地鐵深基坑鄰近既有古建筑施工安全評估

張艷鴿 安應(yīng)選

【摘要】隨著城市軌道交通的發(fā)展，地下交通產(chǎn)生了大量的深基坑工程，并且深基坑工程通常位于城市繁華區(qū)域，深基坑設(shè)計方案不當就會對周邊建筑物、地下管線造成非常嚴重的后果，所以深基坑的研究顯得尤為重要。本文以西安地鐵四號線五路口站為例，介紹了地鐵車站深基坑鄰近國家重點文物保護單位——西京招待所的施工安全評估分析。目前國內(nèi)沒有相關(guān)古建筑保護規(guī)范和經(jīng)驗可以借鑒，本文通過古建筑基礎(chǔ)沉降控制標準制定，運用Midas/GTS有限元數(shù)值模擬分析地表沉降引起房屋基礎(chǔ)不均勻沉降過程達到評估房屋結(jié)構(gòu)安全的目的，為今后同類工程的施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站深基坑；古建筑；控制標準；基坑支護；有限元分析；文物保護

1、工程簡介

五路口站是西安地鐵一號線與四號線的換乘站，一、四號線車站呈“T”字島島換乘。四號線車站位于解放路與東五路十字南側(cè)，呈南北走向布置在解放路下方，一號線為地下兩層島式站臺車站，四號線為地下三層島式站臺車站，目前一號線車站主體已開通運營。

西京招待所位于西安城內(nèi)解放路與西四路交叉處西北角，建于20世紀30年代，現(xiàn)為國家重點文物保護單位。該建筑平面呈“L”型布置，總建筑面積約8320m2，為地上兩層磚木結(jié)構(gòu)房屋，基礎(chǔ)形式為墻下條形基礎(chǔ)。西京招待所現(xiàn)狀照片如圖1-1所示。

圖1-1西京招待所現(xiàn)狀照片

西京招待所位于五路口車站基坑西側(cè)，距離五路口站主體基坑約12m，與車站基坑伴行距離約24m西京招待所與五路口站主體結(jié)構(gòu)相對位置見圖1-2。

圖1-2 西京招待所與車站基坑位置關(guān)系斷面圖

2、西京招待所房屋基礎(chǔ)沉降控制標準

參考西安地鐵一號線穿越朝陽門的沉降控制標準的實際累計沉降和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中局部傾斜控制量提高1倍安全系數(shù)，提出控制標準如下表2-1。

表2-1 沉降控制標準

最大沉降值（mm） 最大沉降預(yù)警值（mm） 最大沉降報警值（mm） 最大隆起值（mm） 局部傾斜

西京招待所房屋基礎(chǔ) 15 12 10.5 5 0.001

3、五路口車站深基坑支護方案擬定

由于該文物位于車站主體基坑開挖及降水主影響區(qū)域，結(jié)合本站水文地質(zhì)概況，并借鑒西安地鐵已建類似工程經(jīng)驗，車站深基坑擬采取以下支護及降水方案。

1）為了有效減少基坑開挖引起的地面沉降，本工程擬采用剛度較大的鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐方案。鉆孔樁直徑1.2m間距1.5m，插入深度9m。基坑標準段豎向設(shè)置4道支撐，其中第一道采用鋼筋混凝土支撐。二～四道采用壁厚16mm的鋼管內(nèi)支撐。

2）車站位于解放路上，由于交通疏解要求，本站采用半幅蓋挖順筑法施工，為有效約束基坑側(cè)壁變形及位移，車站基坑中間設(shè)置直徑1.5m間距6m混凝土臨時立柱樁。

3）由于車站基坑距離西京招待所這座國家重點文物保護單位水平距離僅12m，常水位約地下9m。為避免施工降水對西京招待所產(chǎn)生不利影響，施工降水采用坑外旋噴樁帷幕止水，坑內(nèi)降水的方案。支護結(jié)構(gòu)方案見圖3-1。

圖3-1 五路口站圍護結(jié)構(gòu)斷面圖

4、 基坑開挖對文物影響的數(shù)值模擬分析結(jié)果及結(jié)論

1） 深基坑開挖數(shù)值模擬分析

基坑的開挖過程是土體的移去和支護（圍護結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐）的修筑過程，故在數(shù)值模擬中采用單元的鈍化和激活單元的方法來模擬土體的開挖與支護的修筑過程，即開挖土體是在模型中鈍化相應(yīng)部分的單元，而地下連續(xù)墻及支撐為相應(yīng)需要激活的單元。

本站基坑深23.15m，寬 22.9m，豎向分為4步開挖，每步開挖后依次架設(shè)一道支撐，4步開挖，即4道支撐，φ1200mm@1500mm鉆孔樁，嵌入地層9m。據(jù)調(diào)查，西京招待所基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)，建立建筑物-基坑-地層三者相互作用的三維數(shù)值模型，研究基坑開挖對房屋的影響情況。建好后的房屋-基坑-地層模型，模型長240m，寬180m，高40m。如圖4-1所示。

圖4-1 模型三維圖及監(jiān)測點分布

2） 深基坑開挖過程數(shù)值計算

本車站基坑深23 m，豎向分4層開挖，架設(shè)一道支撐后，隨即挖土至下一道支撐相應(yīng)的標高，整個模擬過程有4個分析工況如圖4-2所示。

工況一 工況二

工況三 工況四

圖4-2 計算分析工況

3）各工況地表沉降計算結(jié)果

工況一 工況二

工況三 工況四

圖4-3 基坑開挖地表及地層沉降分布圖

通過模型計算結(jié)果可以看出：圖4-3給出了西京招待所基礎(chǔ)所在位置地表沉曲線圖，可以看出基坑開挖使得連續(xù)墻外形成沉降槽。數(shù)值模擬中，連續(xù)墻和土體之間無相對位移，可協(xié)調(diào)變形，所以在鄰近基坑的地面處，連續(xù)墻和土體的這種抑制土體的沉降變形，使得地面沉降量最大點位置本該出現(xiàn)在基坑最近的地處，卻又出現(xiàn)向背離基坑方向移動，這和大多數(shù)文獻模擬出的地面沉降變形相似。通過提取數(shù)據(jù)，最大值沉降在房屋基礎(chǔ)東南角處，距離基坑邊15m，最大值為9.8mm，房屋基礎(chǔ)最大差異沉降為0.2%，滿足本文制定的安全控制標準。

5、文物保護措施及應(yīng)急預(yù)案

1）文物保護措施

地鐵車站深基坑施工對西京招待所的影響主要是深基坑開挖期間的地面沉降引起建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降。針對地面沉降控制需要從基坑支護結(jié)構(gòu)選型、基坑降水方式、基坑施工工法選擇和施工技術(shù)方面采取措施。

（1）圍護結(jié)構(gòu)采用φ1200mm@1500mm+內(nèi)支撐支護形式，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，可較大加強基坑圍護結(jié)構(gòu)自身強度和穩(wěn)定性。

（2）為避免施工降水造成地面沉降過大，本站基坑采用旋噴樁止水+坑內(nèi)降水的設(shè)計思路，要求施工現(xiàn)場嚴格控制旋噴樁施工質(zhì)量，保證施工期間基坑外側(cè)水位的穩(wěn)定，并做好水位監(jiān)測。

（3）基坑采用半鋪蓋施工，鋪蓋系統(tǒng)選用六四式軍用梁結(jié)構(gòu)，可有效約束圍護結(jié)構(gòu)側(cè)墻位移，從而減小基坑周邊地表沉降，提高基坑圍護結(jié)構(gòu)自身剛度和穩(wěn)定性。

2）西京招待所保護應(yīng)急預(yù)案

參考西安地鐵一、二號線施工經(jīng)驗，在施作加固方案時加固過程本身就會對加固對象產(chǎn)生影響。為避免房屋由于先期預(yù)埋注漿管時就對房屋本身產(chǎn)生不利的影響，按照計算和工程經(jīng)驗，可以不對西京招待所房屋進行先期加固。但是為了保證萬無一失，本次保護方案根據(jù)施工監(jiān)測情況，若發(fā)現(xiàn)房屋基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降超過警戒值，應(yīng)立即停止基坑開挖，施做袖閥管注漿加固。

（1）西京招待所地基加固方案

根據(jù)現(xiàn)有加固設(shè)計方案計算結(jié)果，采用化學注漿法加固設(shè)計方案通過增大地層變形模量減少了沉降量，提高了深基坑影響深范圍地層抵抗不均勻變形的能力，是有效的加固方案。

（2）西京招待所地基加固范圍

在房屋基礎(chǔ)四周打設(shè)兩排袖閥管注漿，間距1.0m×1.0m，梅花形布置，加固范圍為地面以下3～10m，根據(jù)監(jiān)測情況，跟蹤注漿。注漿可采用水泥-水玻璃雙液，以便能調(diào)節(jié)漿液凝固時間。注漿過程中應(yīng)注意控制注漿壓力，防止注漿壓力過大，造成對房屋基礎(chǔ)的破壞。

6、結(jié)語

由于大量地鐵車站深基坑位于鬧市區(qū)，距離周邊建筑物較近。深基坑工程設(shè)計和施工給工程師帶來了越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是地鐵車站深基坑鄰近國家重點文物保護單位時需更加謹慎對待，稍有不慎就可能對古建筑造成無法彌補的損害，因此合理地預(yù)估基坑開挖引起地面沉降對周邊建筑物的影響程度是工程師做深基坑設(shè)計方案時面臨的重要工作。本文通過制定古建筑沉降控制標準和數(shù)值分析評估了地鐵車站深基坑施工期間鄰近文物單位古建筑的安全在制定標準范圍內(nèi)，并提出了針對該文物的應(yīng)急保護方案，為今后類似工程提供參考。

參考文獻

[1] 《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）。

[2] 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）。

[3] 《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）。

[4] 《基坑工程手冊》劉建航 侯學淵 中國建筑物工業(yè)出版社。

[5] 《西安地鐵一號線穿越西安城墻朝陽門、玉祥門文物保護方案》 2009年12月。

[6] 《深基坑開挖對周邊建筑物的影響分析》 馬以雷 2010年6月。

[7] 《預(yù)估深基坑開挖對周邊建筑物影響的簡化分析方法》 王衛(wèi)東 徐中華 2010年7月。