地下工程施工对历史建筑影响的风险分析研究

以上海国际舞蹈中心深基坑工程为实例，运用层次分析法评价基坑开挖对基坑四周6幢历史建筑的影响，并进行风险分析，提出处理对策。

1.工程概况与地质条件

上海国际舞蹈中心新址位于上海市虹桥历史文化风貌保护区内，是上海市“十二五”规划的最后一个市重点重大文化建设工程项目（图3-23）。建成后，它将成为上海市舞蹈教育、节目排练和国际舞蹈交流的重要基地。上海国际舞蹈中心项目由上海芭蕾舞团、上海歌舞团、舞蹈学校、舞蹈学院、1 000座剧院、200座合演中心等功能区域组成，包括4幢新建单体（1～4号楼），均为24 m以下多层建筑；1～4号楼地下一层地下室与地下车库连为整体，主要功能为厨房以及设备用房；2号楼和3号楼局部设地下两层用作车库。地上总建筑面积约44 890 m2，地下建筑面积约40 040 m2。剧院为框架抗震墙结构，其余建筑为框架结构。基础采用桩筏基础，工程桩采用ϕ600钻孔灌注桩。

图3-23　总平面图

（1）基坑概况

基坑面积：本工程一层基坑总面积约26 609 m2，周长约927 m，二层基坑面积约14 428 m2，周长约707 m。基坑形状极不规则。

基坑开挖深度：根据建筑资料，本工程设计标高±0.000相当于绝对标高+4.400 m，室内外高差0.60 m。目前场地内标高为3.80 m，地下一层结构底板顶面相对标高为-6.200 m，底板厚600 mm，垫层厚200 mm，单桩承台高1.0 m，多桩承台高1.5 m。地下二层结构底板顶面相对标高为-10.200 m，底板厚1 000 mm，垫层厚200 mm，承台高1.5 m。地下一层及地下二层基坑开挖深度分别为

地下一层普遍区域：h0=6.2+0.6+0.2+（3.8-4.4）=6.4 m；

地下二层普遍区域：h0=10.2+1.0+0.2+（3.8-4.4）=10.8 m。

（2）周边情况

本工程基地区位条件优越，位于长宁区虹桥地区，地处虹桥路历史文化风貌保护区核心保护范围内，周边历史氛围浓厚，被多幢市级优秀历史建筑所环绕，这些建筑保护等级均较高，且距离基坑很近。周边建筑与本基坑工程关系见图3-24。

图3-24　周边历史建筑概况

基坑周边共有图3-24中所示的6#～11#共6幢上海市优秀历史建筑，具体情况如表3-18所示。

表3-18　周边历史建筑信息

（3）地质条件

上海位于东海之滨、长江入海口处，属长江三角洲冲积平原，拟建场地地貌单元属滨海平原地貌类型，地形较为平坦。场地内地下水类型为潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，埋深一般为地表下0.3～1.5 m。影响本基坑工程的主要土层及各层土的岩土力学参数如表3-19所示。

表3-19　土层力学参数

2.基坑工程与历史建筑的关系

本建设场地原为上海舞蹈学校和上海舞蹈团旧址，在拆除老建筑物的基础上新建4幢3～4层建筑，这样，场地用地面积和四周红线就很受影响。基坑工程与保留的历史建筑地理位置关系复杂，基坑工程有如下特点：

（1）环境保护要求高。基坑周边分布有6幢市级优秀历史建筑，离基坑边线距离均在1倍开挖深度以内，其中南侧10#楼距离基坑边线最近为4.027 m，并且历史建筑分布在基坑四周。

（2）基坑形状极不规则。本工程是在拆除原有建筑物之后新建项目，同时考虑保留6幢市级优秀历史建筑，受场地条件的限制，基坑的形状极不规则，给基坑支护设计中支撑的布置带来困难。同时，基坑开挖会从多个侧面影响同一幢历史建筑，会产生叠加影响。

（3）基坑开挖面积大，存在两个挖深。本工程一层基坑总面积约26 609 m2，二层基坑面积约14 428 m2。一层挖深6.4 m，二层挖深10.8 m，坑内标高各异，需要分坑组织施工，施工的流程与基坑支撑内力的传递路径关系复杂，有4幢历史建筑受二层地下室开挖影响。

（4）施工组织难度大

拟建场地地处虹桥路历史文化风貌保护区核心保护范围内，被多幢优秀历史建筑环绕，三面邻近交通道路，场地条件十分紧张，给施工中的材料堆场、交通组织等带来较大的困难。同时，基坑开挖、基础施工也会给历史建筑带来不利影响。

3.层次分析法理论与模型

本基坑工程的设计与施工，不可避免地会对基坑周边6幢历史建筑产生不利影响，存在一定的风险，而且此风险具有复杂性和不确定性。为降低和消除风险，首先必须找出对历史建筑影响较大的风险源，然后通过有效对策，对风险实施控制，以达到保护历史建筑的目的。常用的风险分析方法有多种，本节采用层次分析法对基坑工程影响周边历史建筑的风险进行分析。

基坑开挖对历史建筑影响的分析评价思路与步骤为：首先根据历史建筑的影响因素建立分层递进的层次结构模型，构造两两判断矩阵，然后分别计算单一准则下和目标准则下的风险因素权重，并进行一致性检验，最后得到影响历史建筑因素的风险分类。

基坑开挖和基础施工对历史建筑的影响，既与历史建筑本身的设计、使用状况以及所处环境有关，又与基坑设计和施工方案有关。在总结分析大量工程实例的基础上，得到图3-25所示的层次分析模型。

图3-25　层次分析模型

4.实例分析

（1）影响因素风险计算(www.xing528.com)

根据图3-25所示的分析模型，采用1～9的标度，通过专家打分法构建两两比较判断矩阵。专家的评判标准是根据自己多年从事基坑支护设计与施工的实践经验，并结合实际工程的周边环境、历史建筑物现状、基坑设计和施工方案等情况所作出的综合比较判断。下面以10#楼（图3-26）为例详细介绍计算分析过程。

图3-26　10#楼现状（单位：mm）

10#楼为上海市优秀历史建筑，该建筑为两层砖混结构，无地下室。目前建筑外边线西北角距离本工程基坑最近，距离为4.027 m。该历史建筑基础形式为条形基础，基础边线超出外墙0.315 m，基础埋深1.19 m。根据上海市建筑科学研究院房屋质量监测站提供的《上海国际舞蹈中心新建项目施工前周边优秀历史建筑现状检测报告》得出以下结论。

10#楼检测现状：

①10#楼保护较好，未见明显损伤；

②房屋东西向平均倾斜率1.19‰，最大向西倾斜2.05‰，南北向平均倾斜率1.08‰，最大向北倾斜2.22‰，低于《优秀历史建筑修缮技术规程》（DGJ 08—108—2004）中一级修缮的临界值（7.00‰）。

10#楼保护要求：

①在保持原有的建筑整体性和风格特点的前提下，允许对建筑外部作适当的局部变动；

②允许对建筑内部作适当的变动；

③内部重点保护部位：空间格局，原有装饰。

将10#楼情况与基坑支护设计资料发送给20位专家，专家根据各自的理论知识和专业实践经验打分，经统计计算得到的判断矩阵为

经计算，得到各因素的权重为

A：W=[0.20 0.12 0.61 0.07],λ=4.21,CI=0.07,CR=0.079＜0.1

B1：W=[0.47 0.14 0.33 0.05],λ=4.07,CI=0.02,CR=0.026＜0.1

B2：W=[0.56 0.11 0.27 0.06],λ=4.09,CI=0.03,CR=0.032＜0.1

B3：W=[0.57 0.10 0.28 0.05],λ=4.11,CI=0.04,CR=0.040＜0.1

B4：W=[0.60 0.05 0.23 0.12],λ=4.25,CI=0.08,CR=0.092＜0.1

根据以上计算结果，得到设定准则下各风险因素的影响权重，判断矩阵均通过一致性检验，可据此分析评价基坑开挖对历史建筑的风险。

（2）风险归类

从影响因素来看，基坑开挖对历史建筑的影响从大到小排序为：基坑设计风险、环境风险、建筑物本身风险、施工风险。具体可以根据计算结果，结合风险因素的特征，将风险分为表3-20所示的四类。

表3-20　风险分类表

从表3-20可以看出，对历史建筑影响最大的因素是基坑挖深，因为基坑开挖深度决定了对周边环境影响的范围，这一因素是最基本的、原发性的，因为一切均是由基坑开挖所引起的。其次是支护体系的刚度、历史建筑与基坑的距离、历史建筑基础形式等因素。其中，支护体系的刚度是人为设计的，也是可调控的，距离和方位也可调控，但一般选择的余地不大。

（3）对策

分析评价基坑开挖对历史建筑影响的目的是控制风险，保护历史建筑。针对表3-20中的风险分类，对于重要和较为重要的风险，在规划、设计和施工整个过程中都必须予以关注和预警，有时必须从源头上加以控制，这样才能起到事半功倍的效果。一般风险和次要风险是可以接受的风险，通过增强风险意识，加强管理，就能化解风险。下面主要针对重要和较为重要的风险提出对策（表3-21）。

表3-21　风险对策

（4）结论与建议

城市地下空间开发和利用在某些情况下可能与历史建筑的保护发生矛盾。当代城市建设者必须站在历史的高度，既是城市的建设者，更是城市精神的传承者，有责任、有义务去妥善解决这一矛盾。本节通过基坑开挖对历史建筑的风险分析，得到如下结论和建议。

①在历史建筑附近新建建筑物时，特别是地下空间的开发利用，在规划、设计和施工整个阶段，都必须重视基坑开挖和基础施工对历史建筑的影响，并事前作出风险评价，必要时为保护历史建筑，应修改、调整规划。

②从影响因素来看，基坑开挖对历史建筑的影响从大到小排序为：基坑设计风险、环境风险、建筑物本身风险和施工风险。基坑设计因素是最基本的因素，一切风险皆由基坑开挖引起。从源头控制风险往往能起到事半功倍的效果。

③基坑开挖对历史建筑有重要风险的因素为：基坑挖深、支护体系刚度和距离。对于基坑开挖深度能浅则浅，尽量减小挖深；在设计基坑支护体系时，应以历史建筑变形控制为准则来设计支护体系，使支护体系的刚度满足环境变形要求。

④基坑开挖对历史建筑有较为重要风险的因素为：历史建筑的基础形式、地质条件、平面形状和分区面积大小。这四个风险可通过施工措施加以解决。对基础较差的历史建筑，可采用基础托换、加固等方式加固基础，提高基础抵抗基坑开挖扰动影响的能力。针对基坑开挖的时空效应，可通过分坑或分块、分区施工来控制时空效应。对地质条件差的区域，可通过对基坑坑内土体加固、历史建筑基础加固及托换等措施来改善土层力学性质，从而起到减小基坑开挖对历史建筑影响、保护历史建筑的目的。

⑤在基坑工程和基础工程的设计与施工过程中，应重视环境监测与信息反馈分析，加强施工管理，并应准备好应急预案，控制一般风险和次要风险，防止一般风险和次要风险转变成重要风险和较为重要风险。