基于历史保护建筑改造场景下深基坑支护综合变形控制技术应用

摘要：伴随着城市化发展的脚步以及施工工艺技术的成熟，地下空间的开发利用朝着更深更复杂的方向发展，深基坑工程尤其是在中心城区历史保护建筑范围内的软土深基坑工程，对基坑变形要求也越来越高。以杭州中心城区某工程为例，阐释了在复杂环境下深基坑施工过程采用的主动和被动变形控制技术，通过这些措施降低了基坑施工对周边环境的影响，保护了周边的历史建筑，可为后期类似工程提供一定经验和借鉴。

关键词：历史保护建筑；软土地区；复杂深基坑；主动措施；

Abstract： With the progress of urbanization and the maturation of construction process technologies， the development and utilization of underground space are moving towards greater depths and more complexity. For deep foundation pit engineering， especially the soft soil deep foundation pit engineering within the scope of historical protection buildings in the central urban area， the requirements for foundation pit deformation are becoming increasingly stringent. Taking a project in the central urban area of Hangzhou as an example， this paper expounds on the active and passive deformation control technologies adopted during the construction process of the deep foundation pit in a complex environment. Through these measures， the impact of foundation pit construction on the surrounding environment has been reduced， and the surrounding historical buildings have been protected， which can provide certain experience and reference for similar projects in the later stage.

Keywords：Historical protection buildings; Soft soil area; Complex deep foundation pit; Active measures

0引言

随着我国人民生活水平稳步提升，经济建设持续推进，长三角地区城市化进程与地下空间开发驶入快车道，特别是城市核心区域，地下空间展现出超大超深、布局错综复杂的显著特征。中心城市的改建往往伴随着城市轨道交通，临近成片老旧小区、城市主干道等多种复杂情况，尤其是在软土复杂边界条件下，单一的基坑支护形式已无法兼顾工程实用性、安全性、经济性以及工期要求，亟待探索更为多元、高效的解决方案。相较于普通基坑，深基坑更加容易引起周边既有建筑尤其是浅基础建筑的不均匀沉降，如何在基坑开挖施工过程中对周边重点建筑实施针对性保护措施是施工的重难点之一。谌柳谦[1]以上海“红楼”为例详细介绍了关于临近保护建筑深基坑的既有建筑加固应用。本文主要结合位于历史保护建筑中的实际深基坑工程，阐述主动和被动相结合的基坑变形控制技术，希望能给类似的工程提供借鉴。

1工程简介

1.1项目概况

省属文三路140号地块综合整治项目（以下简称W1地块），主要建设内容为地块现有15幢建筑整体改造提升、设施设备全面改造提升、室外工程整体改造提升，并新建两层的地下停车库，新建车库的基坑周边临近多栋既有建筑和历史保护建筑。

W1地块内包括保留历史建筑、新建建筑物、拆除建筑和改造建筑，项目总建筑面积57254.82㎡（地上52040.02㎡，地下5214.8㎡），其中艺体楼、4#、5#为历史保护建筑。

1.2基坑概况

本项目基坑面积为8910.7m²，基坑周长384.4m，开挖深度最深处为11.45米。总计开挖土方量约为10.24万m³。场地现状复杂，周边建筑较多，部分为上世纪老建筑，大部分采用浅基础，部分采用桩基础，现场地周边地下管线较多，场地内外管线繁杂。

基坑距离项目红线最近距离为33.50米，周边道路地下管线、电井较多。基坑东侧开挖上坎线距离11#楼（砌体结构、条形基础、基础埋深2.5米）最小为9.20m，距离13#（原羽毛球馆，柱下独立基础，排架结构）、14#楼（原月刊楼，钻孔灌注桩基础，框架结构）最小为9.60m，其中14#楼为重点保护建筑。基坑南侧开挖上坎线距离历史文化建筑7#楼（砌体结构、条形基础、基础埋深2.5米）最小距离为14.30m，基坑西侧开挖上坎线距8#楼（框剪结构，预应力管桩基础）最小距离为16.80m，基坑北侧上坎线处为10#楼（框架结构、地下一层、钻孔灌注桩基础）最小距离为11.6米，基坑北侧上坎线7.90m处还存在燃气管道，埋深约0.5m。

1.3保护建筑情况

W1地块场内历史保护建筑建于20世纪50年代，包括艺体楼、西河学生公寓和4#、5#幢学生宿舍楼。至今已有75年，历史久远，文化价值丰富。

1.4围护设计条件

W1项目地块位于杭州市老旧中心城区，基坑开挖深度主要处于③1、③2层淤泥质粉质粘土层，影响土层包括下部的④2、⑤2层粉质粘土夹粉土和⑥1层粉质粘土。淤泥质粉质粘土是典型的高压缩性软弱土，土体扰动后会呈现触变性，受力后强度显著降低，停止扰动后逐渐恢复，短期内对基坑的形变和周边浅基础的建筑容易产生负面影响，土层主要物理力学参数如表2所示。

工程区浅部地下水属孔隙性潜水类型，主要赋存于上部填土及粘性土、淤泥质土层中，补给来源主要为同层土层的侧向补给，场地地下水与本层的侧向地下水、地表水等均有水力联系，存在互补的关系，因此在施工过程中特别注意因场地及周边场地的地形变化而引起的本项目场地地下水水位上升、下降。

1.5深基坑围护形式

本项目基坑采用钻孔灌注桩排桩（SMW 工法桩）+二道钢砼内支撑的支护体系，钻孔灌注桩采用水下灌注混凝土工艺，混凝土强度设计等级为 C30（水下），充盈系数为 1.05～1.10，桩底沉渣不宜超过 100mm。钻孔灌注桩外侧打设三轴水泥搅拌桩止水帷幕。SMW 工法采用φ850@600 三轴水泥搅拌桩，内插 H700×300×13×24 型钢。支撑采用四个大角撑+中间对撑的形式；坑内侧采用φ700@500 双轴水泥搅拌桩加固被动区；在坡顶、坑底设置明沟、集水井进行降排水。双轴水泥搅拌桩被动区加固采用φ700@500，搭接100mm。

2工程特点及难点

2.1深基坑形变控制要求高

相邻建筑物距离深基坑间距较近，在基坑边界附近7至15米处，基坑四周建筑环境复杂，既有条形基础砌体结构的多层建筑，也有预应力管桩框剪结构的高层建筑，柱下独立基础排架结构的多层建筑等多种基础形式的建筑，其中东侧11#楼、13#楼，西侧7#楼及西北角红线外居民楼为浅基础，对变形较为敏感，需要克服现场检测条件。2#楼现场存在沉降偏移情况，基坑开挖后土体位移释放，而导致基坑周边深层土体位移，对基坑周边的变形控制和周边既有建筑的保护要求较高。

2.2施工场地局促，车辆运输不便

W1地块场地项目位于杭州市中心老城区，四周都是已经建成20余年的居民住宅群，场地本身东侧出入口属于城市支路，无法作为废土车进出使用，项目只能向场地南侧开设一个工程车出入口。基坑四周建筑距离较为靠近，大吨位自卸载重货车无法环绕基坑通行，再加上项目建设期短，场地内同时展开的专业工程较多，在基坑全面开挖之后的支护阶段，场地内适合周转的场地急剧减少，如何利用栈桥以及主动保护措施保障基坑形变量在可控制范围，是保证工程能够顺利开展的重点。

3 主动与被动变形控制技术

鉴于传统的单一围护结构无法满足W1地块基坑周边复杂的环境和工期要求，特提出了组合式围护结构的理念，再加上主动控制措施和被动控制措施相结合的技术措施可有效控制因项目基坑围护成本较高的问题。

3.1基坑变形被动控制技术措施

3.1.1围护结构的比选

围护结构的比选：本项目地下水位较高，土体总体强度一般，周边环境复杂。根据以上基坑特点和本地区已实施的大量工程基坑工程的成功实践经验，类似基坑工程围护体一般可供选择的有：钻孔灌注桩结合止水桩、SMW工法桩和PC工法组合钢管桩。

1.钻孔灌注桩结合止水桩：钻孔灌注桩结合止水帷幕作为一种成熟的工法，在钻孔桩外需增设一排水泥搅拌桩或高压旋喷桩进行挡土止水，本项目围护体刚度较大，可以根据弯矩强度增大桩径、桩长对稳定性进行控制，围护结构质量较易控制，该围护体系在基坑工程中应用较为广泛，是比较成熟的围护技术，适合深大基坑。施工时需排放大量的泥浆，支护形式施工造价较高，施工工期较长，围护桩体占用的空间相对较大。本基坑的开挖深度及周边环境，本基坑围护设计可采用钻孔灌注桩结合止水桩方案。

2.SMW工法桩：SMW工法桩具有抗侧刚度大、可有效保护周边环境、占用空间小的特点，且TRD本身为止水帷幕，可以大大缩短工期，减少围护桩的施工工期，同时H型钢可回收利用，在地下空间不形成障碍物，施工时无泥浆排放的问题，对所占用的空间相对较小；造价受施工工期和水泥价格的影响较大。总体来说，采用SMW工法桩作为围护体是可行的。

3.PC工法组合钢管桩：PC工法组合钢管桩是通过钢管桩与拉森桩之间进行连接，形成一整体的钢质连续墙。钢管桩具有较强的抗弯性和抗断性，桩长、桩径间距可根据基坑设计要求任意布置。钢管桩与钢管桩之间根据不同的土质及开挖深度，可以插入一支或多支的拉森桩，从而降低施工成本。PC工法组合钢管桩施工操作工艺简单，机械作业规整，安全可靠无需另设止水帷幕，PC工法组合钢管桩安全性高，施工操作灵活无死角，打拔方便。节约工程量，无置换土，无泥浆污染，同时可以大大缩短工期，减少围护桩的施工工期；其造价受施工工期影响较大。按照杭州地区两层地下室的施工工期一般为6～9月。采用此工法时应评估对周边环境影响。

4.水平支撑的比选：支撑材料的选择上，可选钢支撑或钢筋混凝土支撑。钢支撑施工速度快，安装方便，安装后即可发挥支撑作用。但钢支撑的节点构造和安装相对钢筋混凝土支撑复杂，钢支撑的施工技术水平至关重要。钢筋混凝土支撑与围护桩顶部冠梁同时浇筑，整体性好，不会因节点松动而引起基坑位移，施工质量相对容易得到保证，且其刚度大，抗变形能力强。故综合考虑，本工程可选用钢筋混凝土支撑。

3.1.2围护体系的选择

本基坑围护方案选择：根据从经济、安全、可行的原则出发，结合地质条件、挖深条件和周边环境特点确定：围护方案采用钻孔灌注桩排桩、SMW工法组+二道钢砼支撑进行支护，坑中坑采用直径700@500的双轴搅拌桩重力式挡墙加固开挖，主动区采用直径850@600的三轴搅拌桩。经测算节省造价约为235万元。详细布置如图2所示：

3.2基坑变形主动控制技术措施

传统混凝土支撑属于被动受力支护结构，围护结构需要先发生变形，支撑受到挤压后再产生水平抗力，即“先变形、后支撑”。在支撑刚成型的养护阶段的“真空期”，传统混凝土支撑在面对围护地下连续墙的表现上显得苍白无力；在基坑开挖过程中，实际产生的动态变动与设计好的静态数据存在差异性，实际承压值存在偏差，传统的混凝土支撑结构无法对日常出现的情况进行实时监测数据，确保工程安全。[2]

在深基坑施工过程中，为了更好的保护基坑西北侧的居民楼（多层、砌体结构、条形基础）以及14#楼（原月刊楼，钻孔灌注桩基础，框架结构），基坑东南侧在基坑东南侧和西北侧设有混凝土轴力伺服系统。混凝土轴力伺服系统包括伺服油压千斤顶、无线分布式数控泵站、压力采集线、伺服油管。本项目区域内每道支撑有3套伺服系统装置，总计16套，用于补偿侧向混凝土支撑收缩产生的形变和徐变，控制基坑围护结构的侧向形变。伺服系统支撑油管按照横平竖直原则，平均每2组合用一台数控泵站，结合项目实际条件，总计设置8台泵站。每台泵站控制6根伺服支撑，从泵站引出油管，排布到对应的油管孔，然后垂直向下连接千斤顶支撑头。

混凝土支撑轴力伺服加载顺序如图，遵循“竖向分层，纵向分段”“先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的总体原则。待每道混凝土围檩及支撑浇筑完成且养护，待本道支撑强度达到 C30 后，分四级逐次加载，第一级加载力 50t，第二级 100t，第三级 150t，第四级 200t。每一级加载时均按每步加载 10t 逐个进行千斤顶加载，待前一级加载监测稳定后（稳压加载时间不少于 0.5h）方可继续加载下一级。每一级加载完成时，均应对支撑、围檩等构件进行检查。

在分组加载的过程中，相邻区块加载差异值不得大于500kN，每个区块加载采用力控制模式，按照预设荷载逐步增加，每级加载均应达到对应混凝土强度要求，直至稳压。每级加载前后2小时内，由检测单位对基坑周边围护结构变形、混凝土围檩、支撑梁脱开量、钢立柱水平位移情况进行检测，检测频率不得少于3次/天。数据处理完成后，形成日报表；内容包括对应的施工工况、各监测点的日变形量、累计变形量、变形曲线图等基本要素。

3.3控制措施效果分析

本项目在实施过程中，通过主动保护和被动保护措施相结合的方法，依托数字化检测技术对基坑周边西北侧居民楼、3#楼、7#楼、8#楼、9#楼、10#楼、13#楼、14#楼重点楼号进行了沉降观测，针对重点区域及时实施相应纠偏措施确保项目安全交付，取得了良好的效果。

结合上述数据分析，由此可知：

（1）通过设置混凝土轴力伺服系统等主动措施区域的监测数据和未设置区域对比可见，在设置主动措施区域范围内的基坑形变量更小，可有效减小基坑的结构变形。

（2）钻孔灌注桩排桩、SMW工法组+二道钢砼支撑进行组合支护形式，能够较好的满足W1地块的要求，具有刚度较大，施工占用空间小、变形控制能力强、形式灵活等特点。

4施工场地优化布置

4.1基坑边堆载控制

施工车辆进入场地后严格控制速度，车辆满载后遇到路面起伏的情况，需缓慢前进，同时加强观测。土方开挖阶段，运土车辆空车由西侧道路，经北侧道路，再由北向南经东侧进入基坑；满载运土车辆由基坑东南角出土口，经东侧道路，从南大门进入市政道路，满载运土车辆不得在基坑四周通行。钢筋车辆（工作总重55吨）从南大门驶入，经项目东侧道路（确保离基坑边5m以外行驶），至钢筋加工厂，混凝土车（工作总重55吨）只能在西侧和北侧道路满载通行，空车经东侧道路至大门口。结构施工阶段（每道支撑体系完成）：车辆通行确保离基坑边5m以外，车辆均布荷载不超过35kPa，车辆前后错开至少9米。

4.2施工栈桥设置

W1地块基坑东南角出土口距离3#楼与13#、14#楼较近，基于对周边建筑物的保护和现场实际情况，本工程出土口在基坑东南角角撑位置，以角撑栈桥板区域为主并对其进行了延伸。延伸范围如图10所示。通过设置施工栈桥及其延伸部分，缓解场地内车辆行驶空间紧张的情况，增加挖土工作面，减少基坑周边地面荷载，降低车辆运输期间对基坑及周边土体的扰动。

5.土方开挖

土方开挖阶段是整个基坑形变量最大的阶段，为保证本工程顺利实施，将基坑出土口设置在东南角位置，出土口设置5m宽、250mm厚C30钢筋混凝土道路与项目东侧道路接驳，东侧道路接驳处至项目南大门全路段采用 15mm厚的钢板铺设，每块钢板间间隔 10～20mm，并采用钢筋进行焊接（每块钢板焊接三处），形成整条钢板带。开挖流线如图11所示。

6结束语

主动与被动相结合的基坑支护方案、混凝土预应力伺服系统、土方开挖和运输的优化设计、设置栈桥及路面混凝土栈桥措施在本项目实施中取得了显著功效，形成了以下经验：

（1）据基坑周边建筑和管线变形控制目标的不同，采用钻孔灌注桩排桩、SMW工法组+二道钢砼支撑进行组合支护形式。利用主动与被动相结合的基坑支护方案，有效解决了基坑周边环境复杂敏感，软土强度低，形变大等难题。

（2）预应力伺服系统通过实时监控系统来控制基坑的变形，又通过灵活的布置形式和“空间利用”在控制造价的同时进一步降低了深基坑周边形变的可能性，降低了基坑开挖对周边既有建筑的影响。

（3）开挖过程中，规定基坑西北角和东南角的荷载最大值，限制吊车、渣土车、吊机的车辆行动路线，远离项目基坑周边浅基础建筑。靠近13#、14#楼这侧也增设了混凝土栈桥，减少地面荷载，减少车辆对土体的扰动，限制主动侧土体变形。

本文所采用的关键施工技术可为类似工程项目提供参考，为杭州既有建筑保护更新范围内的深基坑施工提供一定的借鉴意义。

参考文献

[1]谌柳谦.紧邻深基坑的历史保护建筑建筑保护措施关键技术[J].建筑施工，2024，46（07）：81-84

[2] 闫高峰，江盈盈。深基坑工程施工对紧邻既有地铁的保护技术研究 [J]. 建筑施工，2024，47 （07）：191 - 194