明挖法施工对文物级保护建筑的影响分析

林家桢

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



明挖法施工对文物级保护建筑的影响分析

林家桢

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

文物级保护建筑较一般建筑而言，对沉降和变形的要求更为严格。明挖法施工地铁车站时，开挖主体结构基坑、附属结构基坑，必然会对建筑的变形、位移产生一定影响，需采取针对性的保护措施确保建筑的基础安全、正常使用。文章依托具体工程，针对文物级保护建筑沉降控制要求，研究确定了明挖基坑过程中对文物级建筑基础的保护措施，包括监测点布设、信息反馈、预警机制、处理措施等。对类似明挖基坑对重要环境风险源的工程具有一定的参考价值。

监测； 预警机制； 明挖法； 沉降； 变形控制

随着城市轨道交通的快速发展，明挖法施工地铁车站的应用越来越多。一般情况下地铁车站位于城市的中心区域，车站周围的环境较为复杂，基坑开挖时势必对周围建筑物特别是对文物建筑产生不利影响。如何通过系统的监测保证建筑物的安全，成为一个越来越重要和复杂的课题。

国家级、省级文物保护建筑与一般建筑物相比，沉降控制、倾斜控制的要求更为苛刻。因此，有必要针对性的研究对文物级保护建筑的相关保护和控制措施[1-3]。

1 工程概况

哈尔滨市兆麟公园站位于友谊路与兆麟公园交口东侧，沿友谊路方向布设。友谊路宽30 m，双向8车道。该站为地下3层岛式站台车站，站台宽度11 m，车站长150 m，标准段宽19.9 m，盾构井段宽23.9 m，纵向坡度为2 ‰下坡。车站共设2座风道及3个出入口，1号、2号风道均位于兆麟公园内，1号、2号出入口位于友谊路南侧兆麟公园外人行道，3号出入口预留，4号出入口位于井街西侧。车站主体采用明挖法施工，附属采用明挖法施工。

车站北侧李兆麟将军墓为省级文物保护单位，墓基正方形，砖石水泥结构，浅基础。

基坑开挖与文物保护建筑的平面如图1、图2所示。

图1 文物保护建筑平面布置

图2 基坑与文物保护建筑位置关系

1.1 控制标准

综合分析国内外相关标准规范、专家建议以及工程实际经验，参照国内已开展过的地铁建设工程所致地面沉降控制标准，基于地铁3号线二期工程沿线保护建筑安全稳定的沉降控制标准确定为：任意一点文物建筑地基允许最大沉降控制值-5～+5 mm以内，文物建筑地基沉降差异控制值在5 mm以内，沉降速率控制在0.2 mm/d以内，整体倾斜控制在0.0005以内，水平位移控制在10 mm以内[4-5]。

1.2 文物保护工程措施

为减小施工对保护建筑物的影响，设计时有如下针对性考虑：

(1)对兆麟公园站的车站站位及1号出入口、1号风亭位置进行反复核对，通过采用设计规范极限要求的计算方法来确定远离文保建筑的极限，以达到既对文保建筑的影响切实降至最低，又满足地铁安全可靠、平稳运行的标准。根据目前核对的结果，涉及李兆麟将军墓的兆麟公园站的站位及1号出入口、1号风亭位置已达到了标准临界状态。

(2)兆麟公园站主体基坑围护结构采用了1 000 mm厚地下连续墙，竖向设置6道支撑加1道倒撑，其中第1道支撑采用混凝土支撑，其余5道支撑为φ609钢管支撑。1号风亭采用了800 mm厚地下连续墙，竖向设置4道支撑加1道倒撑，5道支撑均为φ609钢管支撑。围护支撑体系整体刚度大、稳定性好。同时减小基坑分段开挖长度，严格遵循先撑后挖的施工顺序及时浇筑底板，可大大减少车站基坑开挖对建筑物的影响。

考虑到对文保建筑的保护除从地铁自身角度控制外，也要从文保建筑本体予以考虑。为此，制定了专项监测方案及应急预案，通过信息化施工实际控制周边地层稳定和文保建筑在施工过程中的安全稳定。

(3)为了避免震动过大对周边文保建筑产生损害性影响，确定不使用打桩机、风镐等震动较大的机械设备，围护结构使用成槽机、铣槽机等震动较小机械进行施工。严格控制在破除路面基层、拆除地下既有不明结构时的震动对周边文保建筑物的影响，通过调整工序、控制振动频率等措施将对文保建筑物的影响降至最低。同时，制定严密的监测、应急方案，重点对文保建筑沉降、倾斜、裂缝及震动损坏及时观测和控制。

1.3 文物监测及风险管理

在地铁3号线二期工程的各个阶段均须对所涉及的文物保护单位和车站基坑制定完善的监测方案，重点监测其沉降、倾斜、裂缝发展等情况，并制定预警值、报警值和控制值，及时反馈监测信息，同时制定施工应急预案，做到信息化施工。

地铁3号线二期工程采用信息化设计和施工。现场监控量测是监视周围地层稳定、判断支护结构设计是否合理、施工方法是否正确的重要手段，监控量测工作必须按要求贯穿地铁建设和运营全过程。主要监测项目包括:基坑及地表沉降;文物建筑沉降、倾斜、裂缝。

2 数值模拟分析

2.1 模型参数

本次车站施工对保护建筑物影响分析采用的计算软件为MIDAS-GTS NX，采用的土的本构模型为修正摩尔库伦模型。

2.2 计算模型

对于李兆麟将军墓，主要的影响因素为兆麟公园站主体基坑及1号出入口、1号风亭基坑施工。兆麟公园站为地下3层岛式车站，车站长150 m，标准段宽19.9 m，盾构井段宽23.9 m，标准段基坑深约24.92 m。主体围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙，竖向设置6道支撑加1道倒撑，第1道内支撑为钢筋混凝土支撑，其余支撑为φ609钢管支撑。1号出入口基坑宽约8.9 m，深约11.4 m。1号出入口围护结构采用600 mm厚地下连续墙，竖向设置2道φ609钢管支撑。1号风亭基坑宽约15.5 m，深约19.0 m，其围护结构采用800 mm厚地下连续墙，竖向设置4道支撑加1道倒撑，均为φ609钢管支撑。施工影响分析及计算结果见图3～图5。

图3 模型概况

图4 主体基坑开挖后墓碑沉降

图5 附属基坑开挖后墓碑沉降

2.3 计算结果分析及结论

经分析计算，基坑开挖及结构施工对建筑物影响较小，引起的最大沉降累计值为3.70 mm，沉降差3.70 mm，倾斜0.000 1，水平位移0.2 mm。李兆麟将军墓的总体沉降、沉降差、倾斜、水平位移均小于控制值，可以保证该建筑的安全。

3 监测结果对比分析

在施工期间，对文物级风险源沉降进行了监测，这些数据可以有效的反应基坑开挖对文物级保护建筑的影响，监测结果见图6、图7。

图6 高铁桥墩沉降位移曲线

图7 铁路轨道沉降曲线

通过以上监测数据可以看出，在基坑开挖的施工过程中，文物级保护建筑沉降最大值为-2.2 mm，在正常范围之内。根据监测结果，本次施工采取的保护措施有效地控制了高铁桥桩及列车轨道的沉降。

4 应急预案

为了保证基坑安全，施工前准备必需的应急材料，作好基坑抢险加固准备工作。各相关方须通力合作，采取有效的维护及应急措施，当监测中发现指标超限时，应立即停止基坑开挖作业，并及时通知有关人员，提出对策，采取可靠措施后方可施工。

以下提供主要的安全预案措施供参考，各项措施应根据需要选用：

(1)施工单位应有基坑开挖应急方案，基坑开挖期间应配备必要的设备及材料，例如挖机、注浆机、水泵、砂包、水泥、速凝剂及钢管等。

我很小很小的时候，在澡盆里洗澡，洗完了，澡盆被端走，地上有一个圆圆的水印，我就指着水印说：“太阳！太阳！”据说我当时这样说的时候，是十分激动的。夏天，我赤着脚在地上走，脚上有水，地上就有脚印，我又指着脚印说：“小船！小船！”看来我小时候是有些想象力的，而我现在想象力要比那时糟得多。

(2)应备一定数量的基坑抢险人员，指挥人员应在现场值班。

(3)围护结构水平位移过大时，在基坑内围护墙前堆码砂石袋，增设内支撑。

(4)钢支撑轴力过大时，增设内支撑。

(5)钢立柱轴力过大时，增设临时脚架，对钢立柱进行补强处理。

5 结论与建议

本文通过数值模拟分析及对施工监测数据的分析，总结了基坑开挖对建筑物的影响规律和建议措施，主要有以下几点：

(2)应重视数值模拟对实际施工的有利指导，可以有针对性的对建筑物进行监测，如出现变形过大等情况可及时采取措施。

(3)施工前应提供详细的应急加固方案，保证施工时对文物级建筑物的时刻保护。

[1] SON M, COORDING E J. Estimation of building damage due to excavation-induced ground movements[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(2): 162-177.

[2] FINNO R J, VOSS F T, ROSSOW E, et al. Evaluating damage potential in buildings affected by excavations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(10): 1199-1210.

[3] 刘国彬，王卫东． 基坑工程手册[M]．北京: 中国建筑工业出版社，2009.

[4] 龚晓南, 高有潮. 深基坑工程施工设计手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.

[5] GB 50007—2002 建筑地基基础设计规范[S].

[6] 郑刚, 李志伟. 考虑初始不均匀沉降的建筑物受基坑开挖影响的有限元分析[J]. 岩土力学, 2012, 33(8): 2491-2499.

林家桢(1988～)，男，硕士，助理工程师，主要从事隧道及地下工程方面工作。

TU-87

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[定稿日期]2016-10-26