江蘇南京定林寺斜塔糾偏及地基加固技術

唐興元，徐 寧，胡為春

(江蘇省地質工程有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

定林寺斜塔位于江蘇省南京市江寧區(qū)方山西北麓。該塔始建于南宋乾道九年(公元1173年)，塔高約14.5 m，為七級八面磚仿木結構樓閣式磚塔。因年久失修，腰檐、塔頂及塔剎已毀，塔身嚴重向西北傾斜，傾斜度超過了聞名于世的意大利比薩斜塔。2002年底測得塔頂已偏離塔基中心1.6 m，傾斜度達7°32'，經計算，其傾斜度超過8°時有可能發(fā)生散塌破壞(戴軼蘇，2003)。為保護具有重要文物價值的定林寺塔，筆者查閱了國內外相關技術資料，結合長期工程地質工作經驗，形成了獨特的“塔式古建筑組合控制糾偏技術”，將該塔從最大傾斜度7°59'糾偏至5°36'，糾偏幅度為2°23'，仍保持了世界上現存第一斜塔的要求。

1 定林寺斜塔的工程地質條件

定林寺所處基巖為新生代洞玄觀組黃褐色砂礫層、細砂層與灰白色粉砂黏土層;方山組灰黑色橄欖玄武巖夾凝灰質砂礫巖、細砂巖、粗砂巖等(江蘇省地質礦產局，1989，1997)。山坡坡腳為第四紀沖洪積層，主要礫石層、黏土層與淤泥層。沖洪積層由南往北逐漸增 厚，與基巖之間形成一個天然的坡面。定林寺塔建于沖洪積層之上，基礎恰好位于強弱土層分界線附近(唐興元，2002)，由于工程地質條件較差而導致塔身向北傾斜(圖1)。

圖1 場地地質狀況

2 施工要求

施工要求保護文物完好無損。具體是:①不能破壞塔身結構;②保持塔身的外觀面貌;③ 做到在安全系數內使塔身保持一定角度的斜度，要確保比世界著名斜塔——比薩塔(比薩塔傾斜5°21'16″)(馬寧，2008)的傾斜度大，以達到世界第一斜塔的要求。

3 塔式古建筑組合控制糾偏技術

定林寺塔傾斜主要是由不良地質條件引起，而塔體對地質條件十分敏感，往往造成傾斜一側地基應力集中。而且由于塔式古建筑長細比大，重心高，強度低，極易傾斜，加之加固糾偏期間多次發(fā)生特大暴雨，引起地下水位波動加劇，局部造成塔身加速傾斜，使塔基發(fā)生彎曲破壞或者整體坍塌。因此如何采取適宜的技術來保護此類文化遺產就成了一項重要的課題。

3.1 調整支擋結構施工順序，控制塔基穩(wěn)定

由于支擋結構處于塔體自重應力影響范圍內，樁基挖土施工時必然因坑壁應力釋放而產生變形。為此，通過調整挖樁施工順序，使樁孔之間的土體起著土拱平衡的作用，有效地控制了塔基穩(wěn)定。

根據工程地質條件，采用南北向不對稱的橢圓形人工挖孔樁支擋結構，并嵌入基巖一定深度，使塔基周圍形成一個相對穩(wěn)定體，承受上部土體下滑力，從而保證古塔能永久矗立在這片風景如畫的方山地質公園內。

由于人工挖孔樁距離塔外墻最近處僅3 m，處于塔體自重附加應力影響范圍之內，樁孔開挖時，因坑壁的應力釋放，必然引起變形。尤其是北側土層厚度稍大，成樁深度亦大，容易引起土體變位，將直接影響塔體安全。所以，精心編排了合理的施工順序(圖2)，最大限度地發(fā)揮樁孔之間土體的土工平衡支撐作用，有效地控制了塔基穩(wěn)定。

3.2 塔身整體捆綁與牽引輔助糾偏

首次采用塔身整體式捆綁方案，安全可靠地固定磚石塔身，有效地預防了塔身坍塌和再傾斜倒塌，為后續(xù)糾偏施工提供了強有力的保障;同時，通過調節(jié)纜風繩的牽引力有效控制了塔身的變形量。

圖2 人工挖孔樁位置及施工順序圖

施工過程中，存在的主要危險是向下坍塌和再傾斜倒塌，防止再次傾斜的總拉力只需15 t。由于定林寺塔年久失修，塔體多處灰縫松弛或基本拉脫，為避免古塔加固糾偏過程中造成二次傷害，創(chuàng)造性地將古文物遷移時采用的捆綁技術首次應用到磚石古塔糾偏過程中。即從塔底開始自下而上分級整體捆綁塔身(圖3)。根據每層塔面的大小沿塔面先墊襯泡沫板，再用木板嚴實包裹。包裹嚴實的木板外緊箍上角鋼焊接的柜架，每層柜架焊接好。分層包箍嚴實后，用角鋼與柜架縱向焊接，再用鋼絲繩分層捆綁嚴實。

圖3 塔身整體捆綁示意圖

為保證后期掏土、注漿、挖土糾偏過程中塔身的抗變形能力，又在古塔傾斜的背面方向12～20 m遠處埋設地錨，將鋼絲繩從加固角鋼柜架上的纜風環(huán)拴扣連接到地錨。用手拉葫蘆基本收緊，再擰上松緊螺栓作最后調整，確保每根纜風繩受力基本一致。單股纜風繩的拉力約8.5 t。糾偏過程中還通過調節(jié)纜風繩的牽引力將塔身變形有效控制在預定圍之內。

3.3 掏土、掏石與水沖法組合迫降糾偏

由于定林寺塔本身沒有基礎，只有一層花崗巖石板簡單地鋪筑在滾石之上，這勢必會引起塔身結構在糾偏過程中造成其他損傷。因此，在注漿造成北側塔基抬升時要合理控制注漿速度，在初期控制式注漿只能抬升北側塔基的前提下，于古塔南側開挖3口豎井，在井內向塔基底部分層進行水平掏土、掏石、打孔注水，迫使塔身向南回傾(彭振斌，1997)。基底掏孔的位置、深度及數量等參數則依據每天的變形觀測數據進行調整(圖4)。

圖4 掏土(石)井孔示意圖

3.4 控制式注漿加固糾偏

壓密注漿施工為基礎加固糾偏的關鍵工序，對塔基穩(wěn)定起到決定性作用。為能保證通過塔身有效回傾，主要于北側塔基下沉部位采用控制式雙管雙泵雙液注漿工藝進行注漿(JGJ 123—2000)，以緩慢抬升北側塔基;同時，于南側塔基掏土，促使塔身回傾。注漿時間、注漿量以及掏土工藝均根據塔身變形量進行調整。

由于塔基下部水土流失比較嚴重，基底土體承載力不足是造成塔體破壞的最直接因素，因此必須對基底土體進行注漿加固，以達到壓密土體提高承載力的目的。由于基底土體承載力不足的區(qū)域主要為偏壓一側，因此選擇塔北門一側土體重點進行注漿加固，考慮以較高的壓力注漿抬升塔體偏壓一側以達到糾偏的目的。根據測算，偏壓一側若抬高6 cm即可達到糾偏1°的效果。為此設計布置了100個注漿孔，塔基南側為止水帷幕，塔基北側(偏壓側)為加固糾偏孔，并布置有多個斜孔與直孔相間。注漿孔間距1.0 m左右，梅花形布置(圖5);孔深以進入基巖0.5～1.0 m為準，斜孔孔深長短相間。考慮到注漿對周圍土體安全性的影響(程驍等，1998)，施工時采用了雙管雙液二次注漿工法，第一次為單液滲透注漿，第二次為雙液劈裂注漿，漿液配合比為水玻璃∶水泥=1∶(1～1.5)，第一次單液滲透注漿水灰比0.7～0.8，第二次雙液劈裂注漿水灰比為0.5～0.6。由于期間多次遭遇暴雨侵襲，局部時段造成塔身傾斜加速，為此對注漿加固方案作了適當調整:塔基偏壓一側采用控制式雙管、雙泵、雙液注漿工藝進行注漿，以緩慢抬升北側塔基，內2圈注漿孔的間距調整為0.5 m。

圖5 壓密注漿孔位布置圖

注漿施工順序為:①首先施工北側近塔身附近的兩排直孔，以穩(wěn)定塔基不再傾斜;② 塔基北側自北而南逐排施工雙液注漿加固土體，同時間隔施工塔基附近的少量斜孔;③塔基南側單液滲透注漿加固土體;④塔南擋土樁外側施工止水帷幕;⑤ 塔基北側施工雙管雙液斜孔注漿，每天1孔，同時于塔基南側掏土迫降。注漿孔的類型、數量、位置以及注漿壓力則根據塔身傾斜度變化進行調整。一般要求按2孔/日進行注漿加固糾偏，當日同時根據塔身各部位的變形量變換孔位，以確保單日塔身傾斜度變化控制在60″～100″以內。

4 結論

在上述技術的應用中，首先對塔身進行整體式捆綁，達到保護塔身的作用，避免加固糾偏過程中對塔身結構造成二次傷害;利用纜風繩的牽引有效控制塔身變形;傾斜側注漿加固、抬升沉降側的基礎，同時于傾斜背面掏土迫降。施工過程中加強變形觀測，嚴密監(jiān)測建筑物的變形量，及時根據變形監(jiān)測結果合理調整注漿、掏土參數。根據定林寺塔的加固糾偏經驗，當塔身傾斜度單日變化小于60″～100″時，塔身結構基本不受影響。通過塔式古建筑組合控制糾偏技術，定林斜塔糾偏及地基加固工程達到了南京市文物局提出的各項要求。在定林寺塔修繕完畢之后，于2010年8月對定林寺塔的傾斜度進行了測量，測定的定林寺塔傾斜度依然保持為5°36'。

程驍，張鳳祥.1998.土建注漿施工與效果檢測［M］.上海:同濟大學出版社.

戴軼蘇.2003.傾斜磚石古塔結構的安全性和穩(wěn)定性分析［D］.南京:東南大學.

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江蘇省地質礦產局.1997.江蘇省巖石地層［M］.武漢:中國地質大學出版社.

JGJ 123—2000，既有建筑地基基礎加固技術規(guī)范［S］.

馬寧.2008.土力學與地基基礎［M］.北京:科學出版社.

彭振斌.1997.托換工程設計計算與施工［M］.武漢:中國地質大學出版社.

唐興元.2002.南京市江寧區(qū)方山定林寺塔糾偏勘察報告［R］.南京:核工業(yè)南京工程勘察院.