随着我国城市化进程加快, 建设用地日益紧张, 一些施工场地周边环境复杂, 建筑密度较高, 环境保护要求高, 且场地空间狭小, 尤其是紧邻历史保护建筑, 施工面临重重困难。如何在复杂的施工环境下保护历史建筑是施工过程中不可避免的问题。

本工程以紧邻大型深基坑施工区域范围的历史保护建筑某天主教堂为研究背景进行保护措施的研究, 并从设计优化、施工措施等角度进行现场施工方法的优化与监测, 以便更好地保护天主教堂, 使其在施工过程中不受环境影响。

小东门街道616, 735街坊地块项目位于上海市黄浦区, 东至中山南路, 南至规划东江阴街, 西至外仓桥街、南仓街, 北至王家码头路, 地块总面积约175 143.1m²。本次施工为北侧区域, 区域南侧3边与天主教堂接壤, 在现场施工过程中需对天主教堂进行相关的保护工作。项目平面如图1所示。

董家渡天主教堂始建于1847年, 1853年建成, 为上海市市级文物保护建筑 (见图2a) , 目前仍在正常使用, 能同时容纳2 000人进行礼拜, 每周末宗教活动频繁。教堂总体分为大堂 (2层) 和副楼 (3/4层) 2栋建筑, 西侧1层建筑为厕所, 东北角2层建筑为砖混结构, 与教堂主体结构相互独立;西南角3～4层副楼也为砖混结构, 副楼加建走廊局部与大堂外墙相连 (见图2b) 。教堂与北块围护极近, 现场施工过程中需尽可能减少对其影响。

教堂与本工程地下室红线相距1.5～8m, 应考虑教堂周边地下室尽量退让。退让原则为距教堂一般距离≥13m, 距大堂南侧突出两翼≥8m。相应的地下室外墙距红线退界4.5～14.6m, 如图3所示。

由于施工区域周边外仓桥街及王家码头街并不具备施工车辆行走能力, 中山南路出口有限, 施工车辆主要通行道路为董家渡路, 且在施工期间仍应具备社会车辆通行及教堂正常使用的能力, 考虑将教堂周边划分为6个区域 (见图4) , 限制临近基坑开挖围护结构变形对教堂基础变形的影响, 降低大基坑施工风险。

同时, 考虑教堂周边线分区现行施工, 可以开辟教堂周边行车通道, 通过在教堂周边绕行, 既让出教堂门口空间, 又降低车辆行走对教堂可能产生的沉降、振动等影响。

1) 沿教堂周边设置隔离桩, 隔离桩拟采用刚度大、成桩深度可靠的钻孔灌注桩形式, 选用ϕ800@1 000钻孔灌注桩, 桩长30m, 位于周边基坑坑底以下10.9～14.8m。为减少桩缝间可能的水土流失, 灌注桩空隙补充以压密注浆。

2) 临教堂的4个小分区首道混凝土支撑以下均采用自动轴力补偿钢支撑, 并增加支撑道数。

3) 临教堂三侧的止水帷幕采用TRD工法搅拌墙, 墙深55m。TRD止水帷幕兼做地下连续墙的外侧槽壁加固。TRD止水帷幕搅拌充分, 桩体均匀性好, 止水效果佳, 同时施工过程对教堂的扰动小。

4) 临教堂三侧的地下连续墙均采用复合墙形式, 减少地下室使用期间外墙渗漏量, 减少项目运营期间对教堂的影响, 且地下连续墙深度均有所加长。

5) 临近教堂所有施工均需在远离教堂位置通过试成桩、试成墙, 满足设计要求的施工参数后方可进行正式施工。

本工程教堂周边地下连续墙外侧采用单排800mm厚TRD工法搅拌墙, 采用三循环水泥土搅拌墙建造工序连续成墙。TRD工法搅拌墙顶标高为4.000m, 加固长度约215.6m, 桩深55m, 水泥掺量25%, 桩身垂直度偏差≤1/250, 槽壁加固后土体无侧限抗压强度q_u28≥0.8MPa。采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 施工参数如下:TRD工法水泥浆液水灰比1.5, 水泥掺量25%, 膨润土浆液水灰比为10。

等厚度水泥土搅拌连续墙施工工艺:切割箱自行打入挖掘工序 (见图5) 、水泥土搅拌墙建造工序、切割箱拔出分解工序。三循环水泥土搅拌墙建造工序为:先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌, 即锯链式切割箱钻至预定深度后, 首先注入陶土浆液先行挖掘、松动土层一段距离, 然后回撤挖掘至原处, 再注入固化液向前推进搅拌成墙。

天主教堂周围基坑第1道为混凝土支撑, 向下还有3道钢支撑, ϕ800钢管支撑采用轴力自动补偿系统。

传统钢支撑通过施加预应力进行安装。双向网架支撑结构受力复杂, 钢支撑的内力会受到相邻支撑的影响。为解决网架支撑受力不明确问题, 研发了双向轴力控制系统。在网架支撑结构的双向钢支撑上安装油缸, 原先单道钢支撑时使用的轴力控制系统添加了双向同步控制功能, 硬件上油缸添加了位移传感器, 可以分步控制油缸伸缸动作, 确保网架支撑结构中各支撑受力明确可控, 减小了双向钢支撑结构中产生的附加弯矩, 改善了双向钢支撑结构的受力情况, 从而进一步降低开挖对天主教堂位移的影响。

在TRD工法搅拌桩施工过程中, 对TRD周边的地表沉降进行了实时监测。在TRD中轴线处设置深层土体沉降测点, 对深层土体沉降进行了监测, 同时在中轴线处设置了土体深层水平位移监测点, 对深层土体倾斜进行了监测。

通过对TRD工法的取芯检测、芯样抗渗试验、原位压力注水试验等方法确定TRD工法桩抗渗性能, 通过上述监测及检测工作得出以下结论。

1) TRD施工与常规搅拌桩施工引起的周围土体变形规律一致, 均包含2阶段, 即挤压变形和变形恢复, 但该工艺引起的土体变形数值更小、恢复更快。

2) 土体各类变形在数值量级上均不大, TRD工法正式施工期间对周边环境安全有利, 但也应考虑受试验段规模限制, 导致土体变形数值偏小的因素。

3) 结构松散的表层巨厚杂填土的存在较大程度上可以消散土体中瞬时增加的挤压应力, 对控制周边管线和地表变形有利。

4) 14d, 40d取芯结果显示, 14d取芯强度普遍>0.5MPa, 40d取芯强度普遍>0.8MPa, 且搅拌均匀性较好, 水泥土离散性较低, 整体强度较稳定。

5) 14d, 40d的芯样渗水结果显示, 14d, 40d芯样抗渗系数普遍在10^-6等级, 同时, 40d的抗渗系数离散性也较小。

6) 原位压力注水试验显示, TRD水泥土抗渗系数普遍在10^-6～10^-7等级, 且在砂性土体中抗渗性能更佳。

7) TRD水泥土搅拌墙的土体搅拌均匀性好, 水泥强度更佳, 作为超深止水帷幕具有更好的抗渗性能。

由于篇幅原因仅列出其中1个施工区域的双向轴力监测数据进行分析 (见图6) , 从开挖到结构施工完毕来看, 3道钢支撑最大水平位移发生在基坑底, 即浇筑底板过程中, 其次稳定变形阶段最大位移为73.2mm。

本工程施工过程中对教堂需进行密切监测。委托第三方监测单位在教堂四周角部进行监测。根据教堂的特点, 监测点设置在教堂主体墙上, 离地面30～50cm处, 每隔约10m设置1个监测点, 监测点形式采用结构上植入圆头钉 (见图7) 。

根据现场情况, 最终取得19个监测点的监测数据 (见图8) 。由监测数据可以得出, 天主教堂整体沉降趋势一致, 最大沉降为监测点FW1-11, 沉降值为27.3mm, 因为北边建筑距离北块基坑较近, 且北边为主教堂, 容纳2 000人的活动荷载对教堂本身的保护有较高要求, 但是并没有超过报警累计沉降量30mm;另外, 在监测过程中主体结构砖墙裂缝宽度增幅0.5mm, 围墙裂缝宽度增幅5.0mm, 屋架下弦杆拔出量增幅达到10.0mm, 室外地坪等非结构性裂缝宽度增幅10.0mm, 均未超过报警值, 处于安全状态, 通过以上设计保护方案有效地保护了位于城市密集区域的历史建筑。

通过设计和施工两方面对施工区域内的历史建筑进行保护, 沉降监测数据表明, 这些方法起到良好作用, 有效保护了历史建筑的安全。