空間受限條件下地下連通道建造與保護建筑基礎加固同步設計施工技術研究

李偉強

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433；

2. 上海市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200433

隨著歷史的發展，城市的生態文明和景觀風貌也發生著無聲的變化。建筑是城市風貌的重要組成部分，歷史所遺留下的痕跡和文化的沉淀在城市建筑上有著更為直接的體現。

近幾年來，在城市更新過程中，人們更加注重對老建筑風貌的保留，并逐步加大對老建筑下方地下空間的開發力度[1-3]。

本文以上海某既有保護建筑加固及地下通道建設工程為例，介紹了在既有保護建筑加固的同時，克服老建筑結構形式薄弱、底部障礙物眾多、對變形敏感等難題，在拆除保留建筑部分區域所形成的有限空間內，挖掘潛力營造大斷面地下連通道的設計施工技術。

1 工程概況

背景工程位于上海市，為了增加地下空間的利用率，新建辦公樓與學校地下室之間設置一個地下連通道，地下通道需要穿越老大樓拆除中間跨后的空間與兩側地下室進行聯通，并需要在老大樓整修加固期間進行施工，對通道設計施工提出了挑戰。

1.1 通道概況

該地下通道為車行通道，通道總長度39.8 m，上方覆土厚度3.95～4.45 m。通道規劃從老大樓拆除后的中間跨穿越，根據量測，凈寬度僅12.86 m。

1.2 老大樓概況

老大樓始建于20世紀30年代，為英國建筑師設計建造的英式辦公樓，于2009年被列為重要保護建筑。該大樓原結構體系為砌體，部分為框架結構外貼砌體磚墻，基礎為鋼筋混凝土條形基礎，條形基礎下設有杉木樁，局部設有地下室。

該大樓經過抗震鑒定及評審，加固方案為僅保留外墻、內部結構拆除替換的方案，對原基礎進行加強并設置錨桿靜壓樁進行承載（圖1）。

圖1 工程平面示意

2 地質概況

基坑開挖影響深度范圍內的土層分布，從上至下依次為①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土夾黏質粉土、④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤2砂質粉土、⑤3粉質黏土。基坑開挖作業基本處于③層土中，底部處于④層土中。③層土砂性較重，在開挖過程中易造成滲漏，影響老大樓安全；④層土具有含水量高、孔隙比大、強度低、滲透性差、靈敏度高的特點，對該層的擾動可導致大樓的基礎變形及墻體開裂（圖2）。

圖2 地質剖面示意

另外，場地分布的第⑤2層土為微承壓含水層呈尖滅形式，經驗算，對基坑存在突涌可能。

3 工程特點與難點

3.1 老大樓保留外墻后的體系剛度差

地下通道主要穿越老大樓及一條現狀市政道路。老大樓在地下通道施工期間需要拆除內部結構，外墻采用設置在內部的鋼架進行水平向拉結形成整體，整體剛度較弱。且老樓拆除中間跨后所剩的山墻最近處距離通道僅2.7 m，故地下通道施工無疑會對老樓產生一定影響，尤其是對于磚砌體系，不均勻沉降會導致砌體拉裂，從而影響整個大樓的穩定。

3.2 老大樓遺留大量障礙物

調取老大樓圖紙后，發現大樓拆除區域下方留有1個地下室，地下室長13.4 m，寬10 m，埋深3.5 m左右，基礎底板厚度翼緣處0.2 m，墻柱處底板厚0.50～0.75 m，底部滿布樁基，樁基采用直徑0.2 m的木樁，樁長6 m，間距0.9 m，數量達到了214根（圖3）。然而，根據新建辦公樓施工時拔出的老大樓木樁長度達到18 m，有充分理由認為目前殘留的地下室部分下部的木樁長度也達到了18 m。

圖3 障礙物示意

無論通道是采用明挖還是暗挖工藝，如此多的障礙物必須事先處理，但是破除基礎后進行拔樁，即使回填水泥土，如此多的木樁拔除后留下的空洞及過程中的擾動勢必會影響老大樓外墻-鋼架體系的穩定。此外，大樓拆除后山墻的基礎位于地下室上，地下室破除容易引起上部磚墻的傾斜及開裂。

3.3 微承壓水突涌問題

在通道范圍內存在⑤2層微承壓水，基坑開挖時存在突涌可能性，由于周邊環境保護等級高，故必須選擇可靠的止水方式來隔斷承壓水，保證老大樓及基坑的安全。

但由于新建辦公樓基坑施工時未對微承壓水進行隔斷，造成通道基坑承壓水無法進行有效隔斷，對后期通道承壓水降水控制提出了難題。

3.4 通道凈尺寸最大化

業主要求在老大樓拆除區域剩余的12.86 m范圍內進行通道的施工，且通道的凈尺寸應滿足雙向車道行駛要求，剩余空間內需要額外考慮通道外墻厚度0.80 m、外墻防水操作空間0.80 m、圍護施工機械操作空間1.50 m，最后留給圍護體的空間僅剩0.66 m，在此空間內要完成對一級環境保護等級的變形控制，難度非常大。

4 通道與結構加固協同設計施工技術

4.1 受限空間內營造大斷面通道技術

4.1.1 影響因素分析

本工程由于下部存在大量的木樁基礎，無法進行預處理，所以無法采用如矩形頂管、管幕法等暗挖工藝進行通道的施工，故總體上只能選擇明挖方案。業主要求在受限空間內盡量放大通道的凈截面尺寸，分析主要影響因素后，應從以下幾個方面解決：

1）縮小通道外墻厚度。常規埋深10 m左右的通道，其外墻厚度在0.8 m，為盡量縮小尺寸，可考慮通道箱形結構的空間效應，將外墻尺寸壓縮至0.6 m，若考慮圍護的協同作用，可進一步縮小外墻尺寸。

2）取消肥槽，改變防水施工方式。常規通道施工均需要留置0.8 m的肥槽空間進行外墻及防水施工，但對于空間緊湊的工程，可采用外貼防水的方式，利用圍護墻找平作為模板進行防水及后續外墻的澆筑，節省一定空間。

3）選擇合適的圍護施工工藝，減小施工占用空間。圍護占用空間包含兩個方面：圍護實體占用空間、圍護施工機械操作空間，各個工藝的空間占用率區間較大。對于受限空間內的建設項目而言，圍護工藝的選擇為直接影響因素，對工程成敗起決定作用。

4.1.2 圍護工藝選型

從項目本身的特點看，本工程圍護工藝需要具備以下特點：

1）施工機械占用的施工空間小，體型小。

2）圍護自帶止水功能，減小止水占用空間。

3）具有清障功能或避開障礙物的功能。

4）剛度大，控制變形能力強。

根據以上要求，較為常規的圍護形式如鉆孔排樁、地下連續墻、工法樁，由于不具備清障功能，占用空間大，均不能滿足要求；拉森鋼板樁雖占用空間小，但其剛度不滿足環境保護要求。全套管全回轉鉆機（CD機）具備切削巖石及鋼筋的功能，可很好地解決地下障礙物的處理，其連續咬合形成的咬合樁體系也可作為圍護墻，提供較高的圍護剛度；此外，由于連續咬合，除圍護外兼有止水功能，對于本工程而言，能很好地滿足各項要求，故最終選用咬合樁體系作為圍護體系。

4.1.3 施工機械選型及通道截面設計

CD機根據成孔大小具有多種形式，機械尺寸及施工操作距離也各有不同，根據通道凈截面要求，需要保證圍護外邊線與大樓結構外墻之間不大于1.5 m的施工空間。根據這一要求，本工程選用CD機，成樁直徑按1 m考慮。在上述條件明確的條件下，通道剩余凈距為6.26 m。按照最大寬度設計，地下通道截面內凈尺寸為6.26 m×3.20 m，外包尺寸7.46 m×4.80 m。通道按照地下室間的連接通道設計時可滿足雙向車道要求（圖4）。

4.2 咬合樁圍護設計施工技術

根據上述參數，本項目通道基坑開挖深度9.7 m，基坑長寬分別為39.80 m和7.86 m，由于本項目環境保護等級一級，根據相關要求，圍護變形應按照開挖深度的0.18%進行控制，故從環境保護角度而言，必須選擇全配筋樁硬咬合的圍護方式。

圖4 基坑剖面示意

4.2.1 剛度計算

咬合樁的計算可換算為相應厚度的地下連續墻進行內力與變形計算，其中軟切割不計入素樁的剛度貢獻，采用硬切割時需要同時計入兩者的剛度，可根據《基坑工程手冊》排樁等代地下連續墻的剛度等代公式或《咬合式排樁技術標準》中的厚度折算公式，兩者折算厚度相差不大。

4.2.2 硬咬合Ⅰ、Ⅱ序樁的鋼筋籠設計施工技術

咬合樁按照施工順序分為Ⅰ序樁與Ⅱ序樁，按連續墻體所得內力分別根據Ⅰ序樁與Ⅱ序樁間距進行內力分配并配筋，由于Ⅰ序樁采用矩形配筋，故可按照矩形梁進行計算，Ⅱ序樁按照圓形截面配筋。配筋時其保護層厚度的選取關系到后期有效截面的選擇，而保護層厚度應考慮施工機械套管厚度、兩側限位塊大小及上拔套管時與鋼筋籠的間隙，尤其應考慮矩形鋼筋籠角部與樁之間的距離滿足咬合樁套管的厚度。本項目套管厚度50 mm，套管與鋼筋籠間留20 mm間隙防止起拔帶動鋼筋籠。圓形截面保護層按70 mm配置；矩形截面配筋保護層按照上下各150 mm、左右各300 mm控制（圖5）。鋼筋籠中間配置桁架鋼筋，且距離應滿足導管安放要求。

圖5 鋼筋籠配筋示意

基坑主要承受水平向土壓力，矩形鋼筋籠在下放時尤其應注意主筋放置方向，其轉角誤差應控制在5°以內，防止樁體受力問題。

在澆筑混凝土時，鋼筋籠無法固定，有下沉入土或隨混凝土澆筑一同上浮風險，故在底部需設置托板，保證鋼筋籠的位置。

4.2.3 咬合樁成樁施工技術

1）導墻施工。咬合樁采用搓管工藝進行鉆進，并采用吊機配合抓斗取土，但由于搓管時的強大扭矩，必須要有足夠的地坪剛度控制其發生偏轉，同時也為了達到精度控制的目的，施工前應進行地坪硬化及導墻施工，且地坪及導墻厚度建議不小于300 mm，開孔大小宜大于設計樁徑30 mm。

2）成孔技術。成孔時應保證整根套管的順直度達到1/500，成孔垂直度達到1/350，以保證后期在允許范圍內切割混凝土，且保證搭接面的有效寬度，成孔中應對相應地層進行分析，保證土塞高度大于2.5 m，在高承壓性含水層，應計算土塞壓力或采取灌水措施，防止串孔形成承壓水通道，引起地面沉降。

3）混凝土硬切割技術。在硬切割施工中，施工Ⅱ序樁應待相鄰樁混凝土終凝（達到設計強度30%，且不小于C10）之后進行切割成孔。施工時應注意切割速度，保證在施工Ⅱ序樁時Ⅰ序樁不產生“管涌”現象。

4.2.4 微承壓水控制技術

1）咬合樁帷幕截斷微承壓水設計。本項目存在微承壓水突涌問題，至新建大樓位置呈尖滅狀態，而新建辦公樓基坑未進行有效隔斷，為保證老大樓的安全，設計時考慮將老大樓區域承壓水全部隔斷，并在新建大樓處設置高壓旋噴樁進行補充，隔斷微承壓水。咬合樁具有止水能力，設計時考慮有效樁長下部設置素混凝土樁體，采用素混凝土咬合樁進行微承壓水封閉。同時，基坑內設置1口降壓井，對微承壓水進行觀測，必要時進行降壓降水。

2）咬合樁成孔中承壓水防串孔施工技術。由于咬合樁穿透⑤2層微承壓含水層，部分穿透⑦2層承壓含水層，在承壓水層中成孔時引起水土同時涌入，大量滲入的水土造成下部土體空洞，威脅上部建筑安全。故施工前必須了解所穿越土層性質，在微承壓水土層中可采用增加套管長度以進一步增加土塞高度的方式解決；在承壓水土層中施工建議采用灌水方案，雖降低了工效，但大大保證了環境的安全。

4.3 通道圍護與老大樓加固協同設計基礎及樁基

4.3.1 樁基協同設計技術

本工程難點之一為老大樓拆除中間跨，所剩空間內需要充分利用，以保證通道空間最大化。老大樓拆除后邊跨設置有較多工程樁，采用鋼管錨桿靜壓樁的形式，樁長達到40 m，壓入難度較大，且抗側向變形能力也較差。經過協同設計，老大樓邊跨樁基也采用咬合樁形式，樁長保持不變，樁徑1 m、樁間距2.4 m，滿足豎向承載要求，同時，剩余的基坑圍護樁基可以作為短樁控制沉降，在基坑開挖期間也能起到側向變形控制的目的，保證大樓尤其是邊跨在整體性較差的情況下的安全（圖6）。

4.3.2 基礎協同設計技術

圖6 圍護與工程樁合用平面布置

老大樓利用圍護樁作為樁基，勢必將基礎梁延伸，在協同設計過程中，將圍護支撐系統與結構基礎梁結合，既作為老大樓的基礎梁，也作為圍護首道支撐梁。基礎梁的高度、埋深與圍護支撐梁有部分差異，通過梁的過渡手段保證結構要求，在配筋中，尤其應注意結構基礎梁以豎向受力為主，而基坑支撐梁以水平受力為主，受力分析后應對水平支撐梁進行加強，滿足水平開挖的要求。

在基坑施工階段，應對照結構要求，在壓頂梁及基礎連梁上預留插筋及預埋件，保證后期結構加固時基礎結構的完整性。

5 通道施工對老大樓的變形控制技術

5.1 老大樓遺留地下室及樁基清障技術

老大樓下部留有1個地下室結構，其下部密布木樁，提前清除就必須先開挖1個5 m左右的深坑，在無圍護情況下進行開挖有較大風險。故本次清障需要在咬合樁施工完成后進行，這就對施工提出了以下問題：

1）目前的地下室頂板能否承受機械自重。

2）咬合樁施工產生的扭轉是否會帶動整個基礎轉動，從而影響整個老大樓安全。

3）咬合樁完成后，老地下室拆除工藝如何選擇。

針對以上問題，項目設計及施工中采取了多種方案確保大樓不在清障階段出現變形。

5.1.1 頂板分段切割，地下室腔體內灌注砂土填充，頂部設置導墻兼地坪

由于圍護施工機械較重，頂板在承載力不足時會發生塌陷，對老大樓產生較大的風險。故需要對地下室頂板進行加固處理，最直接有效的方式即向地下室空隙內填充砂土或泡沫混凝土，保證內部填充密實，再在頂部進行導墻和地坪的制作，保證地基承載力能滿足機械施工的要求。

填充前對頂板進行分段切割，留下部分梁作為支撐梁撐住側墻，保證大范圍砂土填充的操作面，同時也保證側向土體的穩定，在土體填充完成后再進行剩余體系切割，從而降低環境影響。

5.1.2 預先切割底板，防止底板與剩余基礎同步轉動

咬合樁搓管工藝對基礎有帶動作用，在較大的扭矩下可能會使整個大樓基礎一起受到影響，為防止在咬合樁施工時產生帶動的扭轉效應，在地下室填充前對樁位進行復核，并在底板上進行水鉆連續開洞，洞的大小應考慮垂直度、定位誤差等因素，并留有相應標記。在切斷基礎聯系的情況下，咬合樁施工產生的扭轉無法傳遞至老大樓基礎，變形得到較好的控制。

5.1.3 基礎及樁基全部采用切割工藝，防止振動影響擾動土體

振動對土體有擾動作用，尤其對于淺基礎房屋而言，下部有較厚的淤泥層，在頻繁的振動下，下部的軟弱土層塑性降低，產生蠕動變形，從而產生沉降。為此在基坑施工中要求所有清障作業全部采用切割工藝，防止振動對老大樓產生影響。

5.2 時空效應快速施工技術

眾所周知，將基坑劃分成小塊迅速完成基坑的開挖并筑底，可大大減小基坑開挖對周邊環境的影響。本基坑設計中除第1道支撐外，其余體系均采用鋼支撐系統，并將第2道支撐設置于通道頂板上部，避免支撐影響結構施工，也讓基坑回筑期間多一個支點，更好地控制變形。

在市政道路側，通道開挖中斷了道路的通行，在該處設置棧橋體系既作為挖土平臺，又可加速土方的外運，從而大大增加施工效率，減小基坑的變形對老大樓的影響。

5.3 注漿補償技術

施工期間，第1根試樁打穿⑦層承壓水后，未進行灌水有效封堵水土涌入，造成一側山墻出現短時沉降，此時必須及時對該側土體進行注漿補償以填充涌入的水土留下的空隙。

在老大樓南北兩側咬合樁外側0.8 m范圍內，按1.5 m的間距布置注漿孔。漿孔標高定為老大樓遠側錨桿樁底及以下6 m范圍內。注漿采用P·O 42.5水泥，壓密注漿漿液注入率為20%（與被加固體積之比，即水泥用量186 kg/m2），加固半徑為800 mm，水灰比0.55，水玻璃摻入量為3%。

經過多次反復注漿后，沉降得到了有效控制，證明跟蹤注漿補償可以有效解決淺基礎沉降問題。

6 工程實施效果

從基坑開挖至地下室完成，老大樓處圍護體測斜僅6 mm，遠遠小于規范允許值。根據老大樓設置的2個沉降點的監測數據，盡管在基坑開挖的過程中，該建筑不可避免地產生了一定的沉降，但由于圍護體系強大的剛度以及信息化施工的科學性，對老大樓的影響較小，從基坑開挖至通道回填過程中的總沉降約在8 mm左右，達到了保護老大樓的目的。

7 結語

背景工程通道雖然規模很小，但是現場環境比較復雜，需要在兩側受限情況下，解決通道尺寸的最大化，并兼顧鄰近老建筑的基礎協同設計施工及保護問題，在多方的精心組織和籌劃下，順利完成了該項目的施工。最終老建筑沉降8 mm，局部傾斜控制在允許范圍內，達到了預期的保護目標，該項目的成功實施為類似工程提供了寶貴的經驗。

在拆除后的建筑內進行地下通道施工，首先應對建筑進行詳細的調研，針對結構形式及薄弱點，制定相應的保護措施，對地下障礙物進行實地探摸，尤其是清障方案對老樓的影響進行分析，針對性提出設計施工方案并對可能出現的問題制定應急預案。

在空間受限情況下進行地下通道設計及施工，應對受限空間進行現場量測，并結合通道設計的要求、通道開挖的要求、建筑的保護要求乃至清障要求，分析特點后選用合適的機械設備，從而去滿足設計施工的需求。

在環境復雜區域進行清障或圍護、樁基等內容施工，尤其是需要在老地下室頂板上操作時，應對地下室承載力進行分析，小規模地下室可采用回填砂土或泡沫混凝土的方式，大規模地下室可采用加臨時支點、臨時分隔墻等方式，減小豎向內力，從而滿足機械設備行走要求。

咬合樁具有剛度大、自止水、可清障的能力，可以很好地適用于密布障礙物地區基坑支護。但在施工前，應針對地層進行分析，尤其是高承壓水土層中施工應采用超前支護和灌水的方式，防止套管內水土涌入影響外部環境的安全。