历史古都中丰富的历史建筑遗存保护与当前快速城市化背景下的城市更新存在严重冲突, 探求基于建筑新技术的规划求解成为新时期城市的重要发展方向^[1,2]。如何在保持其原始风貌和历史文化信息的同时, 满足城市公共服务的需要, 已成为亟需妥善解决的重要课题^[3]。

历史保护建筑地下空间开发是一项复杂的工程技术, 它包含文物保护性加固、结构托换、基坑支护及新旧结构连接等一系列工程技术问题^[4,5]。难点包括:①周边环境复杂, 周边环境的保护控制要求高;②修缮工序繁多, 施工过程须在狭小场地和建筑空间内完成;③由于土体开挖和地下水位变化, 结构的托换与加固是不可缺少的内容。为克服上述难点及其工程风险, 本文探索并形成了房屋整体平移和地下室逆作法用于历史保护建筑地下空间开发的施工方案, 并在南京2栋民国建筑地下空间开发项目中成功应用, 相关结论可为类似工程提供案例和技术支撑。

南京市天目大厦位于南京北京西路63号, 由于现有地下室停车数量有限, 无法满足大楼的停车需求, 拟扩建8层地下室用作停车场, 选址位于北京西路57号民国建筑 (简称57号建筑) 和天目路32号民国建筑 (简称32号建筑) 所在场地。项目整体规划图如图1所示。

32号和57号建筑现状如图2所示。32号建筑为2层西洋别墅式建筑, 砖木结构, 总建筑面积390m², 该房屋长期闲置, 缺乏必要的维护, 外观较差。57号建筑为3层坡顶住宅, 砖木结构, 总建筑面积478m², 该房屋外观良好, 目前为办公用房。以上2栋房屋经鉴定, 结构存在墙体开裂、屋面渗漏等隐患, 需要进行加固处理。

拟建地下室为8层地下机械车库, 采用框架结构、筏板基础。基坑普遍开挖深度为26.00～27.90m, 集水坑开挖深达29.30m。地下室东侧支护边线距离两层民房 (浅基础) 约5～6m;南侧支护边线距离天目路约5m;西侧邻近天目大厦 (基础形式为桩基础) 原有地下室基坑支护灌注桩, 桩长15～17m, 原有地下室挖深约10.0m;北侧距离北京西路 (下有地铁4号线在建隧道, 距离约11.7m) 约6.0m。图3给出了典型的土层剖面图及其与天目大厦与地铁4号线的垂直空间关系, 表1分别给出了各土层的基坑设计参数。

本项目存在需要重点保护的南京地铁4号线盾构隧道和老旧房屋 (含2栋民国建筑) , 现场场地狭窄, 地下室的设计和施工方案必须同时满足施工可行性和环境 (文物) 保护性的需要。针对历史建筑地下空间开发的工程特点, 结合本项目的实际, 工程实施方案需要解决的技术难题如下。

1) 地下空间开发过程中的历史建筑保护问题。历史建筑年代久远, 抗变形能力较弱, 而其历史文化价值的保护不允许进行过多的结构改变和加强, 因此结构改良方案需要满足历史建筑价值保护部位外观原貌的目标。

2) 地下空间开发 (开挖、降水) 过程中周边密集的老旧房屋与地铁等结构的沉降和不均匀变形控制问题。需要最大可能地减少因土方开挖造成的老旧房屋 (包括历史建筑) 、地铁隧道的不均匀变形、开裂甚至是破坏。

3) 历史建筑下地下空间开发托换、支护问题。地下空间的开发往往需要利用历史建筑的下部空间, 如何有效解决历史建筑物理和地下开挖时的空间矛盾问题, 采用妥善的上部结构托换方案和地下空间支护方案, 是历史建筑地下空间开发时无法回避的现实问题。

本工程采用逆作法和房屋平移技术相结合的方案解决上述技术难题。主要体现在以下方面。

1) 针对历史建筑与地下空间施工空间的矛盾问题, 根据地下室施工进程, 将历史建筑在施工场地内进行多次整体平移, 临时搁置在不影响基坑结构施工、土方开挖和地下室结构施工空间内, 既不影响地下室施工的同时, 也能够避免地下连续墙施工对历史建筑的损伤, 最终解决历史建筑和施工空间之间的矛盾。

2) 受平移振动和不均匀变形的影响, 年代久远的历史建筑可能遭受到局部开裂甚至是结构失效等风险, 同时历史建筑的继续使用面临着结构安全问题。结合历史建筑外观保护的需求, 采用灌浆法对墙体裂缝进行修复, 采用双面钢筋网砂浆面层进行永久性结构加固, 采用内外附着型钢加对拉螺栓对墙体刚度进行临时刚度加强。

3) 为最大程度控制地下室土方开挖过程中潜在的环境变形和地下水渗流问题, 采用具有较高可靠性的地下连续墙支护方案, 结合逆作法^[6]施工方案, 进一步降低地下室开发对周边环境的影响性。通过设定严格的基坑监测报警标准, 利用信息化方案降低基坑开挖过程中的环境扰动。针对地铁隧道监测数据难以第一时间获取的难题, 采用有限元计算方案对支护方案进行优化, 确保地铁隧道的安全。

项目的实施流程如图4所示, 具体步骤为:①加固32号建筑和57号建筑, 并他们整体平移至场地南侧指定位置;②地下连续墙施工;③浇筑北侧地下室盖板;④将57号建筑平移至北侧地下室盖板上临时搁置后, 浇筑南侧地下室盖板;⑤将32号建筑和57号建筑平移至原址, 进行后续保护性恢复后, 采用逆作法开展地下室施工。

为提高老化墙体的承载能力, 在对墙体裂缝采用环氧树脂填缝和灌浆法处理后, 采用双面钢筋网砂浆面层进行永久性结构加固。钢筋网采用ϕ6@600, 砂浆强度不低于10MPa。同时, 为提高建筑物平移过程中的上部结构刚度, 保证建筑物在平移振动下的结构安全, 采用内外附着型钢加对穿螺栓连接对墙体进行全面加固。型钢采用[14a (钢材牌号Q235A) , 竖向间距3 000mm, 水平间距1 500mm, 水平槽钢与竖向槽钢采用焊接连接, 螺杆选用ϕ12。具体加固方式如图5所示。

根据本工程的特点, 选择双夹梁托换方法在如图6a所示的范围内对上部砖墙进行托换, 减小房屋结构在平移过程中因不均匀变形而产生的墙体开裂和破坏风险。

由于本工程体量和荷载较小, 采用槽钢加枕木的方式将上托架结构荷载传递至下部滚轴, 滚轴安放在由枕木 (或砖基) 和槽钢共同组成的轨道结构上, 如图6a所示。采用卷扬机作为建筑的牵引力的机械源, 牵引回建筑的原址后, 采用植筋并后浇筑混凝土方式与地下室盖板相连, 具体如图6b所示。

本基坑采用盖挖逆作法施工, 以楼板代替支撑, 临时立柱与永久结构柱合二为一, 支护墙与主体结构墙两墙合一。其中, 支护墙采用1 000mm地下连续墙, 长度35.5m, 为保证地下连续墙成槽质量, 在墙体两侧采用ϕ700@500双轴深层搅拌桩进行加固。典型平面、剖面如图7所示。

为掌握基坑开挖和地下室施工安全信息, 获取基坑开挖对南侧地铁4号线隧道的影响性规律, 采用Plaxis软件建立了考虑隧道结构的维有限元模型^[7], 图6a给出了有限元模型。模型采用硬化模型 (hardening soil model) 模拟黏性土和填土、Mohr-Coulomb模型模拟风化岩、弹性模型混凝土结构, 地面超载取为10kPa (半无限) 。

图8b给出了模型的位移云图, 同时图8c和图8d分别给出了基坑开挖到底时的地下连续墙和隧道的位移矢量图。从图中可以看出, 墙体位移的最大计算值为4.26mm (深度15.00m左右) , 相对变形<1/600;隧道结构位移的计算计算值为1.93mm, 小于地铁建设要求的5mm的限定值。

1) 支护结构变形与内力

本基坑的监测周期是从施工地下连续墙开始, 直到地下室结构完成结束, 监测项目包括圈梁的水平垂直位移、深层土体水平位移、立柱的沉降、周边道路和管线的沉降、地下连续墙和楼板的内力监测等内容。图9a给出了地下连续墙体内外侧纵向钢筋的应力监测点布置、墙体深层位移, 其中G1, G2和G3为应力监测点, CX1, CX2, CX3, CX4和CX5为深层位移监测点。

图9给出了基坑施工完毕后G2 (长边应力最大) 和G3 (短边应力最大) 处墙体钢筋应力分布图, 其中应力正值为压应力, 负值为拉应力。从图中可以看出:无论是基坑内侧还是基坑外侧的钢筋应力均为压应力, 说明由基坑开挖产生的弯曲应力远小于由于墙体自重引起的轴向应力;钢筋的应力报警值为288MPa, 而墙体最大的钢筋应力在100MPa左右, 仅达到报警值的34.7%。

图10分别给出了基坑4个变形中点附近的墙体深层位移分布图, 从图中可以看出:墙体变形的最大位置发生在15.0m左右的深度范围内, 与设计计算结果吻合;墙体的最大位移为3.61mm (计算结果为4.28mm) , 远小于报警值28mm。

2) 周边环境沉降

表2给出了其余监测参数的数据汇总表。从表中可以看出:①地铁隧道位移监测最大值为1.46mm, 略小于计算值, 且小于报警值5mm;②周边围墙、道路、地下管线和建筑物沉降均在2mm以内, 且小于报警值的10%;③地下连续墙墙顶沉降和水平位移均在1.2mm左右, 约为报警值的5%;④立柱沉降值仅为报警值20mm的1.2‰。

既有历史建筑地下空间开发是目前城区规划和改造的重要方向之一。工程实施不仅涉及历史建筑物本身和周边环境的安全, 还需要满足复杂环境和荷载作用下的长期受力和耐久性要求。本文以南京市两栋民国建筑的地下空间开发实施项目为例, 对建筑平移技术和地下室逆作法在历史保护建筑地下空间开发中的应用效果进行了应用研究, 相关结果和经验可为类似工程的开展提供技术支持, 结论如下。

1) 采用建筑平移技术可为地下空间的开发提供动态施工空间, 同时能够有效地降低历史建筑在地下室开挖过程中因地面不均匀沉降产生的结构损伤风险。

2) 本实施项目中所采用临时结构整体性增强技术 (墙体外附型钢) 可有效地增强建筑物平移过程中的结构安全, 所采用永久性结构加固技术 (钢筋网-面层加固) 能够实现外观微扰动目标下“修旧如旧”的文保目标, 在工程开展的过程中两栋建筑未发生结构开裂等结构损伤。

3) 所采用的地下连续墙与逆作法基坑支护技术及其相关技术参数, 可确保基坑开挖和地下室施工过程中既有建筑和市政设施的安全, 同时可为邻近地铁项目的实施提供工程经验。

4) 因本项目属于试点项目, 本案例的基坑支护参数具有较高冗余度, 存在着较大优化空间。既有历史保护建筑地下空间开发的优化技术将在后续研究中继续开展。