地鐵站施工對(duì)鄰近文物建筑穩(wěn)定性的影響及控制措施研究

陳 偉

［英泰克工程顧問(wèn)（上海）有限公司，上海200120］

0 引 言

興建的城市地鐵，在給人們出行帶來(lái)便利的同時(shí)，也對(duì)其周邊建筑物、管線(xiàn)及橋梁等的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。這一問(wèn)題現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)之一。黃龍湘通過(guò)查詢(xún)大量工程實(shí)例資料，提出了建筑物沉降變形控制參數(shù)與建筑物損壞等級(jí)之間的關(guān)系[1]；桂志敬等通過(guò)研究疊落式暗挖與盾構(gòu)隧道施工變形，提出采用超前注漿方法控制地層變形[2]；Burland 和 Wroth 認(rèn)為，應(yīng)該摒棄經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，認(rèn)真研究導(dǎo)致破壞建筑物的根本原因[3]；孔秋珍等將地面沉降值按 Peck 曲線(xiàn)分為凸區(qū)和下凹區(qū)，認(rèn)為隧道縱向方向是先受壓再受拉[4]；侯學(xué)淵等分析了大量的地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了適合上海軟土地區(qū)盾構(gòu)法施工引起地層固結(jié)沉降的觀點(diǎn)[5]；唐志誠(chéng)等根據(jù)工程實(shí)際在南京地鐵某區(qū)間進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用于工程中[6]。

由于地鐵往往布設(shè)在城市的發(fā)達(dá)區(qū)域，高樓林立，或穿過(guò)文物保護(hù)區(qū)，且隧道斷面較大，開(kāi)挖影響土體應(yīng)力重新分布且影響范圍較廣，因此，地鐵施工前應(yīng)先對(duì)鄰近建筑物或文物保護(hù)區(qū)等采取保護(hù)措施，確保建筑物或文物保護(hù)區(qū)的穩(wěn)定。

筆者以江蘇省南京市渡江勝利紀(jì)念碑（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“紀(jì)念碑”）沉降變形為工程背景，在地鐵隧道施工前對(duì)紀(jì)念碑的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討地下連續(xù)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地連墻”）等圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)其穩(wěn)定性的影響，繼而為地鐵站（下關(guān)站）施工制定紀(jì)念碑沉降變形的控制措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

紀(jì)念碑位于南京市下關(guān)區(qū)熱河路廣場(chǎng)中心，廣場(chǎng)平面形狀為圓形，半徑為30.0 m。紀(jì)念碑外觀呈雙帆船形，白色雙帆正中懸掛一枚直徑為2.5 m、重約400kg 的銅質(zhì)渡江紀(jì)念章。碑身由兩片厚度為700mm 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土曲面墻組成，墻內(nèi)配置雙層雙向鋼筋網(wǎng)，并設(shè)有環(huán)形箍筋對(duì)拉；頂部由兩塊鋼筋混凝土橫隔板連接一體，頂標(biāo)高為23.4 m，曲面半徑為12.0 m；碑座為紫絳色船體。該范圍內(nèi)地表主要由人工填土及軟塑～流塑狀的（淤泥質(zhì)）粉質(zhì)黏土等組成，在地鐵站施工過(guò)程中，極易發(fā)生地基失穩(wěn)、滲水、坍塌及掉塊等現(xiàn)象。

紀(jì)念碑距地鐵5號(hào)線(xiàn)與9號(hào)線(xiàn)換乘站最近距離為2.9 m，車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬22.65 m～22.72 m，主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)為338.145 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深為17.2 m～18.1 m，端頭井底板埋深為19.2 m～19.4 m。由于下關(guān)站的開(kāi)挖規(guī)格尺寸較大，施工中還會(huì)發(fā)生動(dòng)荷載擾動(dòng)現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)鄰近紀(jì)念碑的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在下關(guān)站未開(kāi)挖施工前，應(yīng)及時(shí)采取措施對(duì)紀(jì)念碑進(jìn)行加固處理，如現(xiàn)采取的加固地連墻及其相關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的措施。但是，由于加固地連墻鄰近紀(jì)念碑施工，施工過(guò)程中的各種動(dòng)荷載擾動(dòng)往往會(huì)破壞紀(jì)念碑地基的整體結(jié)構(gòu)。此外，地連墻規(guī)格尺寸相對(duì)較大、地基土承載能力較弱、混凝土注漿不及時(shí)等，也都可能對(duì)紀(jì)念碑的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2 紀(jì)念碑監(jiān)測(cè)方案布置

根據(jù)紀(jì)念碑監(jiān)測(cè)等級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)勘查實(shí)際情況，確定紀(jì)念碑主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量（見(jiàn)表1和圖1）。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括以下兩個(gè)方面。

圖2 紀(jì)念碑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

表1 紀(jì)念碑主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

（1）紀(jì)念碑周邊地表豎向位移。沿基座周邊每隔10m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并且使其與碑身豎向位移測(cè)點(diǎn)位置一致，共布設(shè)11個(gè)周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）紀(jì)念碑豎向位移及其傾斜度。鄰近紀(jì)念碑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，包括地連墻施工等，將對(duì)紀(jì)念碑及其周?chē)鼗a(chǎn)生擾動(dòng)，因而要對(duì)紀(jì)念碑進(jìn)行豎向位移及對(duì)其周邊裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量采用紀(jì)念碑上的測(cè)量標(biāo)志。若沒(méi)有測(cè)量標(biāo)志，則在離墻角50cm 處的墻面上鉆孔，埋入成“L”型的 Φ14 圓鋼筋，并用混凝土進(jìn)行澆注固定；若墻面不可鉆孔，則可粘貼沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)志。

3 紀(jì)念碑沉降結(jié)果分析

從2018年4月13日起，紀(jì)念碑的監(jiān)測(cè)工作一直在進(jìn)行當(dāng)中。為了便于研究紀(jì)念碑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程對(duì)其穩(wěn)定性的影響，選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前后階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即2018年5月1日至8月31日的關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵點(diǎn)分別為：紀(jì)念碑東側(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)（DB10-1、DB10-2、DB10-3、DB10-4）、紀(jì)念碑東北側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)（B04-1、F4、B03-1）、紀(jì)念碑西南側(cè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)（F10、JM6、JM5）、紀(jì)念碑南側(cè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)（B07-2、B08-2）。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：紀(jì)念碑東側(cè)、東北側(cè)、西南側(cè)及南側(cè)地基均呈現(xiàn)出不同程度的沉降變形，但紀(jì)念碑東側(cè)地基的沉降量相對(duì)于其他三側(cè)較小，并且沉降的增加量逐漸變緩，甚至趨于穩(wěn)定。

由紀(jì)念碑東側(cè)測(cè)點(diǎn)（DB10-1、DB10-2、DB10-3、DB10-4）沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律可知，在2018年5月1日至2018年5月30日期間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工使得東側(cè)測(cè)點(diǎn)均呈單調(diào)沉降趨勢(shì)，最大沉降值依次為2.8 mm、2.2 mm、2.5 mm 和2.6 mm。在2018年6月1日至2018年8月14日期間，測(cè)得紀(jì)念碑東側(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)均呈波動(dòng)沉降變化趨勢(shì)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐分析可知，這是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)施工和機(jī)動(dòng)車(chē)輛行駛過(guò)程中的震動(dòng)引起的，同時(shí)計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)平均每日沉降量分別為0.160 mm/d、0.105 mm/d、0.035 mm/d 和0.003 mm/d。在2018年8月15日至2018年8月31日期間，4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量及平均每日沉降量均較小，此時(shí)東側(cè)測(cè)點(diǎn)處于緩慢沉降期，最大沉降量依次為15.7 mm、10.9 mm、5.1 mm 和3.2 mm。

由紀(jì)念碑東北側(cè)測(cè)點(diǎn)（B04-1、F04、B03-1）沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律可知，東北側(cè)3測(cè)點(diǎn)沉降變化分為兩個(gè)階段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波動(dòng)沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的緩慢沉降期。在波動(dòng)沉降期，紀(jì)念碑東北側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)共同受到周?chē)S護(hù)施工和機(jī)動(dòng)車(chē)行駛震動(dòng)的影響，其沉降量呈波動(dòng)沉降趨勢(shì)，同時(shí)計(jì)算得出該階段測(cè)點(diǎn)平均每日沉降量分別為0.196 mm/d、0.195 mm/d 和0.177 mm/d；在緩慢沉降期，紀(jì)念碑東北側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降量的變化幅度顯著減小，最大沉降量分別為21.3 mm、21.1 mm 和18.1 mm。

由紀(jì)念碑西南側(cè)測(cè)點(diǎn)（F10、JM6、JM5）沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律可知，該側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降變化規(guī)律與東北側(cè)測(cè)點(diǎn)一致，也相應(yīng)地將西南側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降變化分為兩個(gè)階段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波動(dòng)沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的緩慢沉降期。在波動(dòng)沉降期，紀(jì)念碑西南側(cè)測(cè)點(diǎn)的平均每日沉降量分別為0.55 mm/d、0.31 mm/d 和0.40 mm/d；在緩慢沉降期，紀(jì)念碑西南側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降量及平均每日沉降量顯著減小，最大沉降量分別為67.5 mm、24.6 mm 和34.5 mm。

由紀(jì)念碑南側(cè)測(cè)點(diǎn)（B07-2、B08-2）沉降隨時(shí)間變化規(guī)律可知，該側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降變化規(guī)律與東北側(cè)測(cè)點(diǎn)一致，也相應(yīng)地將南側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降變化規(guī)律分為兩個(gè)階段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波動(dòng)沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的緩慢沉降期。在波動(dòng)沉降期，紀(jì)念碑南側(cè)測(cè)點(diǎn)的平均每日沉降量分別為0.51 mm/d 和0.58 mm/d；在緩慢沉降期，紀(jì)念碑南側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降量及平均每日沉降量顯著減小，最大沉降量分別為67.6 mm 和70.6 mm。

由上述綜合分析可知，紀(jì)念碑周?chē)两底冃纬尸F(xiàn)差異性，東側(cè)及東北側(cè)相對(duì)于西南側(cè)、南側(cè)沉降量較小，表明此時(shí)的紀(jì)念碑具有從東北側(cè)向西南側(cè)傾斜的趨勢(shì)，同時(shí)隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)施工，紀(jì)念碑向西南傾斜的趨勢(shì)會(huì)有所改善。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研及地質(zhì)概況分析表明，造成紀(jì)念碑傾斜的因素眾多，但主要有以下兩種。

（1）紀(jì)念碑地表范圍內(nèi)為人工充填土及粉質(zhì)黏土等，承載能力較弱，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖時(shí)往往引起地基結(jié)構(gòu)空間里土體失穩(wěn)、坍塌或掉塊等，進(jìn)而影響紀(jì)念碑的穩(wěn)定性。

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中發(fā)生動(dòng)荷載擾動(dòng)，開(kāi)挖空間未及時(shí)充填，充填物未及時(shí)形成承載體或圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理性等。

4 紀(jì)念碑穩(wěn)定性控制措施及其建議

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，土體開(kāi)挖往往會(huì)破壞紀(jì)念碑原地基土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得土體應(yīng)力重新分布，甚至出現(xiàn)土體掉塊等現(xiàn)象，從而造成紀(jì)念碑沉降和傾斜。因此，紀(jì)念碑的穩(wěn)定控制措施主要包括以下兩個(gè)方面：一方面，提高紀(jì)念碑自身剛度和承載力結(jié)構(gòu)等；另一方面，減少紀(jì)念碑周邊的施工擾動(dòng)，并且改善其周邊土體力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高土體承載力。

（1）優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如地連墻）施工工序，盡量減少施工對(duì)紀(jì)念碑周?chē)馏w的動(dòng)荷載擾動(dòng)。

（2）采取注漿預(yù)加固周?chē)馏w時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整漿液配比，確保注漿液能夠與土體形成統(tǒng)一整體，共同承載紀(jì)念碑的重力作用，減小其沉降和傾斜程度。

（3）對(duì)紀(jì)念碑自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

對(duì)比分析紀(jì)念碑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，發(fā)現(xiàn)紀(jì)念碑不同側(cè)面的沉降量都已經(jīng)達(dá)到較大值并出現(xiàn)微傾斜現(xiàn)象，而此時(shí)下關(guān)站基坑未開(kāi)挖，就已經(jīng)發(fā)生了較大的沉降變形。因此，在隧道基坑開(kāi)挖之前，應(yīng)對(duì)紀(jì)念碑周邊土體進(jìn)行加固并取樣監(jiān)測(cè)，確定該加固措施能保證紀(jì)念碑的穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)紀(jì)念碑監(jiān)測(cè)級(jí)別及現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，對(duì)紀(jì)念碑沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了合理布置，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括紀(jì)念碑周邊地表豎向位移和紀(jì)念碑豎向位移等。根據(jù)紀(jì)念碑沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究分析了紀(jì)念碑東側(cè)、東北側(cè)、西南側(cè)及南側(cè)的差異性沉降變形情況，結(jié)果表明，紀(jì)念碑呈現(xiàn)由東北側(cè)向西南側(cè)傾斜的特征；對(duì)比各布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量及平均每日沉降量可知，紀(jì)念碑西南側(cè)測(cè)點(diǎn)（F10）和南側(cè)測(cè)點(diǎn)（B08-2）的沉降量和平均每日沉降量最大，分別為67.50 mm、70.60 mm 和0.55 mm/d、0.58mm/d。隨著圍護(hù)施工的繼續(xù)進(jìn)行，各測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出緩慢沉降的態(tài)勢(shì)，紀(jì)念碑的穩(wěn)定狀態(tài)有所改善。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研及地質(zhì)概況分析表明，造成紀(jì)念碑沉降變形的原因主要包括以下兩個(gè)方面：一是紀(jì)念碑地基土承載性能較差，開(kāi)挖易發(fā)生失穩(wěn)；二是鄰近紀(jì)念碑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的動(dòng)荷載擾動(dòng)、開(kāi)挖空間未及時(shí)充填、充填物未及時(shí)形成承載體等。因此，紀(jì)念碑的穩(wěn)定控制措施主要圍繞以下兩項(xiàng)內(nèi)容展開(kāi)：一是提高紀(jì)念碑自身剛度和承載力結(jié)構(gòu)等；二是減少紀(jì)念碑周邊施工擾動(dòng)，并且改善其周邊土體力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高土體承載力。