PBA(樁-梁-拱)工法在南京地鐵4號線鼓樓站古建筑保護中的應用

朱紅華 王國光 李鳳濤

(1.南京地鐵建設有限責任公司， 210017，南京； 2.中國鐵路設計集團有限公司，300143，天津//第一作者，高級工程師)

在城市軌道交通建設中，車站深基坑周邊如果存在有文物保護價值的古建筑，則會對車站深基坑的設計施工提出一系列特殊要求，以確保古建筑結構及變形滿足相關要求。在實際工程中，古建筑保護往往具體量化要求不明確或缺乏統一性標準，針對古建筑保護效果的分析也往往缺乏針對性和系統性。本文以南京地鐵4號線鼓樓站施工為例，介紹了古建筑的臨時加固措施、適用于古建筑保護的地鐵站施工工法和施工控制措施。本文介紹的方法可有效地控制古建筑的變形及地面沉降，為類似工程提供參考。

1 項目概況

1.1 車站概況

南京地鐵4號線鼓樓站(以下簡為“鼓樓站”)處于南京市核心區，位于北京東、西路交匯處，沿北京西路敷設，如圖1所示。鼓樓站為與既有1號線的換乘站，其東側為既有1號線鼓樓站，西側為鼓樓公園。鼓樓站為地下兩層13.7 m島式站臺車站。車站外包總長度為256.045 m，標準段寬度為49.40 m。

鼓樓是江蘇省文物保護建筑單位，位于鼓樓公園環島中間。鼓樓站下穿鼓樓公園段的長度約為38.95 m。該處結構覆土為5.40～10.80 m。車站到鼓樓結構水平距離為1.70 m，垂直距離為10.98 m。車站下穿鼓樓公園段的巖土層分布不均勻，主要為①-1填土層、④-3b1-2粉質黏土層、K-2-2強風化砂礫巖、K-3-2和K-3-3中風化砂礫巖。車站開挖影響范圍內巖層主要為K-3-2、K-3-3中風化砂礫巖，頂部基本為中風化砂礫巖，巖層強度超過30 MPa。經分析比較，鼓樓站基坑開挖采取松動爆破為主、預裂爆破為輔的開挖方法，并采用毫秒延時爆破技術，以降低各測點的振動速度等指標。

圖1 4號線鼓樓站與鼓樓位置關系平面示意圖

1.2 鼓樓概況

鼓樓是省級文物，始建于1382年(明代)，現在已歷經600余年，是南京的標志性建筑之一。由于多年未進行大修，樓體表面已出現多處裂縫，木材腐爛。為判斷地鐵施工對文物鼓樓的影響，需要在施工前先對鼓樓本體結構的狀態進行檢測評估，以形成評價和參照的體系。

根據JGJ 125—1999《危險房屋鑒定標準》，檢測評定文物鼓樓各部分結構的危險等級：地基基面評定等級為b級；城闕評定危房等級為b級；碑樓評定危房等級為c級。結合城闕基礎、城闕和碑樓承重結構的評定等級，鼓樓整體危險性評定等級為b級。這是文物結構受力和施工過程對文物鼓樓影響分析計算的控制標準和理論依據，可指導后續的加固和防護措施。

2 古建筑保護的施工方案

2.1 臨時加固措施

通過三維模型對施工過程進行模擬。基于有限元法原理，同時結合試爆試驗，分析發現鼓樓的結構可能在施工過程中受損，故有必要采取臨時加固措施。其目的不僅要保證鼓樓結構在施工期間的完整性和安全性，還要保證所有加固措施的施工、使用和拆除都不對文物產生損害。

根據對鼓樓建筑的現狀檢測結果和開挖施工對文物鼓樓建筑影響的分析，結合鼓樓的結構特征及外觀環境因素等方面的考慮，確定加固基本思路為：城闕以防坍塌為主，其中缺陷和開裂部位進行修補和灌漿加固；碑樓以防坍塌為主，同時控制施工過程中的變形及爆破產生的加速度，對部分構造存在缺陷的重點部位進行加固。

加固設計方案為：城闕加固采用周邊抱箍方法；城闕拱券采用勁性骨架滿堂支撐的方法加固，勁性骨架與拱券之間采用木楔頂緊。對于城闕墻體開裂部位，采用結構膠進行灌注。圖2為臨時加固現場照片。

圖2 臨時加固現場照片

2.2 地鐵車站的施工方法

為了保護文物建筑鼓樓，4號線鼓樓站下穿鼓樓公園部分采用暗挖法施工。暗挖法施工多采用中洞法或柱洞法。其中，中洞法一般采用CRD(交叉中隔墻)工法，柱洞法一般采用PBA(樁-梁-拱)工法。

2.2.1 CRD工法

CRD工法的施工斷面較小，無法采用機械破碎、人工開挖方法施工。如采用松動爆破法施工，則爆破工程量巨大。而且，CRD工法要分塊開挖支護，多次擾動土體，開挖暴露時間長，不利于快速封閉成環和整體沉降控制。此外，襯砌過程中需拆除臨時支撐，會引發二次沉降。因此，CRD工法不適用于對周邊有管線、城市交通主干道及文物等重要建構筑物的情況。

2.2.2 PBA工法

PBA工法將蓋挖及分步暗挖法有機結合，屬于逆作法施工。采用PBA工法施工的暗挖段有3個導洞。導洞上的初期受力體系為由邊樁、中樁(柱)、頂底梁及頂拱形成的單層三跨三連拱結構。在頂拱的保護下可以逐層向下開挖土體，施作二次襯砌，最終形成由初期支護+二次襯砌組合而成的永久承載體系。

導洞及主體頂拱初期支護采用大管棚及小導管注漿超前加固地層等施工輔助措施。頂拱由鋼格柵+噴射混凝土的初期支護和模筑鋼筋混凝土的二次襯砌構成，并在初期支護與二次襯砌之間設有柔性防水層。基坑采用人工挖孔灌注樁(φ1 200 @2 700)加鋼支撐支護；該灌注樁還兼做承載力樁基，以承受暗挖逆筑法頂拱腳豎向壓力。

開挖中，3個導洞采用減震爆破+風鎬破除。導洞開挖按由淺覆土至深覆土的順序，導洞開挖面前后錯開3～5 m。鋼管柱及圍護樁采用減震爆破成孔。梁柱及頂拱完成后，剩余的大量石方采用大型機械破除。

2.3 PBA工法的施工控制措施

PBA工法的關鍵工作是邊樁、中柱、縱梁體系及頂拱的施工。由于邊樁、中柱及縱梁全部為洞內施工作業，而頂拱施工工序較為復雜，因此， PBA工法的技術難點為：解決好樁柱梁體系及頂拱形成過程中的力學轉換及平衡，確保樁柱梁及頂拱體系施工質量，防止結構變形、失穩和破壞，避免出現地面及拱部的沉降超限和局部坍塌。

針對技術難點，PBA工法的施工控制措施為：

1) 采用有限元法對各步序工況進行模擬分析，確定支護的強度及剛度。這是安全保證的理論基礎。

2) 采用全過程信息化管理，加強過程監測，實施動態化施工，根據監控量測、信息反饋、位移反分析來調整支護參數。這是安全保證的主要手段。

3) 在多個小導洞開挖時，進行工況分析，合理開挖順序，先施工兩側導洞，拉開一定距離后，再施工中部導洞，相鄰導洞之間錯開一定距離施工，減少圍巖擾動次數，減小群洞效應。

4) 該項目地處富水地層，故還要加強降水，做好配合工作，做好洞內的散水排放和注漿止水工作，保證無水作業，以避免局部坍塌或流砂等現象。

5) 在頂拱和小導洞拱部開挖前，采取小導管注漿超前加固地層，架設臨時支撐，及時噴射混凝土，以保證開挖及支護安全。

6) 根據地質條件及導洞工作面大小，采用人工挖孔成樁進行邊樁及中柱鋼護筒施工，保證成樁垂直度。鋼管柱安裝就位并灌注鋼筋混凝土后，鋼管柱與柱孔之間空隙用細砂填密實。

2.4 施工期間的鼓樓監測分析

在施工過程中，對文物鼓樓城闕、碑樓及石碑和周邊環境進行安全監控。

對鼓樓墻體至基坑開挖處進行不均勻沉降監測。累計不均勻沉降量最大差值為5.42 mm，鼓樓墻體處的最大不均勻沉降差值為4.5 mm。可見，不均勻沉降差值總量較小。根據監測數據，城闕與碑樓水平位移變化總量較小。

振動速度監測結果為：城闕振動速度變化范圍為0.01～1.93 mm/s，碑樓振動速度變化范圍為0.03～1.66 mm/s，石碑振動速度變化范圍為0.01～1.75 mm/s。各處振動速度值主要分布如表1所示。

表1 各處振動速度值主要分布統計

根據統計數據，局部振動速率已超過原監測方案規定的報警值(木結構報警值為0.30 mm/s，城墻及城闕報警值為0.45 mm/s)。但根據GB 6722—2011《爆破安全規程》，一般古建筑與古跡安全允許質點振動速度為1.0～3.0 mm/s。結合現場巡視和檢測結果，爆破振動雖然有少量監測點的振動速度超出原方案規定的報警值，但振動并沒有對鼓樓主體結構造成損傷。

根據監測數據，城闕加固預應力筋內力變化無明顯規律，大部分預應力筋在整個監測過程中內力變化程度較小(5%左右)。結合城闕既有裂縫觀測，可以判斷城闕結構完整性未受到地鐵施工影響。

3 結語

地鐵車站設計施工中的古建筑保護具有特殊性和針對性。對古建筑這類環境風險控制，一般會在一定的安全距離情況下選擇合適的施工工法。

本文結合南京地鐵4號線鼓樓站工程側穿鼓樓文物進行分析。對文物鼓樓的現狀進行了專業的檢測及評估，得出了各結構的危險等級，對古建筑本體采取了臨時加固措施；詳細分析了暗挖大跨

結構PBA工法的適用性及施工中的控制措施。PBA工法增加了圍護結構，可以支撐鼓樓建筑帶來的側向壓力；PBA工法的爆破開挖工程量少且初支封閉早，可減少爆破施工對地層的多次擾動；PBA工法拱頂二襯結構施工較早，上部初支的暴露時間短，依靠較早形成的樁、梁、拱整體結構的可靠支撐，有利于減小地面沉降值，保證鼓樓建筑的結構穩定。從監測數據可以得出，PBA工法施工變形控制較好，可以有效地保護古建筑的安全。