对邻近文物保护单位的深基坑开挖有限元分析

齐成成，王增吉

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

1 引言

随着城市轨道建设的蓬勃发展，轨道交通成为解决城市交通拥堵问题最有效的手段，然而对于北京、西安、洛阳、南京等历史文化名城来说，在城市轨道交通建设过程中，应始终坚持以文物保护为先，探索协调发展道路，在城市轨道交通得到建设的同时，使历史文化遗产得到持续的保护与利用。通过对实际案例工程的三维有限元分析，结合《中华人民共和国文物保护法实施条例》（中华人民共和国国务院令第377号）及GB/T 50452—2008《古建筑防工业振动技术规范》（以下简称“规范”）等相关规范提出有效措施来保护古建筑物，为其他类似工程提供借鉴和参考。

2 工程概况

2.1 宁波市轨道交通工程2号线招宝山站工程概况

宁波市轨道交通2号线二期工程招宝山站，位于宁波市镇海区城河西路与胜利路交叉口。车站为地下3层3柱4跨箱型混凝土结构。车站基坑标准段宽约24.9～28.7 m，西端头井宽约24.9 m，东端头井宽29.25 m；基坑标准段深约23.88 m，西端头井深约25.74 m，东端头井深约25.44 m；基坑总长约154.6 m（基坑中线）。采用明挖顺作法施工，基坑支护采用地墙（桩）+内支撑的型式，其中，主体围护结构根据周边环境和地质条件采用地下连续墙。吴杰故居距离招宝山站主体结构基坑最近处约36 m。

2.2 吴杰故居概况

吴杰故居为全国重点文物保护单位。始建于光绪二十一年（1895年）。正屋朝南共有3间，边上有2条弄堂，自成院落。分为东、西2院，均为木结构建筑，总占地面积2000 m2。东西两院各有台门、前厅、后厅和左右厢房。前厅面阔5间，进深9檩，前后廊子，重檐楼屋；前后厅为客厅，面阔3间，进深7檩，设前轩后廊。亦是重檐楼屋，均为硬山顶，保存较为完整。

西院建于光绪十二年（1886年），建筑面积约440 m2。前进中轴线上建有台式砖雕大门，门房及左右两厢平房相连。正屋为3间两边弄高楼房，通面阔16.35 m、进深8柱约12.16 m。屋柱、梁架全用串斗式。有阔檐楯，枓拱、月梁等结构均精雕细琢。前后石铺明堂，后明堂布置花坛。后进为花厅，高平屋3间，两厢偏房，明堂布置花坛，门窗等构件较为新颖。

东院建于光绪二十一年（1895年），建筑面积572 m2。由2个单元组成。前幢为幕僚用房，坐东面西，外有门楼，屋前有甬道通向正屋。里单元正屋为坐北朝南高楼房3间加两边弄，通面阔18.45 m，进深9.84 m，柱梁采用串斗式，阔檐楯、卷蓬式檐廊，枓拱、月梁、猫儿梁等构件均精雕细刻各种图案，金漆涂料，相当华贵。前由石铺大明堂、砖雕台式大门，一派官府气势。

3 基于文物安全稳定的控制标准研究

3.1 明挖法施工沉降研究综述

地铁车站基坑工程多数集中在市区，施工场地狭小，周围环境条件复杂，基坑工程不仅要保证维护结构本身的安全，还要保证周围建、构筑物的安全和正常使用。基坑工程的变形主要由围护结构位移、周围地表沉降及基坑底部隆起3部分组成，三者之间存在耦合关系。通常情况下，明挖法施工的车站引起的变形以水平位移和沉降为主，水平位移和沉降变形在支撑较弱情况下以半抛物线形式存在，即基坑边位移最大，随着与基坑距离的增大，基坑变形逐渐减少，在基坑地质较好地段约在1倍基坑深度位置基坑变形即趋于零。基坑地质较差地段变形影响宽度可达2～3倍的基坑深度。

在施加了支撑体系的情况下，影响围护结构水平位移的主要因素包括维护结构刚度、支撑刚度、腰梁刚度、支撑高度及层数、支撑水平间距等，其中，支撑高度及层数影响最为显著。增大围护结构刚度、支撑刚度和腰梁刚度均可减少围护结构的水平位移，前者效果最好。减少支撑水平间距可以有效减少围护结构的水平位移。综合分析相关标准规范以及工程实际经验，参照国内已开展过的地铁建设工程所确定的文物地面沉降控制标准，基于吴杰故居文物保护单位具体情况，建议安全稳定的沉降控制标准为：建筑物总沉降量不超过+5～-15mm，局部倾斜不超过1‰。

3.2 振动控制标准研究

针对振动对邻近建筑物的影响，国内外制定了相关的控制标准及规定，且多用峰值速度作为建筑物振动安全控制指标。综合分析国内外相关标准规范，参照国内已开展过的地铁建设工程所确定的文物振动控制标准，基于吴杰故居文物保护单位具体情况，限定安全稳定的振动控制标准不超过0.20 mm/s。

4 轨道交通施工对文物保护单位的影响分析及保护措施

4.1 施工期对文物保护单位的影响分析及保护措施

深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，还要有效控制基坑周围地层移动以保护周围环境。在软土地区，特别是在软土地区的城市建设中，由于地层软弱复杂，进行基坑开挖往往会产生较大的变形，严重影响紧靠深基坑周围的建筑物、地下管线、交通干道和其他市政设施，因而是一项很复杂而具有风险性的工程。由于招宝山主体围护结构基坑距离吴杰故居最近约36 m，为了有效控制吴杰故居的房屋沉降及基础差异沉降，主要采取以下保护措施：（1）围护结构采用刚度大的地连墙支护；（2）地下连续墙采用GXJ接头；（3）第一、五道支撑采用混凝土撑；（4）设置钢支撑伺服系统；（5）对本站基坑进行地基加固；（6）采用加深地连墙隔断承压水；（7）文物周边预埋跟踪注浆管，不提前注浆，跟踪注浆在严格信息化施工管理下进行，根据观测点的沉降数据选择合适的注浆点适时启动注浆口进行补充跟踪注浆，对沉降部位抬升，施工时须进行即时监测，控制抬升量；（8）制订完善的监测方案，重点监测其沉降、倾斜、裂缝发展等情况，并确定预警值、报警值和控制值，制订针对性保护措施及应急预案，做好应急物资储备。施工过程中应加强对吴杰故居的保护与监测，及时反馈监测信息，做到信息化施工，并根据监测结果采取必要的应对措施。

本工程采用MIDASGTSNX有限元软件对基坑开挖及周边环境进行三维计算分析[1]。分析不同工况下围护结构的变形、内力、周边建筑物变形及周围地层变形。本工程三维模型尺寸为310 m×190 m×109 m，采用混合网格生成器，划分为12697个单元，16755个节点元，其中对围护结构、周边建筑物以及周围土体进行重点细分。

MIDAS GTS-NX是MIDAS旗下的一款岩土仿真产品，能够迅速完成对岩土及隧道结构分析与设计的岩土隧道结构专用有限元分析软件，本工程采用MIDAS GTS NX有限元软件进行三维计算分析。

土层简化为水平层状分布的弹塑性材料，本构模型采用修正-莫尔库仑弹塑性模型。土体、地基加固区采用三维实体单元模拟，基坑支撑、钻孔桩、钻孔灌注桩围护结构均采用1D2D结构单元模拟。模型的前后左右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加约束。根据基坑实际开挖时序及结构回筑顺序进行施工步骤模拟。基坑三维模型如图1所示。

图1 基坑三维模型

4.2 计算结果统计及分析

本项目主要统计地块基坑施工引起的吴杰故居的位移及沉降。根据计算分析，吴杰故居最大沉降9.7 mm，最大差异沉降5.1 mm，基坑开挖引起最大差异沉降率0.13‰。基坑开挖引起房屋最大沉降满足+5～-15 mm的限值要求，基坑开挖引起差异沉降率满足1‰的限值要求。

4.3 运营期间对文物保护单位影响分析及保护措施

运营期间的影响主要是列车运行引起的振动影响。列车运行时，由于轮轨间相互作用产生撞击振动、滑动振动和滚动振动，经轨枕、道床传递至车站，再传递至地面，从而引起文物振动[2]。当列车以一定的速度通过轨道时，车辆和轨道将产生振动，引起振动的原因可归结为5类：（1）移动荷载的波前作用产生的振动；（2）轨枕或扣件的离散支撑，路基刚度变化造成轨道结构刚度变化，列车经过时，产生周期荷载，其周期等于支撑间距除以列车行驶速度；（3）钢轨接头及交叉口处高度的变化，车轮经过时产生冲击力；（4）车轮安装偏心产生的连续不平顺，钢轨的不平顺，钢轨及车轮踏面不均匀磨耗引起的脉冲不平顺；（5）列车运行时的摇头、点头和蛇行所产生的振动[3]。

根据规范，地铁振动对古建筑结构速度响应的确定及评估采用计算法，得出吴杰故居结构最大速度响应值为0.51 mm/s，超标量为0.31 mm/s，为降低地铁振动对古建筑物结构速度响应值，结合已建成地铁线路成功经验，从车辆振动、轨道振动两方面控制最大响应速度：车辆设计过程中严格控制列车振动。整车采用轻量化设计，车体采用整体承载式铝合金框架，有效降低车辆质量，控制列车振动幅值。转向架采用2次减振设计，一是采用钢弹簧，主要减小低频高幅振动；二是采用空气弹簧，通过空气弹簧的压缩特性，降低列车中高频振动；经综合比较，轨道采用钢弹簧浮置板道床，性能稳定，寿命长，维修及更换简便，减振效果好，较其他减振方式具有明显优点，弹簧-质量隔振系统固有频率6～8 Hz，减振效果可使振动减少15 dB以上。根据计算显示，采取上述处理措施后，最大速度响应值为0.11 mm/s，满足规范要求。

5 结语

妥善处理好与轨道交通与沿线文物的关系，是工程建设过程中的主要难题和重大使命。依据《中华人民共和国文物保护法实施条例》（中华人民共和国国务院令第377号），进一步加强新形势下的地下考古和文物保护工作，尽量避让文物，采取保护文物的措施，减少地铁施工和运营期间对文物的影响。若无法避让文物，施工过程及运营期间应采取相关措施保护沿线文物：

1）基坑应分层、分段、对称、限时开挖，遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的原则，尽量减小基坑无支撑暴露时间和空间。分段开挖土方，每段开挖中又分层、分小段，并限时完成每小段的开挖和支撑。每小段每层挖土及钢筋混凝土支撑的完成时间不得超过48 h。

2）根据数值模拟计算分析，基坑开挖期间满足制定的沉降标准要求，根据国内相关城市轨道交通设计和施工经验，地铁近距离施工方案是可行的。

3）经振动试验及计算分析，采取减震措施后其结构的速度响应均低于水平振动速度容许值，地铁近距离运营方案是可行的。