基坑開挖期間定時對樹木進行澆水作業(yè)。5）在基坑開挖前，對古建筑四側(cè)墻體采用鋼構(gòu)方式做剛度增強處理，盡可能減少基坑開挖引起古建筑墻體的開裂。
4 有限元分析和監(jiān)測結(jié)果
4.1有限元計算模型
采用平面應(yīng)變有限元法，借助PLAXIS有限元計算程序，對基坑開挖各施工工況進行模擬，以分析圍護結(jié)構(gòu)與土體在各個工況下的變形情況。
計算中做了如下假定：1）由于基坑支護結(jié)構(gòu)的剛度相對軟土而言大得多，因此計算中假定為線彈性體，以簡化計算；2）土體本構(gòu)模型采用硬化土模型；3）計算中引進接觸面單元來模擬結(jié)構(gòu)與土體的相互作用；4）將古建筑采用等效的均布荷載代替。
有限元分析模型在水平方向長度為80m、豎直方向高度為40m。計算過程中土體采用15節(jié)點三角形單元模擬，圍護結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。計算模型的上邊界為自由邊界，左右兩側(cè)邊界約束水平位移，底邊界約束水平和豎向位移。土體計算參數(shù)（泊松比、切線剛度、割線剛度、卸載或加載剛度）根據(jù)巖土工程勘察資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析得到，見表3，土體的重度y、黏聚力c、內(nèi)摩擦角9的取值見表1；支護結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)模型均采用彈性模型，參數(shù)根據(jù)實際情況輸入。結(jié)構(gòu)與土體的相互作用采用接觸面來模擬。初始應(yīng)力場采用靜止土壓力系數(shù)K。計算確定，同時考慮了鄰近古建筑上部荷載對初始應(yīng)力的影響。基坑開挖過程的模擬采用有限元軟件“單元生死”技術(shù)模擬，通過分步激活基坑支護和殺死土體單元，模擬支護和土體開挖的全過程。
4.2有限元計算結(jié)果
根據(jù)基坑順作開挖的步驟進行基坑開挖數(shù)值模擬，得到基坑開挖對孤島土體位移場的影響。圖10為開挖到基坑底部時孤島區(qū)域整體網(wǎng)格變形圖，圖11和圖12分別為設(shè)第二道圍梁和開挖到基坑底部時孤島區(qū)域土體總體變形云圖。
數(shù)值分析預(yù)估結(jié)果表明，設(shè)置第二道圈梁時，孤島區(qū)域土體最大水平位移約為3mm，最大豎向沉降約為43mm；挖至坑底時，孤島區(qū)域土體最大水平位移約為7mm，最大豎向沉降約為86mm。基坑開挖對孤島區(qū)域的古建筑影響較小。
4.3工程實測結(jié)果與分析
在基坑開挖全過程中，采用信息化施工，對古建筑進行了全方位的跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括孤島區(qū)域深層土體位移監(jiān)測、支護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測、水位監(jiān)測以及古建筑的沉降和傾斜監(jiān)測等。圖13為基坑開挖至坑底時孤島區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場照片。
監(jiān)測結(jié)果表明，古建筑最大豎向沉降為90mm，沉降均勻；孤島區(qū)域土體水平位移為8mm，整體側(cè)向變形在10mm以內(nèi)，古建筑主體結(jié)構(gòu)未發(fā)生較大開裂，保護情況良好。開挖至坑底時的數(shù)值模擬計算結(jié)果和實測結(jié)果對比見表4。由表可見，有限元預(yù)估的孤島區(qū)域土體水平位移和古建筑沉降與工程實測接近，由此驗證了本文數(shù)值分析的合理性。
5 結(jié)論
(1)軟土深基坑工程中采用的SMW工法樁+多道圈梁+坑底高壓旋噴樁的支護方式，可有效控制孤島型古建筑的變形，起到較好的保護效果，值得在今后類似工程中推廣使用。
(2)采用PLAXIS有限元軟件計算得到古建筑孤島區(qū)域土體最大豎向沉降約為86mm，監(jiān)測結(jié)果表明古建筑最大豎向沉降為90mm，表明本文基于采用反分析得到參數(shù)值的有限元分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)一致，且結(jié)果滿足古建筑沉降控制要求。
(3)監(jiān)測得到的古建筑整體側(cè)向變形控制在10mm以內(nèi)，說明采用連系梁連接古建筑所處孤島的自身支護體系與外圍大基坑支護體系，可有效防止孤島發(fā)生整體側(cè)向變形。
(4)孤島型古建筑的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)密切結(jié)合施工實際，并重視對監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演分析，使得基坑挖土的現(xiàn)場情況與計算分析的模型盡量一致，真正實現(xiàn)信息化動態(tài)施工。
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