地下工程施工对历史建筑影响的研究与实践成果

1.工程概况

洛克外滩源位于上海市外滩历史文化风貌保护区的核心地块，新建筑开挖的基坑紧贴历史保护建筑和保留建筑。平面布置如图3-21所示。3号基坑与亚洲文会加建基坑之间只隔一道地下连续墙。3号基坑开挖面积630 m2，开挖深度13.1 m，亚洲文会加建基坑开挖面积90 m2，开挖深度6.5 m。3号基坑采用地下连续墙+三轴搅拌桩两侧加固，亚洲文会加建基坑采用SMW工法，桩基均采用钻孔灌注桩。对基坑影响范围内的历史建筑物进行基础和主体加固，这些历史建筑物的结构概况及采取的加固方法如表3-11所示。

图3-21　洛克外滩源平面示意图

表3-11　基坑影响范围内的历史建筑物结构概况及加固方法

2.施工技术难点

（1）深基坑贴近历史建筑，围护结构施工时，施工机械布置困难，而且要减小对历史建筑基础的影响范围和深度。

（2）历史建筑基础加固与3个深浅不一的单体基坑施工相互影响，施工顺序的安排至关重要。

（3）施工现场场地狭小，工期紧，必须合理解决土方和材料运输问题，加快地下工程施工进度，保证新建筑与历史建筑上部加固同时施工。

（4）深基坑施工时，要保证邻近未进行基础加固的待拆老建筑的安全。

3.总体施工流程

（1）3号基坑在施工三轴搅拌桩前，须完成老建筑基础加固（全部新增基础梁）施工，确保基础的整体刚度。

（2）邻近3号基坑周围、纵横墙相交处的锚杆静压钢管桩需沉桩及封桩完毕。

（3）邻近安培洋行的3号基坑内侧加固搅拌桩须在地下连续墙施工完毕后方可施工。

（4）亚洲文会大楼地下室结构完成后施工3号基坑围护结构。

（5）美丰洋行在3号基坑围护施工前加固并局部拆除。

在实际施工过程中由于加固的进度滞后，流程做了适当调整，关键在于控制亚洲文会加建底板和地下一层的二次换撑时间，保证在3号基坑开挖前完成换撑；美丰洋行在3号基坑围护施工后、开挖前才完成加固并局部拆除。实际施工流程如图3-22所示。

图3-22　相邻建筑施工流程

4.基坑施工

基坑的施工主要涉及围护结构、土方开挖、基坑降水、支撑布置等。

（1）围护结构

3号基坑地下连续墙厚600 mm，靠近保护建筑物区域深28.5 m，与结构外墙两墙合一，两侧采用三轴搅拌桩3ϕ650 mm@900 mm加固兼止水帷幕。基坑内采用3ϕ650 mm@1 350 mm三轴搅拌桩加固，桩间搭接200 mm，水泥掺量分别为8%（坑底以上）和13%（坑底以下）。三轴搅拌桩有效桩长分别为12.90 m（一般区域）、15.90 m（坑底加固区域）、17.30 m（亚洲文会大楼加建基坑区域）和16.70 m（与3号基坑衔接区域）。

（2）土方开挖

土方开挖分4层，第1层土方开挖后施工第1道支撑及栈桥。第1层土用挖机直接挖运，下面3层土采用80 t的履带式起重机将普通小型挖机吊进坑内，与停放在栈桥上的加长臂挖机形成接力方式进行土方挖运。

（3）基坑降水

3号基坑按单井有效抽水面积200 m2来确定，在基坑内设置3口真空深井，深井降水孔深21 m，成孔直径700 mm，井管直径273 mm，侧边采用洁净粗砂回填。深井降水在开挖前30 d进行，基坑开挖前坑内地下水位须降至开挖面以下1 m，结合支撑施工及土方开挖，视降水及水位监测情况适当调整降水方案。整个降水周期一直延续到3号基坑地下室主体施工结束。

（4）支撑及栈桥设置

3号基坑南北长约36 m，东西长约16 m，东、南、西三面均为历史建筑，施工场地非常狭窄，基坑开挖后将没有施工通道，故在3号基坑靠近安培洋行、圆明园公寓一侧增设临时施工栈桥，便于挖机及运土车辆在栈桥上挖运土方、停靠起重机械、安装钢管支撑、吊运施工材料模板等，从而加快基坑施工速度。

3号基坑内第1道支撑为900 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，第2，3道为ϕ609×16双拼钢管支撑，[24@2 000 mm加强，环梁为双拼H700×300×13×24，钢管支撑施加预应力。利用第1道钢筋混凝土支撑，在其上部设置混凝土栈桥。在基坑内设500 mm×500 mm钢格构柱支撑栈桥并插入工程桩。

5.影响因子分析

周边历史建筑物基础沉降由于受到包括自然和人为因素在内的各种因素的影响，所以其沉降数据呈现离散性与无序性。当前基础沉降预测主要是采用根据历史数据判定沉降的特征参数的预测方法。

基坑开挖引起的地面沉降常常没有严格的数量概念，更缺少恰当的定量方法，这就使得数学计算方法的精确性和严格性与原始工程施工资料的描述性和概略性之间产生一定差距，从而增加了变工程施工问题为数学问题，或变工程施工模型为数学模型的难度。解决这一难题的途径之一，就是研究适合定性数据的统计分析方法。

数量化理论Ⅰ把周边历史建筑物基础沉降问题变为数学问题，研究基坑开挖引起的周边历史建筑物基础沉降影响因子在数量上的关系，常常可以揭示一定的规律。它是一种既能处理定量变量，同时又能处理定性变量的多元统计方法。如果把整个研究区域视为总体，并对其进行更具体的划分，构成一组样本（样本中的元素既有定性变量，又有定量变量），那么，数量化理论Ⅰ的基本思想便是：先定义一种亲近度，以表征样本间的相似关系，然后以此为依据，对每个样本合理地给定一个空间位置，使之能全面地反映样本间的亲疏关系，从而实现对样本的归类。

（1）定量因子

在考虑基坑开挖周边历史建筑物基础沉降的影响因子中，通过定量因子进行统计判断，具体的定量因子有以下几种：

①周边历史建筑与基坑的距离x1：基坑周边的历史建筑与基坑的距离有远近之分，一般情况下，周边历史建筑离基坑边缘越近，其受到基坑开挖的影响越大，相应的建筑物基础沉降就越大，而且它们之间的距离可以定量统计，单位为m。

②基坑开挖深度x2：在基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度的加大，其周边地表沉降越来越大，地层的移动也会影响到周边历史建筑物基础的移动，造成建筑物基础沉降也会加大。通过对基坑开挖深度的定量统计，可以作为预测周边历史建筑物基础沉降的考虑因素之一，单位为m。

③围护结构插入比x3：基坑的围护结构插入比的不同，会影响围护结构的整体刚度，在满足基坑设计要求的情况下，围护结构刚度越大，周边地层的变形越小。对围护结构插入比进行定量统计，作为数量化理论Ⅰ的影响因子之一，为无量纲。

④黏聚力c的加权值x4：对2.5倍基坑开挖深度范围内土层的黏聚力进行加权统计，具体方法为求黏聚力c与相应土层厚度的乘积与所有土层厚度的比值。把加权的黏聚力作为定量因子进行统计，单位为kPa。

⑤内摩擦角φ的加权值x5：对2.5倍基坑开挖深度范围内土层的内摩擦角进行加权统计，具体方法为求内摩擦角φ与相应土层厚度的乘积与所有土层厚度的比值。把加权的内摩擦角作为定量因子进行统计，单位为（°）。

⑥历史建筑物层数x6：对历史建筑物层数进行定量统计，以反映建筑物荷载因素对基坑开挖影响的敏感性程度。(www.xing528.com)

（2）定性因子

在考虑基坑开挖周边历史建筑物基础沉降的影响因子中，通过定性因子进行统计判断，具体的定性因子有以下几种：

①坑内加固x7：在基坑设计中，类目1，有些基坑是需要坑内特别加固的（如裙边加固等）；类目2，有些基坑不需要坑内特别加固（如隔离墩式加固）。针对这种情况就需要进行定性统计分析。

②建筑物本身刚度x8：基坑周边历史建筑物本身的刚度也会影响其沉降，类目1，刚度大；类目2，刚度小。

③基础形式x9：一般情况下，历史建筑物的基础形式有天然地基、条形基础以及后期加固的桩基等基础形式，类目1，天然地基；类目2，非天然地基。

④历史建筑物基础加固x10：基坑周边历史建筑物在基坑开挖之前进行基础加固，类目1，加固；类目2，不加固。

⑤地下水x11：基坑的开挖不能回避地下水的影响，类目1，水文地质条件好；类目2，水文地质条件差。

（3）基准变量的确定

根据项目现场资料的收集和整理，选取基坑开挖周边有历史建筑物的工程案例，按照定量因子和定性因子与基准变量（历史建筑物沉降，单位为mm）进行统计，详见表3-12。

（4）预测方差及精度分析

根据数量化理论Ⅰ的基本原理，基于样本反应矩阵进行多元线性回归分析，因变量为基准变量（记为y），自变量为x1，x2，x3，x4，x5，x6，x71，x72，x81，x82，x91，x92，x101，x102，x111，x112。具体的回归分析如表3-13—表3-15所示。

表3-13　输入/移去的变量

表3-14　复相关系数汇总

表3-12　基坑周边历史建筑物沉降样本反应矩阵表

表3-15　回归方程系数统计

由表3-13可知，自变量x1，x2，x4，x5，x72，x91，x101，x112对因变量（基准变量）起主要影响作用，复相关系数R=0.943，大于0.9，说明该预测模型较为精确，基准变量与各类目之间的线性相关关系为高度相关。得到预测方程如下：

由式（3-60）可知，基准变量（基坑周边建筑物沉降量）与x2，x3，x72，x91，x101，x112正相关，与x1，x4，x5负相关。可得：

①随着周边历史建筑物离基坑位置越近，建筑物沉降越大，说明在基坑开挖过程中要尤其注重对离坑边近的历史建筑进行监测。

②基坑开挖深度越大，周边建筑物的沉降越大，即历史建筑受基坑开挖的影响越大。

③基坑的围护结构插入比越大，在进行回归分析时，关联性较小。

④c、φ加权值越大，基坑开挖时，建筑物沉降越小。表明地层强度大对邻近历史建筑保护有利。

⑤考虑到历史建筑物具有历史沉降，在基坑开挖过程中，历史建筑物的层数对其沉降的影响较小，说明建筑物的以后荷重已经使基础下的土体产生了压密，所以其本身的荷载另外影响其沉降的程度会较小。

⑥基坑开挖过程中，若没有进行坑内加固，周边地表沉降会加大，进而周边建筑物的沉降亦会加大。

⑦基坑开挖会扰动周边深层土层，当周边历史建筑物为天然地基时，基础受基坑开挖的影响较大，历史建筑物的沉降会加大。

⑧对历史建筑进行基础加固，其在基坑开挖期间发生的沉降会降低。

⑨周边土层水文地质条件越好，基坑开挖引起的周边历史建筑的沉降量越小。

实际值与预测值的比较分析见表3-16。

表3-16　样本基准变量、预测值及误差

由表3-16可知，基准变量之和为352，误差之和为36.67，误差率为36.67/352×100%=10.4%，这是由于本节统计的基坑开挖影响因素有限，故存在一定的误差率，再结合相应的工程实践经验可以对基坑开挖周边的地表沉降进行初步沉降评价。

（5）影响因素相关分析

基坑开挖引起周边历史建筑物沉降是各种因素综合作用的结果，但各因素的影响和控制作用有大小之分。本节运用数量化理论Ⅰ计算求出其相关系数，判定各个影响因素对周边历史建筑物沉降的作用大小。

相关系数与变量之间的线性相关程度呈正相关，即变量之间的线性相关程度越高，相关系数绝对值越大；变量之间的线性相关程度越低，相关系数绝对值越小。因此，可根据基坑周边邻近历史建筑物的沉降量与各影响因素之间的相关系数，来具体说明各影响因素分别对基坑开挖引起周边历史建筑沉降的影响程度，进而从众多影响因素中辨别出基坑开挖引起周边历史建筑物沉降的主要影响因素和次要影响因素。

运用数量化理论Ⅰ的基本原理，计算出各影响因素的相关系数，详见表3-17。

表3-17　各影响因素权重对比分析

由表3-17可知，内摩擦角φ的加权值在所有影响因素中的贡献度最大，而后是黏聚力c的加权值和基坑开挖深度，说明场地地质条件和基坑的开挖深度起到主要作用；其次是基坑与周边历史建筑的距离和历史建筑基础是否加固对基坑开挖引起的历史建筑物沉降也起到次要影响作用；基坑内不进行特别加固、历史建筑物为天然地基和水文地质条件作用在所有影响因素中占的比重较小。