一棟保護性建筑被動搶修的啟示

于向軍 Yu Xiangjun

0 引言

上海中心城區(qū)開發(fā)，常需要緊鄰歷史保護性建筑建設施工。這些歷史保護性建筑多建于20世紀20～30年代，至今已超過建筑設計使用年限。其建筑的結(jié)構(gòu)形式、實體強度、基礎(chǔ)現(xiàn)狀等因素，決定了其對鄰近土體的擾動十分敏感。因歷史保護性建筑具有特殊價值，周邊施工如何減少對其影響，是要考慮的首要因素。

本文的保護性建筑已有近170年歷史，自身結(jié)構(gòu)格外薄弱；并且該建筑被周邊基坑包圍，對基坑施工變形的敏感度更高。對這種周邊環(huán)境復雜、保護難度更高的保護性建筑進行保護，類似的資料還比較少。本文通過保護方案、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析，分析施工各個環(huán)節(jié)對保護性建筑產(chǎn)生的影響，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 保護性建筑周邊基坑情況

工程項目為大型商辦綜合體，分為南北兩個區(qū)域，南北區(qū)域內(nèi)又劃分為若干地塊。其中，北區(qū)域地塊中有一座近170年歷史的天主堂，天主堂被周邊基坑包圍（圖1）。盡管在項目啟動前期，建設方專門請房屋質(zhì)量檢測機構(gòu)對天主堂進行了全方位體檢，并且體檢報告建議在基坑施工前，應先對天主堂進行主動加固，以將周邊基坑施工對其影響降到最低。但由于教區(qū)堅持天主堂要不間斷開放使用，項目以盡可能減少對天主堂正常運營影響為原則啟動施工。

在沒有對天主堂本體進行主動加固的情況下，為了確保天主堂的安全，建設方從設計、施工上，對圍護結(jié)構(gòu)采取了多種措施（圖2）：

（1）天主堂周邊地下室紅線退界。天主堂與本項目周邊地下室紅線相距1.5～8m。為減少對天主堂的影響，地下室靠近天主堂一側(cè)，采取從紅線退界4.5～14.6m措施。

（2）天主堂周邊設置小坑隔離。在天主堂周邊設置若干小的分坑，在天主堂與周邊大基坑之間形成隔離。設計和施工文件都明確規(guī)定周邊基坑的先后施工順序，減少對天主堂的影響。

（3）減小天主堂周邊基坑深度。經(jīng)過多方協(xié)商，教堂周邊的基坑深度，分別從15.6m和19.5m的原開挖深度減少為14.9m和18.5m。各基坑施工時考慮設置軸力補償系統(tǒng)。

（4）天主堂周邊設置隔離樁。隔離樁采用剛度大、成樁深度可靠的Φ800@1 000的30 m長鉆孔灌注樁，樁底標高位于周邊基坑坑底以下10.9～14.8m。樁頂通過壓頂梁連接，為減少樁縫間可能的水土流失，灌注樁空隙補充以壓密注漿。

（5）天主堂周邊止水帷幕增強。臨天主堂三側(cè)的止水帷幕采用TRD（即等厚度水泥土地下連續(xù)攪拌墻）工法攪拌墻，墻深50m，800mm寬TRD工法攪拌墻兼作地下連續(xù)墻的外側(cè)槽壁加固。

（6）優(yōu)化天主堂周邊圍護結(jié)構(gòu)施工順序。天主堂周邊圍護結(jié)構(gòu)施工順序由內(nèi)而外先后為：隔離樁—樁間壓密注漿—TRD止水帷幕—內(nèi)側(cè)加固三軸攪拌樁—地下連續(xù)墻—工程樁及立柱樁。

1.2 保護性建筑情況

該項目保護性建筑是一座建于1847年、建成于1853年的天主堂，分為大堂（2F）和副樓（3/4F）2棟建筑，是上海市文物保護建筑。附屬建筑分為西側(cè)1層廁所，東北角2層磚混結(jié)構(gòu)倉庫，與天主堂主體結(jié)構(gòu)相互獨立。西南角3～4層副樓亦為磚混結(jié)構(gòu)，副樓加建走廊局部與大堂外墻相連。天主堂副樓擬在工程完成后拆除，主要保護對象為天主堂大堂。

經(jīng)過專業(yè)單位對天主堂的房屋檢測，主要結(jié)論為：房屋建造年代較早，采用淺基礎(chǔ)，房屋整體抗變形能力相對較弱；使用中局部搭建和加建不規(guī)范且連接處也較薄弱，房屋目前部分位置外棱線和柱傾斜較大，上述因素均使得房屋對不均勻變形較為敏感。

圖1 天主教堂周邊基坑信息示意圖

圖2 教堂周邊圍護結(jié)構(gòu)典型剖面圖

2 監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

圍護結(jié)構(gòu)施工期間的監(jiān)測內(nèi)容，主要是對天主堂的房屋沉降觀測、房屋裂縫監(jiān)測、地面開裂調(diào)查。房屋沉降觀測點主要布置在房屋外墻面（圖3）。監(jiān)測參考的報警值為：保護建筑垂直位移變化速率大于2mm/日或累計值大于20mm；傾斜率累計變化量達2‰。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

以教堂東北角沉降監(jiān)測點F1-09、F1-10、F1-11、F1-12為例，2016年6月～2016年7月26日沉降位移數(shù)據(jù)見圖4。通過分析，自2016年6月開始，在教堂周邊施工圍護結(jié)構(gòu)時，教堂的沉降單日沉降量在正常范圍，但逐步達到累計報警值。2016年7月中旬開始，沉降幅度增加，教堂地面出現(xiàn)首條裂縫；到7月下旬，教堂地面出現(xiàn)6m長裂縫，裂縫寬度達到1cm多。

教堂上部結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)不同程度的裂縫，特別是南山墻出現(xiàn)內(nèi)外貫通裂縫。同時，教堂東西兩側(cè)出現(xiàn)差異沉降。經(jīng)過分析，原因在于此時在教堂東側(cè)出現(xiàn)障礙物，振動拔樁清障引起教堂不均勻沉降。因為教堂出現(xiàn)裂縫，拔樁清障立即停止，并在原教堂與隔離樁及隔離樁間進行壓密注漿；同時，調(diào)整清障拔樁工藝，改為振動較小的360°全回轉(zhuǎn)鉆機工藝。采取以上措施后，變形漸漸趨于穩(wěn)定。

圖3 教堂監(jiān)測點布置圖

圖4 監(jiān)測點沉降位移變化數(shù)據(jù)圖

圖5 F1-06監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)圖

3 各階段沉降原因分析

3.1 三軸攪拌樁對沉降影響分析

攪拌樁施工時，水泥與土中水分發(fā)生反應生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。水泥的各種水化物生成后，析出的鈣離子會與土中離子進行吸附交換，形成土團。隨著水泥水化的深入，在水和空氣中逐漸硬化為水泥土[1]。處理后的水泥土與軟土相比，力學性能明顯改善。

三軸攪拌樁施工對房屋沉降的影響，主要發(fā)生于攪拌樁機對土體的擾動及水泥與原土發(fā)生的理化反應。攪拌機工作時，會對土體產(chǎn)生擾動，降低土體強度。但攪拌機距離房屋增近到一定范圍時，才會有明顯影響。通過分析F1-06監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)（圖5）發(fā)現(xiàn)，施工過程中教堂垂直位移基本處于穩(wěn)定波動狀態(tài)。

3.2 地下連續(xù)墻對沉降影響分析

該項目在天主堂西側(cè)，曾進行120m超深地下連續(xù)墻試驗段的施工，選取試驗段附近觀測點F1-17沉降數(shù)據(jù)觀察（圖6），對比實際施工過程發(fā)現(xiàn)，導墻施工及施工機械對淺層土體變形，沒有明顯規(guī)律的影響；地下連續(xù)墻的成槽和混凝土澆筑過程，天主堂的沉降變形有明顯加大趨勢，地面開裂的增大趨勢明顯；在施工后，采取雙液注漿，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 TRD對沉降影響分析

TRD在該項目是作為止水帷幕兼地下連續(xù)墻槽壁加固使用。其施工工藝為：三循環(huán)方法，即先行挖掘—回撤挖掘—成墻攪拌。具體操作為：鏈鋸式切割箱首先注入挖掘液先行挖掘10m，然后回撤挖掘至原處，再注入固化液，向前推進攪拌成墻。

首先停用華法林。①大多患者在停用華法林后，癥狀會逐漸緩解直至痊愈；②少數(shù)患者需要換用抗凝藥物，例如治療劑量的低分子肝素，繼續(xù)治療一段時間會好轉(zhuǎn)。

通過觀察TRD施工區(qū)域附近某監(jiān)測點F1-10沉降變化（圖7），自6月20日TRD施工開始，該監(jiān)測點沉降顯著增大，自7月12日TRD施工停止后，對監(jiān)測點沉降仍具有持續(xù)影響，整個工序階段累計沉降達6mm。TRD對土體的擾動過程，跟三軸攪拌樁相比，具有影響距離長，影響時間長的特點。由于三軸攪拌樁對土體的擾動是單樁施工形成的影響，而TRD的每個施工段長度達10m，所以對土體的擾動影響相對明顯。在以往的文獻中很少提及TRD施工對鄰近建筑的影響，這可能與該項目被保護建筑對基坑圍護施工更敏感有關(guān)。

該項目在隔離樁（鉆孔灌注樁）之間200mm的空隙之間，采用壓密注漿以增強隔離樁的整體作用，減少基坑側(cè)地下連續(xù)墻施工對天主堂的影響。從壓密注漿區(qū)域監(jiān)測點F1-03監(jiān)測數(shù)據(jù)看（圖8），隔離樁間的壓密注漿，對天主堂基本沒有影響。

在天主堂出現(xiàn)沉降報警后，經(jīng)專家分析議定：該沉降主要為基坑層地下連續(xù)墻施工引起。為補償天主堂沉降，在隔離樁和地下連續(xù)墻之間，采用壓密注漿進行有針對性的填充。從實施結(jié)果看，注漿后沉降速率明顯減慢。

圖6 F1-17監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)圖

圖7 F1-10監(jiān)測點沉降變化圖

圖8 F1-03監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)圖

圖9 F1-01監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)圖

3.4 障礙物清除對沉降影響分析

天主堂東側(cè)約10m處，有450mm×450mm，樁長24m的地下方樁障礙物，樁頂埋深4m左右。施工單位采取振動拔樁措施清除障礙物，該措施對天主堂的沉降影響非常明顯，通過觀察拔樁區(qū)域監(jiān)測點F1-01沉降數(shù)據(jù)（圖9），可以看出位移量馬上反彈；清障停止后，監(jiān)測數(shù)據(jù)也相應回落。

4 搶修

2016年8月，由于天主堂的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)多處報警，已經(jīng)影響了正常的使用。在有關(guān)主管部門的協(xié)調(diào)下，教堂周邊施工暫停，教區(qū)開始考慮接受關(guān)閉教堂，進行搶修加固。

隨后經(jīng)過大量工作，方案比選、設計細化、招標競價，2016年12月，搶修單位進場。

此時，由第三方對天主堂又進行了一次全方位體檢，數(shù)據(jù)顯示：截至2016年12月23日，房屋裂縫4#、5#、7#、8#和23#裂縫監(jiān)測點裂縫寬度分別增加4.5mm、3.5mm、0.5mm、12.5mm（超過裂縫報警值）。其中2層A/5-6中部墻面上方傾斜貫穿裂縫寬度達到10mm（危險點）；上部各沉降監(jiān)測點均有下沉，沉降變化值在-27.5～11.3mm之間。其中F-13-14下沉達到報警值。

2017年7月，天主堂采用脫換頂升施工，實現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)荷載通過新增管樁向地基傳遞，教堂的不均勻沉降得到控制，完成階段性結(jié)構(gòu)搶修。

5 結(jié)語

通過上述被動搶修案例，可以得到以下啟示：①在上海軟土地區(qū)，緊鄰歷史保護性建筑的圍護結(jié)構(gòu)施工中，地下連續(xù)墻、TRD對建筑物的沉降有明顯影響。②TRD由于成墻整體性好，被更多地應用于圍護結(jié)構(gòu)。但需要注意其中施工過程中對鄰近建筑物的變形影響。③緊鄰既有歷史保護建筑的施工中，常常遇到地下障礙物清除，不當?shù)那逭戏绞綄ㄖ锏淖冃斡绊懞艽螅貏e注意采用合適的施工措施，并針對清障采取加密監(jiān)測頻率等專項措施。④對歷史久遠，特別是自身強度不足、整體性差的保護性建筑，在圍護結(jié)構(gòu)施工前進行適當?shù)闹鲃诱w性加固，是非常必要的。對建筑物的主動加固措施到位，可以相應降低基坑圍護措施費用。看似前期耽擱些工期，實則有利于工程整體推進和工期的總體控制。