明挖法施工對(duì)文物級(jí)保護(hù)建筑的影響分析

林家楨

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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明挖法施工對(duì)文物級(jí)保護(hù)建筑的影響分析

林家楨

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

文物級(jí)保護(hù)建筑較一般建筑而言，對(duì)沉降和變形的要求更為嚴(yán)格。明挖法施工地鐵車站時(shí)，開挖主體結(jié)構(gòu)基坑、附屬結(jié)構(gòu)基坑，必然會(huì)對(duì)建筑的變形、位移產(chǎn)生一定影響，需采取針對(duì)性的保護(hù)措施確保建筑的基礎(chǔ)安全、正常使用。文章依托具體工程，針對(duì)文物級(jí)保護(hù)建筑沉降控制要求，研究確定了明挖基坑過程中對(duì)文物級(jí)建筑基礎(chǔ)的保護(hù)措施，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、信息反饋、預(yù)警機(jī)制、處理措施等。對(duì)類似明挖基坑對(duì)重要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的工程具有一定的參考價(jià)值。

監(jiān)測(cè)； 預(yù)警機(jī)制； 明挖法； 沉降； 變形控制

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，明挖法施工地鐵車站的應(yīng)用越來越多。一般情況下地鐵車站位于城市的中心區(qū)域，車站周圍的環(huán)境較為復(fù)雜，基坑開挖時(shí)勢(shì)必對(duì)周圍建筑物特別是對(duì)文物建筑產(chǎn)生不利影響。如何通過系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)保證建筑物的安全，成為一個(gè)越來越重要和復(fù)雜的課題。

國(guó)家級(jí)、省級(jí)文物保護(hù)建筑與一般建筑物相比，沉降控制、傾斜控制的要求更為苛刻。因此，有必要針對(duì)性的研究對(duì)文物級(jí)保護(hù)建筑的相關(guān)保護(hù)和控制措施[1-3]。

1 工程概況

哈爾濱市兆麟公園站位于友誼路與兆麟公園交口東側(cè)，沿友誼路方向布設(shè)。友誼路寬30 m，雙向8車道。該站為地下3層島式站臺(tái)車站，站臺(tái)寬度11 m，車站長(zhǎng)150 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.9 m，盾構(gòu)井段寬23.9 m，縱向坡度為2 ‰下坡。車站共設(shè)2座風(fēng)道及3個(gè)出入口，1號(hào)、2號(hào)風(fēng)道均位于兆麟公園內(nèi)，1號(hào)、2號(hào)出入口位于友誼路南側(cè)兆麟公園外人行道，3號(hào)出入口預(yù)留，4號(hào)出入口位于井街西側(cè)。車站主體采用明挖法施工，附屬采用明挖法施工。

車站北側(cè)李兆麟將軍墓為省級(jí)文物保護(hù)單位，墓基正方形，磚石水泥結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。

基坑開挖與文物保護(hù)建筑的平面如圖1、圖2所示。

圖1 文物保護(hù)建筑平面布置

圖2 基坑與文物保護(hù)建筑位置關(guān)系

1.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

綜合分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、專家建議以及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參照國(guó)內(nèi)已開展過的地鐵建設(shè)工程所致地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，基于地鐵3號(hào)線二期工程沿線保護(hù)建筑安全穩(wěn)定的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：任意一點(diǎn)文物建筑地基允許最大沉降控制值-5～+5 mm以內(nèi)，文物建筑地基沉降差異控制值在5 mm以內(nèi)，沉降速率控制在0.2 mm/d以內(nèi)，整體傾斜控制在0.0005以內(nèi)，水平位移控制在10 mm以內(nèi)[4-5]。

1.2 文物保護(hù)工程措施

為減小施工對(duì)保護(hù)建筑物的影響，設(shè)計(jì)時(shí)有如下針對(duì)性考慮：

(1)對(duì)兆麟公園站的車站站位及1號(hào)出入口、1號(hào)風(fēng)亭位置進(jìn)行反復(fù)核對(duì)，通過采用設(shè)計(jì)規(guī)范極限要求的計(jì)算方法來確定遠(yuǎn)離文保建筑的極限，以達(dá)到既對(duì)文保建筑的影響切實(shí)降至最低，又滿足地鐵安全可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前核對(duì)的結(jié)果，涉及李兆麟將軍墓的兆麟公園站的站位及1號(hào)出入口、1號(hào)風(fēng)亭位置已達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)臨界狀態(tài)。

(2)兆麟公園站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了1 000 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置6道支撐加1道倒撐，其中第1道支撐采用混凝土支撐，其余5道支撐為φ609鋼管支撐。1號(hào)風(fēng)亭采用了800 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置4道支撐加1道倒撐，5道支撐均為φ609鋼管支撐。圍護(hù)支撐體系整體剛度大、穩(wěn)定性好。同時(shí)減小基坑分段開挖長(zhǎng)度，嚴(yán)格遵循先撐后挖的施工順序及時(shí)澆筑底板，可大大減少車站基坑開挖對(duì)建筑物的影響。

考慮到對(duì)文保建筑的保護(hù)除從地鐵自身角度控制外，也要從文保建筑本體予以考慮。為此，制定了專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案及應(yīng)急預(yù)案，通過信息化施工實(shí)際控制周邊地層穩(wěn)定和文保建筑在施工過程中的安全穩(wěn)定。

(3)為了避免震動(dòng)過大對(duì)周邊文保建筑產(chǎn)生損害性影響，確定不使用打樁機(jī)、風(fēng)鎬等震動(dòng)較大的機(jī)械設(shè)備，圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用成槽機(jī)、銑槽機(jī)等震動(dòng)較小機(jī)械進(jìn)行施工。嚴(yán)格控制在破除路面基層、拆除地下既有不明結(jié)構(gòu)時(shí)的震動(dòng)對(duì)周邊文保建筑物的影響，通過調(diào)整工序、控制振動(dòng)頻率等措施將對(duì)文保建筑物的影響降至最低。同時(shí)，制定嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)、應(yīng)急方案，重點(diǎn)對(duì)文保建筑沉降、傾斜、裂縫及震動(dòng)損壞及時(shí)觀測(cè)和控制。

1.3 文物監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)管理

在地鐵3號(hào)線二期工程的各個(gè)階段均須對(duì)所涉及的文物保護(hù)單位和車站基坑制定完善的監(jiān)測(cè)方案，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其沉降、傾斜、裂縫發(fā)展等情況，并制定預(yù)警值、報(bào)警值和控制值，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，同時(shí)制定施工應(yīng)急預(yù)案，做到信息化施工。

地鐵3號(hào)線二期工程采用信息化設(shè)計(jì)和施工。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是監(jiān)視周圍地層穩(wěn)定、判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、施工方法是否正確的重要手段，監(jiān)控量測(cè)工作必須按要求貫穿地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)全過程。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括:基坑及地表沉降;文物建筑沉降、傾斜、裂縫。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型參數(shù)

本次車站施工對(duì)保護(hù)建筑物影響分析采用的計(jì)算軟件為MIDAS-GTS NX，采用的土的本構(gòu)模型為修正摩爾庫(kù)倫模型。

2.2 計(jì)算模型

對(duì)于李兆麟將軍墓，主要的影響因素為兆麟公園站主體基坑及1號(hào)出入口、1號(hào)風(fēng)亭基坑施工。兆麟公園站為地下3層島式車站，車站長(zhǎng)150 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.9 m，盾構(gòu)井段寬23.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約24.92 m。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置6道支撐加1道倒撐，第1道內(nèi)支撐為鋼筋混凝土支撐，其余支撐為φ609鋼管支撐。1號(hào)出入口基坑寬約8.9 m，深約11.4 m。1號(hào)出入口圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用600 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置2道φ609鋼管支撐。1號(hào)風(fēng)亭基坑寬約15.5 m，深約19.0 m，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置4道支撐加1道倒撐，均為φ609鋼管支撐。施工影響分析及計(jì)算結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 模型概況

圖4 主體基坑開挖后墓碑沉降

圖5 附屬基坑開挖后墓碑沉降

2.3 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論

經(jīng)分析計(jì)算，基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)建筑物影響較小，引起的最大沉降累計(jì)值為3.70 mm，沉降差3.70 mm，傾斜0.000 1，水平位移0.2 mm。李兆麟將軍墓的總體沉降、沉降差、傾斜、水平位移均小于控制值，可以保證該建筑的安全。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在施工期間，對(duì)文物級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，這些數(shù)據(jù)可以有效的反應(yīng)基坑開挖對(duì)文物級(jí)保護(hù)建筑的影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 高鐵橋墩沉降位移曲線

圖7 鐵路軌道沉降曲線

通過以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在基坑開挖的施工過程中，文物級(jí)保護(hù)建筑沉降最大值為-2.2 mm，在正常范圍之內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，本次施工采取的保護(hù)措施有效地控制了高鐵橋樁及列車軌道的沉降。

4 應(yīng)急預(yù)案

為了保證基坑安全，施工前準(zhǔn)備必需的應(yīng)急材料，作好基坑搶險(xiǎn)加固準(zhǔn)備工作。各相關(guān)方須通力合作，采取有效的維護(hù)及應(yīng)急措施，當(dāng)監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超限時(shí)，應(yīng)立即停止基坑開挖作業(yè)，并及時(shí)通知有關(guān)人員，提出對(duì)策，采取可靠措施后方可施工。

以下提供主要的安全預(yù)案措施供參考，各項(xiàng)措施應(yīng)根據(jù)需要選用：

(1)施工單位應(yīng)有基坑開挖應(yīng)急方案，基坑開挖期間應(yīng)配備必要的設(shè)備及材料，例如挖機(jī)、注漿機(jī)、水泵、砂包、水泥、速凝劑及鋼管等。

我很小很小的時(shí)候，在澡盆里洗澡，洗完了，澡盆被端走，地上有一個(gè)圓圓的水印，我就指著水印說：“太陽！太陽！”據(jù)說我當(dāng)時(shí)這樣說的時(shí)候，是十分激動(dòng)的。夏天，我赤著腳在地上走，腳上有水，地上就有腳印，我又指著腳印說：“小船！小船！”看來我小時(shí)候是有些想象力的，而我現(xiàn)在想象力要比那時(shí)糟得多。

(2)應(yīng)備一定數(shù)量的基坑搶險(xiǎn)人員，指揮人員應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)值班。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移過大時(shí)，在基坑內(nèi)圍護(hù)墻前堆碼砂石袋，增設(shè)內(nèi)支撐。

(4)鋼支撐軸力過大時(shí)，增設(shè)內(nèi)支撐。

(5)鋼立柱軸力過大時(shí)，增設(shè)臨時(shí)腳架，對(duì)鋼立柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。

5 結(jié)論與建議

本文通過數(shù)值模擬分析及對(duì)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了基坑開挖對(duì)建筑物的影響規(guī)律和建議措施，主要有以下幾點(diǎn)：

(2)應(yīng)重視數(shù)值模擬對(duì)實(shí)際施工的有利指導(dǎo)，可以有針對(duì)性的對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如出現(xiàn)變形過大等情況可及時(shí)采取措施。

(3)施工前應(yīng)提供詳細(xì)的應(yīng)急加固方案，保證施工時(shí)對(duì)文物級(jí)建筑物的時(shí)刻保護(hù)。

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林家楨(1988～)，男，碩士，助理工程師，主要從事隧道及地下工程方面工作。

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[定稿日期]2016-10-26