臨近文物建筑深基坑工程設計及保護方案

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

1 工程概況

本工程位于老舊城區，道路及管線需隨城市拆遷進行整體提升。根據本工程管線綜合規劃，道路下方規劃有綜合管廊，入廊管線有給水、電力、通訊、熱力、直飲水六種，兩艙布置，管廊結構外輪廓尺寸6.4×4.1m。

本工程在一處過路節點處，臨近一文物建筑，文物級別為區級文物，房屋為傳統的抬梁式屋頂硬山建筑，有上房、臨街房、東西廂房、西院臨街房，正門設在北側臨街房。該鄰街房屋侵入道路紅線，與道路側石線最近距離為5m，轉彎處僅為3.5m，交叉口處視距不良。文物建筑北側臨街房屋與綜合管廊結構外輪廓最近距離約4.2m。文物建筑平面位置及與基坑相對位置關系如下圖所示。

圖1 本工程與文物建筑的平面位置關系

本工程范圍地貌單元為黃河沖積平原，擬建工程場地位于鄭州市市區中南部，環境條件較簡單。地形起伏較小，地勢平坦。

根據與文物產權單位的溝通，該文物建筑不具備遷建條件，工程設計中需考慮避讓，施工過程中需控制建筑物變形值，保證該建筑物安全。

2 文物保護依據

該建筑物為古建筑類文物，其保護標準可依據《中華人民共和國文物保護法》、《中華人民共和國文物保護法實施條例》等有關法律法規，應遵循既有利于城市發展，又有利于文物保護的原則。

2.1 管廊總體方案設計

本節點位于一城市主干路，與現狀軌道交通交叉，平面布置綜合考慮避讓地鐵車站附屬結構及文物建筑，管廊中線基本沿路中布置。縱斷面設計考慮避讓南北向現狀及規劃過路管線，管廊頂部埋深按3m 考慮。

2.2 管廊基坑圍護結構設計

本節點基坑深度約8.6m，地下水位埋深約14m，不需降水。為減小明挖施工對文物建筑的影響，圍護結構形式采用結構剛度大、變形控制好的鉆孔灌注樁加內支撐支護。鉆孔灌注樁規格為□600@1000，豎向設一道□609，t=16 鋼支撐。

圍護結構計算采用理正7.0PB1 基坑計算軟件，基坑安全等級為一級，計算得各安全系數如下：

整體穩定安全系數 Ks = 2.163 > 1.35；

抗傾覆穩定性驗算最小安全Kt = 2.062 >= 1.250；

抗隆起驗算最小安全系數Ks = 2.964 ≥ 1.800；

各安全系數均滿足規范要求。

3 風險分析

3.1 施工風險分析

本節點位于一城市主干路交叉口，南北向現狀交通為雙向6 車道，道路下方為已運營地鐵線路。路口以東兩側建構筑物已基本拆除，無現狀交通需求。綜合考慮施工場地、交通疏解要求及軌道公司安全評估成果，本節點管廊基坑采用明挖法施工。采用分期實施的方式保證交通疏解要求，并減小對軌道交通運營的影響。

臨近該文物建筑管廊基坑深度約8.6m，對其影響主要體現在以下方面：

1）明挖法施工需施工圍擋，遮擋該建筑物北側大門，占道時間長，影響人員出入；

2）該建筑與基坑最近距離約為4.2m，約位于基坑0.5 倍深度處，管廊基坑開挖時，土體開挖卸載及圍護樁水平位移造成土體應力松弛[2]，可能引起房屋地基的不均勻沉降，造成房屋變形、開裂等損傷。

3）道路路基填筑壓實及路面鋪筑過程中的施工震動引起臨近房屋變形、開裂等損傷。

3.2 運營風險分析

該文物建筑正門前道路等級定位為城市次干路，雙向兩車道，紅線寬25m。此路段采用交通標線形式分離機非車輛，保障獨立的人行系統，與區域內步行系統有序聯通。由于該建筑局部侵入道路紅線范圍內，對道路運營的影響主要體現在以下方面

1）建筑物影響道路交叉口視距影響，導致駕駛員沒有足夠的時間判斷和采取避險措施，易發生交通事故。

2）占用人行道空間造成人行通行效果變差，人行擁堵時，行人占用非機動車道，造成交通紊亂。

3.3 管廊施工對文物建筑影響分析

為分析管廊基坑開挖回填施工過程中對文物建筑的影響，采用巖土有限元軟件MIDAS GTS 對本項目進行巖土數值分析。

計算模型

根據本工程特點，模型邊界取為基坑外約3 倍基坑深度處，整個模型尺寸為60×25m，建模過程中根據分步開挖設計對基坑內土體進行分塊并對文物建筑房屋結構進行適當的簡化處理，網格整體劃分后的計算模型如下：

圖2 計算模型

圖3 管廊結構及文物建筑

根據工程的施工順序，計算時的模擬工況如下：

1)初始地應力生成，位移清零；2)施做圍護樁結構；3)開挖至支撐下0.5m；4)架設鋼支撐；5)開挖至基坑底；6)施做管廊結構；7)拆除鋼支撐；8)覆土回填至設計地面。

參數設計及邊界條件

土層本構采用修正摩爾庫倫模型，該本構模型能有效地模擬土層開挖卸載過程中的應力應變關系[3]。土層密度、粘聚力、摩擦角、彈性模量等根據地勘取值，卸載模量取彈性模量的3 倍。

結構構件采用彈性本構，具體的參數設置如下表所示：

表1 結構構件參數

邊界條件選擇地面支承，水平邊界限值水平位移，底邊界限值豎向位移。

3.4 計算結果及分析

為分析基坑開挖回填對文物建筑的影響，提取文物建筑典型位置處（圖3）的位移計算結果：

施工過程中各特征點各工況的變形值曲線如下：

圖4 特征點豎向位移

圖5 特征點水平向位移

計算結果顯示：

1）由于土體卸載回彈變形與圍護結構變形產生的地層變形疊加，基坑開挖階段對文物建筑的影響較覆土回填階段小。

2）施工階段文物建筑最大豎向變形值為2.0mm（沉降），最大水平變形值為4.5mm；基礎局部傾斜值為：，滿足規范[4]規定的建筑物的地基變形允許值。

可見，管廊基坑圍護結構設計可滿足施工過程中對文物建筑的保護要求。

4 保護措施

4.1 施工保護措施

針對管廊及道路施工期間對文物建筑的影響，擬采取以下保護措施：

1)施工前對現狀建構筑物調查及檢測。

2)施工圍擋應預留文物建筑內人員出行通道。

3)鉆孔灌注樁施工采取旋挖鉆機施工，隔三挖一，并做好泥漿護壁，防止局部塌孔。

4)做好鋼支撐防脫落措施，及時施加支撐預加力，控制基坑變形。

5)施工過程中應注意，控制基坑兩側地面超載不應大于20kPa。

6)附近管線遷改過程中應采用人工挖掘，嚴格控制挖深，減少土體擾動。

7)合理進行施工組織，做好底板鋼筋加工工作，縮短底板施工時間，以減少基坑暴露時間。

8)回填土的壓實應采用機械碾壓，且必須采用平碾，臨近文物建筑處可采用人工夯實，嚴禁采用振動碾壓、重型打夯機；路面鋪筑應采用靜壓施工，避免震動。

9)施工過程中加強對建構筑物監測，制定基坑施工及建筑物變形過大的應急預案。

10)施工期間做好揚塵治理、廢水處理、噪聲控制等環境保護工作，將施工對環境的影響降到最低。

4.2 運營保護措施

針對本工程運營期間對文物建筑的影響，擬采取以下保護措施：

1)道路提升后采取右進右出的交通組織方式，將交通沖突點降到最低。

2)設置減速讓行標線和標志牌相配合，提高駕駛員對道路狀況的識別程度。

3)交叉口轉彎處設置凸面鏡，以擴大司機視野，及早發現彎道對面車輛，以避免交通事故的發生。

5 結論

1）城市規劃應結合文物建筑的分布及特點綜合考慮，做到城市建設與歷史文化的協調。

2）管廊基坑覆土回填階段較基坑開挖階段對臨近建筑的產生的影響較大，最終的變形表現為沉降及向坑內的水平變形。

3）由于我國暫無文物建筑保護變形控制的具體規定，可結合工程特點及文物建筑的現狀參照現行民用建筑的相關規范制定變形控制標準值。