地铁深基坑邻近既有古建筑施工安全评估

张艳鸽 安应选

【摘要】随着城市轨道交通的发展，地下交通产生了大量的深基坑工程，并且深基坑工程通常位于城市繁华区域，深基坑设计方案不当就会对周边建筑物、地下管线造成非常严重的后果，所以深基坑的研究显得尤为重要。本文以西安地铁四号线五路口站为例，介绍了地铁车站深基坑邻近国家重点文物保护单位——西京招待所的施工安全评估分析。目前国内没有相关古建筑保护规范和经验可以借鉴，本文通过古建筑基础沉降控制标准制定，运用Midas/GTS有限元数值模拟分析地表沉降引起房屋基础不均匀沉降过程达到评估房屋结构安全的目的，为今后同类工程的施工提供参考。

【关键词】地铁车站深基坑；古建筑；控制标准；基坑支护；有限元分析；文物保护

1、工程简介

五路口站是西安地铁一号线与四号线的换乘站，一、四号线车站呈“T”字岛岛换乘。四号线车站位于解放路与东五路十字南侧，呈南北走向布置在解放路下方，一号线为地下两层岛式站台车站，四号线为地下三层岛式站台车站，目前一号线车站主体已开通运营。

西京招待所位于西安城内解放路与西四路交叉处西北角，建于20世纪30年代，现为国家重点文物保护单位。该建筑平面呈“L”型布置，总建筑面积约8320m2，为地上两层砖木结构房屋，基础形式为墙下条形基础。西京招待所现状照片如图1-1所示。

图1-1西京招待所现状照片

西京招待所位于五路口车站基坑西侧，距离五路口站主体基坑约12m，与车站基坑伴行距离约24m西京招待所与五路口站主体结构相对位置见图1-2。

图1-2 西京招待所与车站基坑位置关系断面图

2、西京招待所房屋基础沉降控制标准

参考西安地铁一号线穿越朝阳门的沉降控制标准的实际累计沉降和《建筑地基基础设计规范》中局部倾斜控制量提高1倍安全系数，提出控制标准如下表2-1。

表2-1 沉降控制标准

最大沉降值（mm） 最大沉降预警值（mm） 最大沉降报警值（mm） 最大隆起值（mm） 局部倾斜

西京招待所房屋基础 15 12 10.5 5 0.001

3、五路口车站深基坑支护方案拟定

由于该文物位于车站主体基坑开挖及降水主影响区域，结合本站水文地质概况，并借鉴西安地铁已建类似工程经验，车站深基坑拟采取以下支护及降水方案。

1）为了有效减少基坑开挖引起的地面沉降，本工程拟采用刚度较大的钻孔灌注桩+内支撑方案。钻孔桩直径1.2m间距1.5m，插入深度9m。基坑标准段竖向设置4道支撑，其中第一道采用钢筋混凝土支撑。二～四道采用壁厚16mm的钢管内支撑。

2）车站位于解放路上，由于交通疏解要求，本站采用半幅盖挖顺筑法施工，为有效约束基坑侧壁变形及位移，车站基坑中间设置直径1.5m间距6m混凝土临时立柱桩。

3）由于车站基坑距离西京招待所这座国家重点文物保护单位水平距离仅12m，常水位约地下9m。为避免施工降水对西京招待所产生不利影响，施工降水采用坑外旋喷桩帷幕止水，坑内降水的方案。支护结构方案见图3-1。

图3-1 五路口站围护结构断面图

4、 基坑开挖对文物影响的数值模拟分析结果及结论

1） 深基坑开挖数值模拟分析

基坑的开挖过程是土体的移去和支护（围护结构+内支撑）的修筑过程，故在数值模拟中采用单元的钝化和激活单元的方法来模拟土体的开挖与支护的修筑过程，即开挖土体是在模型中钝化相应部分的单元，而地下连续墙及支撑为相应需要激活的单元。

本站基坑深23.15m，宽 22.9m，竖向分为4步开挖，每步开挖后依次架设一道支撑，4步开挖，即4道支撑，φ1200mm@1500mm钻孔桩，嵌入地层9m。据调查，西京招待所基础形式为浅基础，建立建筑物-基坑-地层三者相互作用的三维数值模型，研究基坑开挖对房屋的影响情況。建好后的房屋-基坑-地层模型，模型长240m，宽180m，高40m。如图4-1所示。

图4-1 模型三维图及监测点分布

2） 深基坑开挖过程数值计算

本车站基坑深23 m，竖向分4层开挖，架设一道支撑后，随即挖土至下一道支撑相应的标高，整个模拟过程有4个分析工况如图4-2所示。

工况一 工况二

工况三 工况四

图4-2 计算分析工况

3）各工况地表沉降计算结果

工况一 工况二

工况三 工况四

图4-3 基坑开挖地表及地层沉降分布图

通过模型计算结果可以看出：图4-3给出了西京招待所基础所在位置地表沉曲线图，可以看出基坑开挖使得连续墙外形成沉降槽。数值模拟中，连续墙和土体之间无相对位移，可协调变形，所以在邻近基坑的地面处，连续墙和土体的这种抑制土体的沉降变形，使得地面沉降量最大点位置本该出现在基坑最近的地处，却又出现向背离基坑方向移动，这和大多数文献模拟出的地面沉降变形相似。通过提取数据，最大值沉降在房屋基础东南角处，距离基坑边15m，最大值为9.8mm，房屋基础最大差异沉降为0.2%，满足本文制定的安全控制标准。

5、文物保护措施及应急预案

1）文物保护措施

地铁车站深基坑施工对西京招待所的影响主要是深基坑开挖期间的地面沉降引起建筑物基础不均匀沉降。针对地面沉降控制需要从基坑支护结构选型、基坑降水方式、基坑施工工法选择和施工技术方面采取措施。

（1）围护结构采用φ1200mm@1500mm+内支撑支护形式，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，可较大加强基坑围护结构自身强度和稳定性。

（2）为避免施工降水造成地面沉降过大，本站基坑采用旋喷桩止水+坑内降水的设计思路，要求施工现场严格控制旋喷桩施工质量，保证施工期间基坑外侧水位的稳定，并做好水位监测。

（3）基坑采用半铺盖施工，铺盖系统选用六四式军用梁结构，可有效约束围护结构侧墙位移，从而减小基坑周边地表沉降，提高基坑围护结构自身刚度和稳定性。

2）西京招待所保护应急预案

参考西安地铁一、二号线施工经验，在施作加固方案时加固过程本身就会对加固对象产生影响。为避免房屋由于先期预埋注浆管时就对房屋本身产生不利的影响，按照计算和工程经验，可以不对西京招待所房屋进行先期加固。但是为了保证万无一失，本次保护方案根据施工监测情况，若发现房屋基础发生不均匀沉降超过警戒值，应立即停止基坑开挖，施做袖阀管注浆加固。

（1）西京招待所地基加固方案

根据现有加固设计方案计算结果，采用化学注浆法加固设计方案通过增大地层变形模量减少了沉降量，提高了深基坑影响深范围地层抵抗不均匀变形的能力，是有效的加固方案。

（2）西京招待所地基加固范围

在房屋基础四周打设两排袖阀管注浆，间距1.0m×1.0m，梅花形布置，加固范围为地面以下3～10m，根据监测情况，跟踪注浆。注浆可采用水泥-水玻璃双液，以便能调节浆液凝固时间。注浆过程中应注意控制注浆压力，防止注浆压力过大，造成对房屋基础的破坏。

6、结语

由于大量地铁车站深基坑位于闹市区，距离周边建筑物较近。深基坑工程设计和施工给工程师带来了越来越严峻的挑战，尤其是地铁车站深基坑邻近国家重点文物保护单位时需更加谨慎对待，稍有不慎就可能对古建筑造成无法弥补的损害，因此合理地预估基坑开挖引起地面沉降对周边建筑物的影响程度是工程师做深基坑设计方案时面临的重要工作。本文通过制定古建筑沉降控制标准和数值分析评估了地铁车站深基坑施工期間邻近文物单位古建筑的安全在制定标准范围内，并提出了针对该文物的应急保护方案，为今后类似工程提供参考。

参考文献

[1] 《地铁设计规范》（GB50157-2013）。

[2] 《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）。

[3] 《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）。

[4] 《基坑工程手册》刘建航 侯学渊 中国建筑物工业出版社。

[5] 《西安地铁一号线穿越西安城墙朝阳门、玉祥门文物保护方案》 2009年12月。

[6] 《深基坑开挖对周边建筑物的影响分析》 马以雷 2010年6月。

[7] 《预估深基坑开挖对周边建筑物影响的简化分析方法》 王卫东 徐中华 2010年7月。