▍摘 要
摘要：以上海某文物保护建筑修缮及改造工程为背景，对软土地区复杂环境条件下文物建筑正下方地下空间开发过程中涉及的基坑支护设计及施工进行了介绍。该基坑形状不规则，紧邻周边建筑物、内管线及众多树木，周边环境条件复杂。基坑支护设计过程中一方面需要考虑到对文物建筑的保护，另一方面要求尽可能减少对周边环境的影响。针对本工程特点，基坑围护结构采用拉森钢板桩结合一道水平型钢支撑；型钢支撑通过锚板与文物建筑基础托换梁结构相连接，保证水平荷载的传递。为减少围护体施工对文物建筑本身及周边环境的影响，拉森钢板桩采用微扰动沉桩工艺；现场测试及对建筑沉降的监测结果表明，该工艺可有效降低沉桩施工对周边环境影响，本项目采用的设计方案和技术措施有效的保证了文物建筑及周边环境的安全，可为类似项目提供借鉴。
关键词：软土地区；文物建筑；基坑工程；静压沉桩
▍0 引 言
随着经济的发展、城市化进程的加快，开发利用地下空间成为缓解城市发展与土地资源短缺之间的矛盾必然选择。作为地下空间开发利用过程中不可或缺的环节，基坑工程对于地下工程的顺利实施及周边环境的保护具有至关重要的作用。对于新建工程，地下空间的开发可以和主体结构的修筑一体化进行，设计是跟工艺相对成熟，与之相关的基坑支护设计与施工难度也相对较低；对于既有建筑，考虑到对既有建筑本身的保护及城市复杂的环境条件，地下空间开发利用尤为困难，对相应的基坑支护设计与施工也提出了较高的要求。作为典型的软土地区，上海软土一般具有高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度、低密度、低渗透性等特性，软弱的土层条件极大地增加了上海地区下方地下空间开发利用的难度，更对既有建筑下方地下空间开发利用过程中基坑支护设计与施工提出了极高的要求。
目前既有建筑正下方地下空间开发多着重于对平移、托换、顶升等方面的实施与研究，或者针对紧邻既有建筑物的基坑工程案例，罕有建筑物正下方基坑开挖案例。
本文以上海某文物保护建筑修缮及改造工程为背景，对软土地区复杂环境条件下文物建筑正下方地下空间开发过程中涉及的基坑支护设计及施工相关工作进行了介绍。
▍1 工程概况
1．1 项目概况
某文物建筑位于上海中心城区，1926年6月初竣工，1989年9月被列为上海市文物保护单位（上海市第一批优秀历史建筑），具有极高的历史建筑保护价值。
该文物建筑地面六层，局部地下一层，建筑面积约1．07万平方米，结构呈工字形，由南侧的主楼、北侧的副楼和连接其间的中部连廊组成；房屋东西向长约80．6 m，南北向宽约45．4 m，为混凝土框架结构；该建筑基础为条形基础，埋深约1．4 m，基础下设直径150 mm长度约3．65 m的木桩。该建筑原基础三维示意图如图1所示。
该文物建筑修缮及改造项目需对建筑进行整体顶升，并利用顶升后文物建筑物正下方的地下空间，增设隔震层。为满足隔震空间和顶升施工作业面净高需求，建筑正下方进行地下空间开发，基坑开挖深度4．30 m。该建筑周边环境的复杂性和本身的特殊性，要求基坑工程设计及施工既要考虑对周边建筑物、管线、古树木等的影响，又要最大限度地减小对文物建筑本身的扰动，同时还要兼顾及狭小空间对施工的限制。
1．2 周边环境条件
本工程场地地势整体较平坦，地表绝对标高约+2．740 m。周边环境情况如图2所示。
本工程场地北侧院内单建式地下车库距离基坑边线最近约2．3 m；西侧新医技楼和医院食堂距离基坑边线最近分别约为6．2 m、11．8 m；东侧院内锅炉房距离基坑边线最近约7．4 m；东南角院内配电室距离基坑边线最近约13．8 m；医院钢结构连廊位于配电室上方，距离基坑边线最近约13 m；场地南侧为院内中心花园，其中包括两棵古树，也为本工程重点保护对象。基坑周边邻近建（构）筑物详细信息如表1所示。
此外，本工程地下管线众多，部分管线位于基坑施工范围内，对位于基坑范围内的管线进行搬迁，基坑周边管线如表2所示。
1．3 工程地质概况
上海属于长三角地区典型的软土分布区，主要软土层为③层淤泥质粉质粘土和④层淤泥质粘土。本工程场地属上海地区“滨海平原”地貌类型，拟建场地现为医院，地势较为平整。场地在勘察深度（最大深度为45．00 m）范围内揭露的地基土均属第四纪沉积物，主要由粘性土、粉性土及粉砂组成。位于基坑开挖范围内的土层主要有：①填土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土。
▍2 基坑设计
2．1 基坑支护结构
背景工程基坑面积约3 000 m2，基坑周长约315 m，开挖深度4．30 m，基坑形状呈工字型不规则。基坑紧邻周边建筑物、管线及众多树木，周边环境条件复杂。
本工程基坑支护设计过程中一方面需要考虑到对文物建筑本身的保护，要求施工过程中尽可能减少对文物建筑本身的影响；另一方面要求尽可能减少对周边环境的影响。场地周边复杂的环境条件也要求围护形式尽可能占地空间小，施工机械需满足在狭小空间中施工的要求，基坑支护设计与施工难度大。
结合上海软土地区工程经验及本项目特点，本工程围护结构采用拉森IV钢板桩［400 mm×170 mm］，桩长12 m，整体设置一道水平型钢支撑，典型围护结构剖面如图3所示，基坑北侧临近地下车库区域围护结构剖面如图4所示；基坑西侧临近新医技楼区域利用原新医技楼围护桩，如图5所示。为进一步减少支撑拆除阶段围护桩悬臂变形，底板换撑设置反牛腿。相比传统基坑围护施工，本工程围护桩紧临既有文物建筑，需选择合适施工工艺，最大程度减少围护结构施工对周边环境和紧邻文物建筑的不利影响，钢板桩采用静压沉桩工艺。
2．2 支撑体系
结合建筑正下方地下空间开发特点：需对原建筑进行基础托换。本工程采用与托换结构相结合的支撑体系。建筑整体顶升前在基础梁两侧增加夹墙梁，形成刚度较大的上托盘结构体系，兼做基坑围护结构水平支撑的一部分。型钢支撑的一端通过夹墙梁预埋钢锚板与上托盘结连接。钢支撑布置以对撑布置为主，局部增加角撑。支撑平面布置如图6所示。
基础托换桩采用直径406，壁厚10 mm锚杆静压桩，与上托盘结构连接。锚杆静压桩兼做基坑竖向支承体系。
2．3 降水方案
本工程采用轻型井点与真空小深井降水相结合的方式，基坑降水井平面布置图7如所示。其中，轻型井点每套30～35 m，紧贴拉森钢板桩间隙设置；建筑内考虑施工净空有限，坑内采用直径300 mm的真空小深井。
▍3 基坑工程实施与监测
背景项目围护结构从2020年11月开始拉森钢板桩施工，2021年1月围护拉森钢板桩施工完成，2021年6月土方开挖完成，2021年7月底板浇筑完成，随后进行后续顶升等相关工作。2021年12月本项目地下室回筑完成。
本文重点关注文物保护建筑地下开放空间中的基坑支护设计工作，将从钢板桩静压沉桩、坑外土体测斜变形等方面分析基坑工程实施对文物建筑及周边环境的影响。
3．1 钢板桩静压沉桩分析
为减少围护结构施工对周边环境的不利影响，本工程钢板桩采用静压沉桩工艺。与常用钢板桩振动沉桩原理不同，静压沉桩机利用已经压入地面的桩的提供的拔出阻力作为反力，采用静压方式将下一根桩压入地面。静压沉桩工艺示意图及现场施工照片如图8所示。
静压沉桩施工过程无振动，噪音小、精度高且施工作业面小，在地下管线密集老化及对噪音较敏感的医院、学校等区域施工可以取得良好的施工效果，可以有效弥补振动法、锤击法的不足，把施工对城市环境影响降到最低。采用静压工艺，本工程拉森钢板桩平均压桩时间约10至15 min，压桩过程中送桩压力峰值约100 kN，沉桩较顺利。
拉森钢板桩施工完成，建筑沉降变形结果如图9所示。拉森钢板桩施工阶段，该建筑最大沉降约5．9 mm，平均沉降约1．7 mm，最大差异沉降约7．6 mm。建筑北侧区域沉降较南侧小，整体变形可控，均在允许范围内。
为进一步分析静压沉桩工艺对周边环境的影响，对静压桩施工过程中产生的环境振动进行了测试，测试时采集竖向振动加速度时程数据。部分测点布置如图10所示，图中C1紧贴围护桩，C3距离围护桩2 m。
拉森钢板桩静压沉桩施工过程中C1及C3点产生的环境振动竖向加速度时程曲线如图11中（a)、(c）图所示；对各测点加速度时程曲线进行傅里叶变换，得到振动加速度频域结果如图11中（b)、(d）图所示。
由图11中（a)、(c）图可知，拉森钢板桩静压沉桩过程中产生的地面振动加速度约为0．04 m/s2，陈建峰等淤泥地层中实测采用振动压桩施工引起地表加速度峰值0．38 m/s2，可见静压沉桩引起地表的竖向振动加速度峰值约为常规振动沉桩的十分之一。
由图11中（b)、(d）图可知，拉森钢板桩沉桩过程中产生的地面竖向振动加速度的优势频率在10～40 Hz之间，峰值频率在20 Hz左右。静压沉桩引起地表振动远小于振动沉桩，可有效降低沉桩施工引起的环境振动及噪声问题。
3．2 基坑开挖阶段实测分析
本工程土方开挖在既有建筑正下方的密集托换桩群中进行，托换桩基约500根钢管桩，操作空间狭小，现场土方开挖工作较为困难。原基础下方有三千多根木桩，需要在挖土过程中挖除，这也增加了挖土难度。条形基础梁下方净高仅2．2 m，上托盘梁下净高约2．8 m。现场土方开挖方向由南北向中间开挖，采用小挖机配合皮带运输机出土，局部采用人工挖土。项目基坑土方约13 000 m3，主要区域土方开挖总时间约35 d。
图12给出土方开挖完成后文物建筑物沉降变形、土方开挖分区编号及部分监测点标号；土方开挖期间建筑物沉降变形曲线随时间的变化如图13所示。图12中南侧主楼土方开挖顺序为：先开挖①区土方，然后再开挖②区和③区，再进行南侧④区和⑤区土方开挖，通过①区和②区由场地东侧至室外，最后进行⑥区土方开挖。北侧③区和⑥区土方同样通过①区外运。由图12至图13可知，土方开挖后该建筑最大沉降约8 mm，平均沉降约2．6 mm，最大差异沉降约9．7 mm。建筑西侧区域沉降较东侧小，整体变形可控，均在工程允许范围内。
不同阶段基坑周边土体测斜最大值如图14所示。由图可知，土方开挖完成后坑外土体测斜最大值约23．5 mm，底板浇筑完成后测斜最大值约46．5 mm，支撑拆除后测斜最大值约52．7 mm。同阶段比较，南侧长边土体测斜值明显大于其他边，表现出明显的尺寸效应；基坑北侧同阶段土体测斜数据明显小于其他边，原因在于基坑北侧距离院内单建式地下车库距离约2．3 m（如图4)，钢板桩所受土压力为有限土压力，荷载较小，围护体变形小，进而导致周边土体测斜数据也较小。
基坑周边土体测斜随深度变化如图15所示，TX3—TX11测点位置如图14。土体测斜最大变形发生在开挖面以下1～2 m位置；基坑土方开挖完成至底板浇筑完成期间，土体测斜随时间逐步发展增大，最大变形平均增大约20 mm；而底板浇筑完成至支撑拆除期间，各测点围护体最大变形平均增大约10 mm；底板浇筑对围护体变形控制具有显著作用。
▍4 结论
（1）本文涉及工程基坑形状不规则，基坑紧邻周边建筑物、管线及众多树木，周边环境条件复杂，施工空间小，场地土层条件差。基坑支护设计过程中一方面需要考虑到对文物建筑本身的保护，另一方面要求尽可能减少对周边环境的影响。
（2）针对此项目特点，该工程普遍区域基坑围护结构采用拉森IV钢板桩整体设置一道水平型钢支撑；型钢支撑通过锚板与上托盘结构相连接，保证水平荷载的传递；采用轻型井点与真空小深井相结合的方式降水。
（3）本工程拉森钢板桩采用微扰动沉桩工艺。拉森钢板桩施工阶段，该建筑平均沉降约1．7 mm，最大差异沉降约7．6 mm，建筑北侧区域沉降较南侧小，整体变形可控，均在允许范围内。现场测试结果表明，微扰动沉桩引起的地面竖向振动加速度的优势频率在10～40 Hz之间，振动加速度峰值约为常规振动沉桩的十分之一，可有效降低沉桩施工对周边环境影响。
（4）土方开挖期间该建筑最大沉降约8 mm，平均沉降约2．6 mm，最大差异沉降约9．7 mm。整体变形可控，均在工程允许范围内。进一步对周边土体测斜分析表明，本工程采取的措施有效保证了基坑工程开挖及地下结构回筑的平稳顺利，对文物建筑本身及周边环境的影响都在安全可控的范围内。
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