PBA(樁-梁-拱)工法在南京地鐵4號(hào)線鼓樓站古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

朱紅華 王國(guó)光 李鳳濤

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司， 210017，南京； 2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300143，天津//第一作者，高級(jí)工程師)

在城市軌道交通建設(shè)中，車站深基坑周邊如果存在有文物保護(hù)價(jià)值的古建筑，則會(huì)對(duì)車站深基坑的設(shè)計(jì)施工提出一系列特殊要求，以確保古建筑結(jié)構(gòu)及變形滿足相關(guān)要求。在實(shí)際工程中，古建筑保護(hù)往往具體量化要求不明確或缺乏統(tǒng)一性標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)古建筑保護(hù)效果的分析也往往缺乏針對(duì)性和系統(tǒng)性。本文以南京地鐵4號(hào)線鼓樓站施工為例，介紹了古建筑的臨時(shí)加固措施、適用于古建筑保護(hù)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(xiàng)目概況

1.1 車站概況

南京地鐵4號(hào)線鼓樓站(以下簡(jiǎn)為“鼓樓站”)處于南京市核心區(qū)，位于北京東、西路交匯處，沿北京西路敷設(shè)，如圖1所示。鼓樓站為與既有1號(hào)線的換乘站，其東側(cè)為既有1號(hào)線鼓樓站，西側(cè)為鼓樓公園。鼓樓站為地下兩層13.7 m島式站臺(tái)車站。車站外包總長(zhǎng)度為256.045 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為49.40 m。

鼓樓是江蘇省文物保護(hù)建筑單位，位于鼓樓公園環(huán)島中間。鼓樓站下穿鼓樓公園段的長(zhǎng)度約為38.95 m。該處結(jié)構(gòu)覆土為5.40～10.80 m。車站到鼓樓結(jié)構(gòu)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(zhì)黏土層、K-2-2強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、K-3-2和K-3-3中風(fēng)化砂礫巖。車站開(kāi)挖影響范圍內(nèi)巖層主要為K-3-2、K-3-3中風(fēng)化砂礫巖，頂部基本為中風(fēng)化砂礫巖，巖層強(qiáng)度超過(guò)30 MPa。經(jīng)分析比較，鼓樓站基坑開(kāi)挖采取松動(dòng)爆破為主、預(yù)裂爆破為輔的開(kāi)挖方法，并采用毫秒延時(shí)爆破技術(shù)，以降低各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度等指標(biāo)。

圖1 4號(hào)線鼓樓站與鼓樓位置關(guān)系平面示意圖

1.2 鼓樓概況

鼓樓是省級(jí)文物，始建于1382年(明代)，現(xiàn)在已歷經(jīng)600余年，是南京的標(biāo)志性建筑之一。由于多年未進(jìn)行大修，樓體表面已出現(xiàn)多處裂縫，木材腐爛。為判斷地鐵施工對(duì)文物鼓樓的影響，需要在施工前先對(duì)鼓樓本體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，以形成評(píng)價(jià)和參照的體系。

根據(jù)JGJ 125—1999《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，檢測(cè)評(píng)定文物鼓樓各部分結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)等級(jí)：地基基面評(píng)定等級(jí)為b級(jí)；城闕評(píng)定危房等級(jí)為b級(jí)；碑樓評(píng)定危房等級(jí)為c級(jí)。結(jié)合城闕基礎(chǔ)、城闕和碑樓承重結(jié)構(gòu)的評(píng)定等級(jí)，鼓樓整體危險(xiǎn)性評(píng)定等級(jí)為b級(jí)。這是文物結(jié)構(gòu)受力和施工過(guò)程對(duì)文物鼓樓影響分析計(jì)算的控制標(biāo)準(zhǔn)和理論依據(jù)，可指導(dǎo)后續(xù)的加固和防護(hù)措施。

2 古建筑保護(hù)的施工方案

2.1 臨時(shí)加固措施

通過(guò)三維模型對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬。基于有限元法原理，同時(shí)結(jié)合試爆試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)鼓樓的結(jié)構(gòu)可能在施工過(guò)程中受損，故有必要采取臨時(shí)加固措施。其目的不僅要保證鼓樓結(jié)構(gòu)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(duì)文物產(chǎn)生損害。

根據(jù)對(duì)鼓樓建筑的現(xiàn)狀檢測(cè)結(jié)果和開(kāi)挖施工對(duì)文物鼓樓建筑影響的分析，結(jié)合鼓樓的結(jié)構(gòu)特征及外觀環(huán)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(kāi)裂部位進(jìn)行修補(bǔ)和灌漿加固；碑樓以防坍塌為主，同時(shí)控制施工過(guò)程中的變形及爆破產(chǎn)生的加速度，對(duì)部分構(gòu)造存在缺陷的重點(diǎn)部位進(jìn)行加固。

加固設(shè)計(jì)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(duì)于城闕墻體開(kāi)裂部位，采用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行灌注。圖2為臨時(shí)加固現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 臨時(shí)加固現(xiàn)場(chǎng)照片

2.2 地鐵車站的施工方法

為了保護(hù)文物建筑鼓樓，4號(hào)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(wú)法采用機(jī)械破碎、人工開(kāi)挖方法施工。如采用松動(dòng)爆破法施工，則爆破工程量巨大。而且，CRD工法要分塊開(kāi)挖支護(hù)，多次擾動(dòng)土體，開(kāi)挖暴露時(shí)間長(zhǎng)，不利于快速封閉成環(huán)和整體沉降控制。此外，襯砌過(guò)程中需拆除臨時(shí)支撐，會(huì)引發(fā)二次沉降。因此，CRD工法不適用于對(duì)周邊有管線、城市交通主干道及文物等重要建構(gòu)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(jī)結(jié)合，屬于逆作法施工。采用PBA工法施工的暗挖段有3個(gè)導(dǎo)洞。導(dǎo)洞上的初期受力體系為由邊樁、中樁(柱)、頂?shù)琢杭绊敼靶纬傻膯螌尤缛B拱結(jié)構(gòu)。在頂拱的保護(hù)下可以逐層向下開(kāi)挖土體，施作二次襯砌，最終形成由初期支護(hù)+二次襯砌組合而成的永久承載體系。

導(dǎo)洞及主體頂拱初期支護(hù)采用大管棚及小導(dǎo)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(hù)和模筑鋼筋混凝土的二次襯砌構(gòu)成，并在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)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(hù)；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(kāi)挖中，3個(gè)導(dǎo)洞采用減震爆破+風(fēng)鎬破除。導(dǎo)洞開(kāi)挖按由淺覆土至深覆土的順序，導(dǎo)洞開(kāi)挖面前后錯(cuò)開(kāi)3～5 m。鋼管柱及圍護(hù)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(jī)械破除。

2.3 PBA工法的施工控制措施

PBA工法的關(guān)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(nèi)施工作業(yè)，而頂拱施工工序較為復(fù)雜，因此， PBA工法的技術(shù)難點(diǎn)為：解決好樁柱梁體系及頂拱形成過(guò)程中的力學(xué)轉(zhuǎn)換及平衡，確保樁柱梁及頂拱體系施工質(zhì)量，防止結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)和破壞，避免出現(xiàn)地面及拱部的沉降超限和局部坍塌。

針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)，PBA工法的施工控制措施為：

1) 采用有限元法對(duì)各步序工況進(jìn)行模擬分析，確定支護(hù)的強(qiáng)度及剛度。這是安全保證的理論基礎(chǔ)。

2) 采用全過(guò)程信息化管理，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)測(cè)，實(shí)施動(dòng)態(tài)化施工，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)、信息反饋、位移反分析來(lái)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。這是安全保證的主要手段。

3) 在多個(gè)小導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，進(jìn)行工況分析，合理開(kāi)挖順序，先施工兩側(cè)導(dǎo)洞，拉開(kāi)一定距離后，再施工中部導(dǎo)洞，相鄰導(dǎo)洞之間錯(cuò)開(kāi)一定距離施工，減少圍巖擾動(dòng)次數(shù)，減小群洞效應(yīng)。

4) 該項(xiàng)目地處富水地層，故還要加強(qiáng)降水，做好配合工作，做好洞內(nèi)的散水排放和注漿止水工作，保證無(wú)水作業(yè)，以避免局部坍塌或流砂等現(xiàn)象。

5) 在頂拱和小導(dǎo)洞拱部開(kāi)挖前，采取小導(dǎo)管注漿超前加固地層，架設(shè)臨時(shí)支撐，及時(shí)噴射混凝土，以保證開(kāi)挖及支護(hù)安全。

6) 根據(jù)地質(zhì)條件及導(dǎo)洞工作面大小，采用人工挖孔成樁進(jìn)行邊樁及中柱鋼護(hù)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(xì)砂填密實(shí)。

2.4 施工期間的鼓樓監(jiān)測(cè)分析

在施工過(guò)程中，對(duì)文物鼓樓城闕、碑樓及石碑和周邊環(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)控。

對(duì)鼓樓墻體至基坑開(kāi)挖處進(jìn)行不均勻沉降監(jiān)測(cè)。累計(jì)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(jiàn)，不均勻沉降差值總量較小。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，城闕與碑樓水平位移變化總量較小。

振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果為：城闕振動(dòng)速度變化范圍為0.01～1.93 mm/s，碑樓振動(dòng)速度變化范圍為0.03～1.66 mm/s，石碑振動(dòng)速度變化范圍為0.01～1.75 mm/s。各處振動(dòng)速度值主要分布如表1所示。

表1 各處振動(dòng)速度值主要分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，局部振動(dòng)速率已超過(guò)原監(jiān)測(cè)方案規(guī)定的報(bào)警值(木結(jié)構(gòu)報(bào)警值為0.30 mm/s，城墻及城闕報(bào)警值為0.45 mm/s)。但根據(jù)GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》，一般古建筑與古跡安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為1.0～3.0 mm/s。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡視和檢測(cè)結(jié)果，爆破振動(dòng)雖然有少量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度超出原方案規(guī)定的報(bào)警值，但振動(dòng)并沒(méi)有對(duì)鼓樓主體結(jié)構(gòu)造成損傷。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，城闕加固預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力變化無(wú)明顯規(guī)律，大部分預(yù)應(yīng)力筋在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中內(nèi)力變化程度較小(5%左右)。結(jié)合城闕既有裂縫觀測(cè)，可以判斷城闕結(jié)構(gòu)完整性未受到地鐵施工影響。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵車站設(shè)計(jì)施工中的古建筑保護(hù)具有特殊性和針對(duì)性。對(duì)古建筑這類環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制，一般會(huì)在一定的安全距離情況下選擇合適的施工工法。

本文結(jié)合南京地鐵4號(hào)線鼓樓站工程側(cè)穿鼓樓文物進(jìn)行分析。對(duì)文物鼓樓的現(xiàn)狀進(jìn)行了專業(yè)的檢測(cè)及評(píng)估，得出了各結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)古建筑本體采取了臨時(shí)加固措施；詳細(xì)分析了暗挖大跨

結(jié)構(gòu)PBA工法的適用性及施工中的控制措施。PBA工法增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以支撐鼓樓建筑帶來(lái)的側(cè)向壓力；PBA工法的爆破開(kāi)挖工程量少且初支封閉早，可減少爆破施工對(duì)地層的多次擾動(dòng)；PBA工法拱頂二襯結(jié)構(gòu)施工較早，上部初支的暴露時(shí)間短，依靠較早形成的樁、梁、拱整體結(jié)構(gòu)的可靠支撐，有利于減小地面沉降值，保證鼓樓建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，PBA工法施工變形控制較好，可以有效地保護(hù)古建筑的安全。