保護(hù)建筑的預(yù)加固措施對(duì)控制基坑周邊房屋沉降的影響

郝晟敏

上海市房屋建筑設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200062

1 項(xiàng)目概況

1.1 基坑概況

新建項(xiàng)目基坑總面積31 100 m2，外圍總周長(zhǎng)853 m，Ⅰ、Ⅱ區(qū)開挖深度一般為22.90 m，Ⅲ區(qū)開挖深度為12.55 m，Ⅳ區(qū)開挖深度為12.10 m。基坑周邊有尚未完成加固修繕的歷史保護(hù)建筑需要進(jìn)行加固。本次加固對(duì)象位于Ⅱ區(qū)東側(cè)、Ⅲ區(qū)北側(cè)，房屋西側(cè)距離Ⅱ區(qū)基坑邊緣8.2 m，南側(cè)距Ⅲ區(qū)基坑邊緣9.0 m。基坑與本次加固對(duì)象的平面位置如圖1所示。

圖1 基坑平面與周邊文物保護(hù)建筑的位置關(guān)系示意

本項(xiàng)目基坑采用順作法分層施工，設(shè)置地下連續(xù)墻＋5道水平混凝土支撐的圍護(hù)形式，對(duì)于東南角保護(hù)建筑周邊區(qū)域，在基坑內(nèi)沿圍護(hù)樁設(shè)置三軸攪拌樁裙邊加固及旋噴樁墩式加固。地下連續(xù)墻厚1 000 mm，地下連續(xù)墻槽段之間采用圓形鎖口管接頭。基坑降水采用真空深井降水。

1.2 基坑施工前本次加固對(duì)象檢測(cè)結(jié)果

本次加固的房屋建于1920年左右，為1幢2層的磚木結(jié)構(gòu)石庫門里弄住宅，為上海市市級(jí)文物保護(hù)單位。房屋由橫墻與半磚木立帖墻共同承重，主要承重墻厚330、220 mm，采用實(shí)心黏土磚、黃泥石灰草筋砂漿砌筑。樓蓋主要為木樓面，木擱柵上鋪設(shè)木地板，房屋未設(shè)屋架，主屋面設(shè)圓木檁條擱置于承重墻體及半磚木立帖墻上。房屋承重墻體采用墻下大放腳基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約為0.750 m；木柱下方設(shè)置花崗巖方蹲，下部采用大放腳，埋深約為0.825 m。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，房屋的砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度偏低，僅為0.6 MPa。房屋東外墻的過街樓部分與主體結(jié)構(gòu)存在不均勻沉降引起的上寬下窄的貫穿結(jié)構(gòu)性裂縫，已形成危險(xiǎn)構(gòu)件。西外墻（近基坑側(cè)）存在多條貫穿結(jié)構(gòu)性裂縫，半磚木立貼墻的木柱多數(shù)根部腐朽，并有白蟻蛀蝕現(xiàn)象，大部分木柱已失去承載能力，存在較大的安全隱患，房屋的整體性較差。房屋整體傾斜規(guī)律不明顯，部分測(cè)點(diǎn)傾斜率接近JGJ 125—2016《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》1.0%的限值。

1.3 基坑施工對(duì)周邊建筑物影響的工程經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量研究及工程案例，總結(jié)了一些具有指導(dǎo)意義的工程經(jīng)驗(yàn)：

1）順作法基坑施工過程中，基坑周邊建筑物沉降速率最快的階段為基坑降水后至基坑底板澆筑完成前，此階段的沉降決定了建筑物的變形形態(tài)。但基于上海地區(qū)軟土的流變性，使得在底板澆筑完成至沉降趨于穩(wěn)定期間內(nèi)引起的變形占總變形量的50%左右[1]。因此，順作法基坑開挖對(duì)周邊建筑物的沉降影響是全過程的。

2）基坑的三維變形效應(yīng)不僅會(huì)影響基坑內(nèi)地下連續(xù)墻的變形，也會(huì)影響基坑外側(cè)建筑物的變形，使整個(gè)建筑物有向基坑一側(cè)傾斜的趨勢(shì)[2-3]。距基坑越近的區(qū)域沉降越明顯，并在建筑物與基坑距離不同的區(qū)域體現(xiàn)出差異性，造成建筑物的不均勻沉降，這對(duì)于整體性較差的建筑物來說是最危險(xiǎn)的因素之一。不均勻沉降的影響程度與建筑物的基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，而磚木結(jié)構(gòu)建筑物恰恰最需要控制不均勻沉降。

3）基坑施工引起的周邊建筑物沉降變形可分為上拱和凹陷2種形態(tài)[1-2]，若同時(shí)出現(xiàn)上拱和凹陷形態(tài)，對(duì)建筑物造成的損壞更大。上拱或凹陷撓曲變形是造成建筑物承重構(gòu)件開裂的主要原因，因此，使建筑物的整體傾斜表現(xiàn)為剛性傾斜，使得房屋相當(dāng)于剛體平動(dòng)，可以降低沉降變形對(duì)建筑物的影響[2]。

2 搶險(xiǎn)性預(yù)加固

2.1 基坑施工前房屋預(yù)加固的必要性

本次預(yù)加固對(duì)象的建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀存在較多的缺陷。一是房屋材料強(qiáng)度偏低，特別是砂漿抗壓強(qiáng)度低，根據(jù)以往的房屋檢測(cè)驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)，砂漿強(qiáng)度對(duì)墻體承載力影響很大；二是由于房屋建造年代久遠(yuǎn)，且磚木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了房屋承重橫墻較少，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造連接薄弱，墻下大放腳基礎(chǔ)埋深較淺、橫墻跨度大，整體性較差，對(duì)外界影響較為敏感；三是從房屋目前的損壞狀況來看，承重橫墻已經(jīng)出現(xiàn)多條貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件已呈現(xiàn)嚴(yán)重的傾斜變形，稍加一些外界環(huán)境影響即有可能引發(fā)房屋局部坍塌等嚴(yán)重?fù)p壞事件。

因此，在基坑施工前對(duì)這類磚木結(jié)構(gòu)房屋，尤其是已經(jīng)產(chǎn)生明顯損壞的房屋進(jìn)行預(yù)加固是必要的。

2.2 預(yù)加固需遵循的原則

考慮到該房屋為市級(jí)文物，有著建筑的主要立面、主要結(jié)構(gòu)體系、主要空間格局和有價(jià)值的建筑構(gòu)件不得改變的要求，因此在預(yù)加固時(shí)需要遵循保證施工期間房屋的安全性及施工結(jié)束后風(fēng)貌恢復(fù)、修繕加固不受影響的原則。

1）采取的措施能提高房屋整體性及抗變形能力，從而達(dá)到降低沉降影響的效果。

2）由于基坑施工造成沉降的影響是必然的，故考慮在保證房屋安全性的前提下，待基坑施工引起的沉降趨于穩(wěn)定后，再對(duì)房屋進(jìn)行全面、系統(tǒng)的加固修繕，可以減少沉降對(duì)房屋造成的變形影響在房屋外觀損壞上的體現(xiàn)。

2.3 預(yù)加固措施

根據(jù)項(xiàng)目的自身特點(diǎn)并結(jié)合沉降影響的工程經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地提出預(yù)加固處理方案。

1）對(duì)已產(chǎn)生的房屋上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性裂縫進(jìn)行壓力灌漿處理，對(duì)木柱按損壞程度進(jìn)行更換或墩接，對(duì)木柱、木擱柵和木檁條的節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行加固，提高房屋局部構(gòu)件的抗變形能力。

2）沿外立面及圍墻設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)架，達(dá)到拉結(jié)、控制外墻及圍墻變形的目的。在鋼構(gòu)架上按軸網(wǎng)及立面規(guī)則均勻布置鋼柱，沿墻高分別在層高高度處設(shè)置2層鋼梁；鋼梁、鋼柱與墻體的連接均由錨栓拉桿完成，并在原墻體兩側(cè)設(shè)通長(zhǎng)墊木；鋼構(gòu)架在各立面端部跨鋼柱間設(shè)鋼支撐。提高了上部結(jié)構(gòu)抵御不均勻沉降引起變形的能力。典型立面支撐布置如圖2所示。

圖2 上部結(jié)構(gòu)典型立面支撐布置示意

3）對(duì)于房屋基礎(chǔ)，通過設(shè)置筏板及錨桿靜壓樁，組成基礎(chǔ)托換體系的加固方法。在房屋目前所有承重磚墻、立帖墻、半磚墻、圍墻下原基礎(chǔ)兩側(cè)均新增200 mm×500 mm混凝土基礎(chǔ)梁，并沿墻長(zhǎng)設(shè)置間距不大于1.2 m的基礎(chǔ)連梁；然后澆筑厚500 mm的混凝土筏板，筏板范圍包括過街樓、南北庭院及主體結(jié)構(gòu)區(qū)域，將文物建筑由原大放腳條形基礎(chǔ)承受的上部荷載傳遞到筏板和錨桿靜壓樁上。整片的筏板使得房屋抵御因基坑施工引起的上拱或凹陷變形的能力得到提高，混凝土筏板基礎(chǔ)還解決了木柱根部易受潮腐朽的問題。房屋新設(shè)筏板及基礎(chǔ)梁加固平面如圖3所示。

圖3 筏板及基礎(chǔ)梁加固平面示意

4）鋼支撐構(gòu)架的鋼柱端部用螺栓與澆筑于筏板基礎(chǔ)的混凝土短柱連接，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)形成了整體連接，同時(shí)提高了基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度。基坑施工后，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架可全部拆除，且不影響房屋主體結(jié)構(gòu)體系及外部風(fēng)貌。

3 房屋沉降控制結(jié)果

房屋在預(yù)加固施工完成后基坑開挖前重新布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中主體結(jié)構(gòu)設(shè)17個(gè)點(diǎn)位，編號(hào)為CJ-01-01—CJ-01-17，附屬圍墻設(shè)10個(gè)點(diǎn)位，編號(hào)為CJ-02-01—CJ-02-10，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 房屋主體結(jié)構(gòu)及屬圍墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

階段一：2018年12月—2019年6月，基坑開挖至板底。

其中變化速率最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為CJ-01-14，日變化速率為1.88 mm/d（2019年4月3日），累計(jì)沉降值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為CJ-02-07，累計(jì)沉降值為－1.872 mm（2019年5月28日）。2019年5月，基坑開挖至鄰近坑底階段，主體結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化如圖5所示。

階段二：2019年7月—2019年8月，施工至標(biāo)高±0 m。

圖5 房屋CJ-01-01—CJ-01-17沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)變化（2019年5月）

房屋主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化幅度減小，累計(jì)沉降值有所回彈。2019年8月，基坑施工至±0 m階段，主體結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化如圖6所示。

圖6 房屋CJ-01-01—CJ-01-17沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)變化（2019年8月）

階段三：2019年9月—2020年9月（計(jì)劃），地上部分施工至主體結(jié)構(gòu)封頂。

截至2020年3月29日，房屋主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化已趨于穩(wěn)定。2020年3月，主體結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化如圖7所示。

圖7 房屋CJ-01-01—CJ-01-17沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)變化（2020年3月）

根據(jù)目前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圖表可知：房屋各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化符合以往工程經(jīng)驗(yàn)的變形特征，但由于預(yù)加固措施的作用，可明顯看到沉降數(shù)據(jù)的優(yōu)化[4-6]。

1）沉降累計(jì)值正值主要集中在遠(yuǎn)離基坑一端，可見筏板基礎(chǔ)的整體性使得房屋呈剛性傾斜特征，有效地改善了房屋受上拱和凹陷變形的影響。

2）基坑施工鄰近標(biāo)高±0 m時(shí)，累計(jì)沉降值相較于類似工程明顯減小，且在施工至標(biāo)高±0 m之后2個(gè)月（2019年10月），各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降已趨于穩(wěn)定，并保持至今（6個(gè)月），沉降變化值小于1 mm，可見預(yù)加固的錨桿靜壓樁改善了軟土的流變性，使得房屋的后期變形大大降低。

目前房屋上部結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)新增墻體裂縫。

4 結(jié)語

本文在參考工程經(jīng)驗(yàn)的沉降規(guī)律和文物保護(hù)建筑的保護(hù)原則的前提下，通過對(duì)某基坑周邊1幢磚木結(jié)構(gòu)文物保護(hù)建筑采用預(yù)加固措施，減輕了基坑施工對(duì)房屋的不利影響。結(jié)論如下：

1）本文采用的預(yù)加固措施相較于文物保護(hù)建筑的全面加固修繕工程，施工周期短，不影響基坑施工的開工進(jìn)度。上部鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)架拆除后不影響文物建筑的外部風(fēng)貌，前期所做的基礎(chǔ)加固措施可繼續(xù)為后期的加固修繕?biāo)谩?/p>

2）房屋上部鋼結(jié)構(gòu)支撐在有效提高上部結(jié)構(gòu)整體性和剛度的同時(shí)，與下部的筏板＋錨桿靜壓樁基礎(chǔ)相連，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的加固措施形成了整體體系，起到抵御不均勻沉降和撓曲變形的作用；錨桿靜壓樁同時(shí)改善了軟土的流變性，減小了房屋后期變形，從而達(dá)到全過程降低累計(jì)沉降量的目的。

3）沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雖然基坑施工尚未結(jié)束，但目前沉降數(shù)據(jù)規(guī)律顯示，房屋各測(cè)點(diǎn)沉降已趨于穩(wěn)定，且累計(jì)沉降值也相較于類似工程明顯減小，表明已采用的預(yù)加固措施是有效的。