臨近文物建筑深基坑工程設計及保護方案

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

1 工程概況

本工程位于老舊城區(qū)，道路及管線需隨城市拆遷進行整體提升。根據(jù)本工程管線綜合規(guī)劃，道路下方規(guī)劃有綜合管廊，入廊管線有給水、電力、通訊、熱力、直飲水六種，兩艙布置，管廊結構外輪廓尺寸6.4×4.1m。

本工程在一處過路節(jié)點處，臨近一文物建筑，文物級別為區(qū)級文物，房屋為傳統(tǒng)的抬梁式屋頂硬山建筑，有上房、臨街房、東西廂房、西院臨街房，正門設在北側臨街房。該鄰街房屋侵入道路紅線，與道路側石線最近距離為5m，轉彎處僅為3.5m，交叉口處視距不良。文物建筑北側臨街房屋與綜合管廊結構外輪廓最近距離約4.2m。文物建筑平面位置及與基坑相對位置關系如下圖所示。

圖1 本工程與文物建筑的平面位置關系

本工程范圍地貌單元為黃河沖積平原，擬建工程場地位于鄭州市市區(qū)中南部，環(huán)境條件較簡單。地形起伏較小，地勢平坦。

根據(jù)與文物產(chǎn)權單位的溝通，該文物建筑不具備遷建條件，工程設計中需考慮避讓，施工過程中需控制建筑物變形值，保證該建筑物安全。

2 文物保護依據(jù)

該建筑物為古建筑類文物，其保護標準可依據(jù)《中華人民共和國文物保護法》、《中華人民共和國文物保護法實施條例》等有關法律法規(guī)，應遵循既有利于城市發(fā)展，又有利于文物保護的原則。

2.1 管廊總體方案設計

本節(jié)點位于一城市主干路，與現(xiàn)狀軌道交通交叉，平面布置綜合考慮避讓地鐵車站附屬結構及文物建筑，管廊中線基本沿路中布置。縱斷面設計考慮避讓南北向現(xiàn)狀及規(guī)劃過路管線，管廊頂部埋深按3m 考慮。

2.2 管廊基坑圍護結構設計

本節(jié)點基坑深度約8.6m，地下水位埋深約14m，不需降水。為減小明挖施工對文物建筑的影響，圍護結構形式采用結構剛度大、變形控制好的鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐支護。鉆孔灌注樁規(guī)格為□600@1000，豎向設一道□609，t=16 鋼支撐。

圍護結構計算采用理正7.0PB1 基坑計算軟件，基坑安全等級為一級，計算得各安全系數(shù)如下：

整體穩(wěn)定安全系數(shù) Ks = 2.163 > 1.35；

抗傾覆穩(wěn)定性驗算最小安全Kt = 2.062 >= 1.250；

抗隆起驗算最小安全系數(shù)Ks = 2.964 ≥ 1.800；

各安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3 風險分析

3.1 施工風險分析

本節(jié)點位于一城市主干路交叉口，南北向現(xiàn)狀交通為雙向6 車道，道路下方為已運營地鐵線路。路口以東兩側建構筑物已基本拆除，無現(xiàn)狀交通需求。綜合考慮施工場地、交通疏解要求及軌道公司安全評估成果，本節(jié)點管廊基坑采用明挖法施工。采用分期實施的方式保證交通疏解要求，并減小對軌道交通運營的影響。

臨近該文物建筑管廊基坑深度約8.6m，對其影響主要體現(xiàn)在以下方面：

1）明挖法施工需施工圍擋，遮擋該建筑物北側大門，占道時間長，影響人員出入；

2）該建筑與基坑最近距離約為4.2m，約位于基坑0.5 倍深度處，管廊基坑開挖時，土體開挖卸載及圍護樁水平位移造成土體應力松弛[2]，可能引起房屋地基的不均勻沉降，造成房屋變形、開裂等損傷。

3）道路路基填筑壓實及路面鋪筑過程中的施工震動引起臨近房屋變形、開裂等損傷。

3.2 運營風險分析

該文物建筑正門前道路等級定位為城市次干路，雙向兩車道，紅線寬25m。此路段采用交通標線形式分離機非車輛，保障獨立的人行系統(tǒng)，與區(qū)域內(nèi)步行系統(tǒng)有序聯(lián)通。由于該建筑局部侵入道路紅線范圍內(nèi)，對道路運營的影響主要體現(xiàn)在以下方面

1）建筑物影響道路交叉口視距影響，導致駕駛員沒有足夠的時間判斷和采取避險措施，易發(fā)生交通事故。

2）占用人行道空間造成人行通行效果變差，人行擁堵時，行人占用非機動車道，造成交通紊亂。

3.3 管廊施工對文物建筑影響分析

為分析管廊基坑開挖回填施工過程中對文物建筑的影響，采用巖土有限元軟件MIDAS GTS 對本項目進行巖土數(shù)值分析。

計算模型

根據(jù)本工程特點，模型邊界取為基坑外約3 倍基坑深度處，整個模型尺寸為60×25m，建模過程中根據(jù)分步開挖設計對基坑內(nèi)土體進行分塊并對文物建筑房屋結構進行適當?shù)暮喕幚恚W(wǎng)格整體劃分后的計算模型如下：

圖2 計算模型

圖3 管廊結構及文物建筑

根據(jù)工程的施工順序，計算時的模擬工況如下：

1)初始地應力生成，位移清零；2)施做圍護樁結構；3)開挖至支撐下0.5m；4)架設鋼支撐；5)開挖至基坑底；6)施做管廊結構；7)拆除鋼支撐；8)覆土回填至設計地面。

參數(shù)設計及邊界條件

土層本構采用修正摩爾庫倫模型，該本構模型能有效地模擬土層開挖卸載過程中的應力應變關系[3]。土層密度、粘聚力、摩擦角、彈性模量等根據(jù)地勘取值，卸載模量取彈性模量的3 倍。

結構構件采用彈性本構，具體的參數(shù)設置如下表所示：

表1 結構構件參數(shù)

邊界條件選擇地面支承，水平邊界限值水平位移，底邊界限值豎向位移。

3.4 計算結果及分析

為分析基坑開挖回填對文物建筑的影響，提取文物建筑典型位置處（圖3）的位移計算結果：

施工過程中各特征點各工況的變形值曲線如下：

圖4 特征點豎向位移

圖5 特征點水平向位移

計算結果顯示：

1）由于土體卸載回彈變形與圍護結構變形產(chǎn)生的地層變形疊加，基坑開挖階段對文物建筑的影響較覆土回填階段小。

2）施工階段文物建筑最大豎向變形值為2.0mm（沉降），最大水平變形值為4.5mm；基礎局部傾斜值為：，滿足規(guī)范[4]規(guī)定的建筑物的地基變形允許值。

可見，管廊基坑圍護結構設計可滿足施工過程中對文物建筑的保護要求。

4 保護措施

4.1 施工保護措施

針對管廊及道路施工期間對文物建筑的影響，擬采取以下保護措施：

1)施工前對現(xiàn)狀建構筑物調(diào)查及檢測。

2)施工圍擋應預留文物建筑內(nèi)人員出行通道。

3)鉆孔灌注樁施工采取旋挖鉆機施工，隔三挖一，并做好泥漿護壁，防止局部塌孔。

4)做好鋼支撐防脫落措施，及時施加支撐預加力，控制基坑變形。

5)施工過程中應注意，控制基坑兩側地面超載不應大于20kPa。

6)附近管線遷改過程中應采用人工挖掘，嚴格控制挖深，減少土體擾動。

7)合理進行施工組織，做好底板鋼筋加工工作，縮短底板施工時間，以減少基坑暴露時間。

8)回填土的壓實應采用機械碾壓，且必須采用平碾，臨近文物建筑處可采用人工夯實，嚴禁采用振動碾壓、重型打夯機；路面鋪筑應采用靜壓施工，避免震動。

9)施工過程中加強對建構筑物監(jiān)測，制定基坑施工及建筑物變形過大的應急預案。

10)施工期間做好揚塵治理、廢水處理、噪聲控制等環(huán)境保護工作，將施工對環(huán)境的影響降到最低。

4.2 運營保護措施

針對本工程運營期間對文物建筑的影響，擬采取以下保護措施：

1)道路提升后采取右進右出的交通組織方式，將交通沖突點降到最低。

2)設置減速讓行標線和標志牌相配合，提高駕駛員對道路狀況的識別程度。

3)交叉口轉彎處設置凸面鏡，以擴大司機視野，及早發(fā)現(xiàn)彎道對面車輛，以避免交通事故的發(fā)生。

5 結論

1）城市規(guī)劃應結合文物建筑的分布及特點綜合考慮，做到城市建設與歷史文化的協(xié)調(diào)。

2）管廊基坑覆土回填階段較基坑開挖階段對臨近建筑的產(chǎn)生的影響較大，最終的變形表現(xiàn)為沉降及向坑內(nèi)的水平變形。

3）由于我國暫無文物建筑保護變形控制的具體規(guī)定，可結合工程特點及文物建筑的現(xiàn)狀參照現(xiàn)行民用建筑的相關規(guī)范制定變形控制標準值。