故宮西南區域巖土工程勘察及基坑支護方案研究

張 南

(故宮博物院,北京 100009)

通過分析巖土工程實際情況,預測其對基坑支護可能產生的影響,可以為建筑安全施工奠定前期基礎[1-2]。目前,關于巖土工程方面的研究大多在于參數確定方法的討論及山區巖土工程問題等[3-5],也有一部分學者關注巖土與地基處理之間的關系[6-8]。故宮是世界上現存最大、保存最完整的木結構皇家宮殿建筑群,但是在遺產保存、保護、利用與管理等方面存在著矛盾,為了解決各類隱患問題,啟動了包括基本建設項目在內的“平安故宮”工程,為故宮博物院建設發展做出積極貢獻[9-10]。本文基于基本建設項目的巖土工程勘察,探討了具體項目的基坑支護方案及施工方法,為文物保護區內類似項目的基坑支護方式提供有益探索。

1 故宮西南區域概況

1.1 工程概況

“平安故宮”工程包括文物保護綜合業務用房工程、地下文物通道工程、基礎設施管廊升級改造、應急指揮中心項目等,大多位于故宮西南區域,即故宮西城墻東側、慈寧宮花園西側、武英殿北側、中國第一歷史檔案館東側,見圖1。建設場地屬于故宮保護范圍的一般保護區,用地性質為非開放文物管理用地。建設用地范圍約23萬m2,包括管廊和通道約6 000 m。

主要工程基礎埋深在地下2.90 m～16.33 m,黏性土、粉土與碎石類土的交互沉積。填土層主要為粉質黏土,且較為松散;黏質粉土、砂質粉土夾雜中、細砂,主要礦石為云母、氧化鐵、石英、長石等,砂質不均;圓礫、卵石層上部為圓礫夾雜少量卵石顆粒,中下部為卵石,顆粒呈亞圓形,中粗砂填充。建設場地實測到二層地下水,第一層為上層滯水,主要賦存于人工填土層中,初見水位埋深為2.40 m～4.90 m,補給來源為大氣降水和管線及內金水河滲漏,以蒸發及徑流為主要排泄方式;第二層為滯水,賦存于圓礫、卵石層的底部,初見水位埋深16.60 m～17.80 m,補給來源為大氣降水和管線滲漏,以層間越流為主要排泄方式。建設場地近3 a～5 a最高潛水水位埋深在10.00 m以下。建設場地地段為對建筑抗震一般地段,抗震設防烈度為8度,場地類別為Ⅱ類。

1.2 建筑物基本概況

建設場地緊鄰西華門城樓、故宮西城墻、慈寧宮花園西墻、冰窖、寶蘊樓、武英殿等文物建筑,根據《故宮保護總體規劃》中關于文物建筑的評估,西華門城樓、故宮西城墻、武英殿為一類文物建筑,冰窖為二類文物建筑,慈寧花園西墻、寶蘊樓為三類文物建筑。

擬建重要構筑物基本概況如表1所示。該區域項目工程重要性等級為一級工程,工程場地等級為二級場地,屬于甲級巖土工程勘察。

表1 構筑物基本概況

2 巖土勘察試驗與評價

2.1 試驗方法

采取現場鉆探取樣、原位測試、室內土工試驗方式,采用標準貫入重型圓錐動力觸探取原狀土樣和擾動土樣進行試驗。投入DPP100型汽車鉆機、SH-30型鉆機、STS-EX26型鉆機、XY-1型鉆機施工。取得結果后舍棄離散性較大的數據,并進行數理統計分析。

2.2 試驗結果分析與評價

2.2.1 土層結構性分析

故宮西南區域無影響其穩定的不良地質作用,除人工填土外,無濕陷性黃土、膨脹土、風化巖及殘積土等特殊性巖土分布,而且不具備產生滑坡、崩塌、泥石流等地震地質災害的條件。場地位于同一地貌單元及同一工程地質單元,各巖土層成因、沉積年代相同,在垂直方向上呈多層結構,水平方向地層分布較穩定,同一地基土層的壓縮性和厚度差異不大,地基為均勻地基,適宜作為一般建筑場地。土層參數分析見表2。

表2 土層參數分析

2.2.2 地基承載力評價及變形參數分析

對各土層進行了土工試驗、原位測試試驗,根據試驗結果確定各土層承載力特征值,見表3。

表3 天然地基承載力標準值及壓縮模量

2.2.3 場地土腐蝕性分析

對現場取得土樣進行分析試驗,結果見表4。依據GB 50021—2001巖土工程勘察規范進行判定,當擬建場地環境類型按Ⅱ類考慮時,判定該場地土對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構具有微腐蝕性。

表4 土的腐蝕性分析

3 地基處理方案及基坑支護方案研究

3.1 地基處理方案研究

人工填土為特殊性土,具有不均勻性、變形大、孔隙大等特性,可能引起地基不均勻沉降或地基失穩,從而造成建筑物結構破壞。除人工填土層外,建設場地內其他土層均可作為建筑物基礎的基礎持力層。

3.1.1 天然地基承載力處理方案

應急指揮中心地基主要持力層為填土層,小部分為②黏質粉土、砂質粉土,不宜直接作為建筑物天然地基,須進行地基處理。可采用CFG樁復合地基處理方案或者換填墊層法、樹根樁或注漿鋼管樁。

文物保護綜合業務用房地基主要持力層為③黏質粉土、砂質粉土,可采用天然地基。

基礎設施管廊地基主要持力層為④中、細砂土,可采用天然地基。

地下文物通道地基主要持力層為⑤圓礫、卵石、⑥黏土層,可采用天然地基。

3.1.2 巖土施工工程分級

根據GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規范對各土層進行巖土施工工程分級,判定施工土石可挖分級情況。②黏質粉土、砂質粉土、③黏質粉土、砂質粉土、④中、細砂為Ⅰ級,⑥黏土為Ⅱ級,⑤圓礫、卵石、⑦卵石為Ⅳ級。

施工過程中,Ⅰ級是可用鐵鍬挖的松散土層,能夠用機械全部直接鏟挖滿載。Ⅱ級是難以用鍬挖的普通土,使用普通裝載機可直接鏟挖但不能滿載,使用挖掘機、帶齒尖口裝載機可滿載。Ⅳ級是軟質巖,部分可以用撬棍及大錘開挖或挖掘機、單鉤裂土器進行松動,部分則需借助液壓沖擊鎬解碎或采用爆破方法開挖。

3.2 施工工藝及基坑支護方案研究

3.2.1 施工工藝及基坑支護方案探討

建設場地內存在填土層、上層滯水,靠近西華門城樓、故宮西城墻、內金水河、慈寧花園西墻、武英殿、寶蘊樓、古排水溝等情況下,采用明挖工法施工。同時,采取懸臂護坡樁、雙排樁或護坡樁加內支撐體系,或者土釘墻、復合土釘墻、錨拉式結構等基坑邊坡支護方法。

建設場地靠近慈寧宮區域,施工過程下穿紅墻、內金水河、古建筑和既有道路、構筑物等情況下,采取淺埋暗挖工法施工。在自穩定性較差的砂、卵石層,采取超前小導管注漿、超前鉆孔注漿、地表砂漿錨桿等地層預加固輔助工程措施,防止圍巖坍塌,改善受力條件,以提高開挖面土體強度,保證各開挖階段圍巖以及支護結構的穩定性。在其他地層,采用鋼格柵或樁錨支護方式,開挖后須及時施作初期噴錨支護,并適當提高支護的強度和剛度,輔以拱背注漿措施,保證開挖后隧道穩定,減少地層擾動,有效控制地面沉降。

3.2.2 基坑監測分析

基礎施工期間對基坑進行監測,反映基坑邊坡、樁頂豎向位移及水平位移、周邊地表豎向位移、深層水平位移、周邊建筑物豎向位移、鋼筋應力、土壓力及孔隙水壓力的變形過程。

結合實際情況,水平位移監測采用小角法,使用高精度全站儀,測距精度2 mm+2×10-6。沉降監測采用TrimbleDiNi12電子水準儀,每公里偶然中誤差為0.3 mm。支護結構深層水平位移監測,預先在樁(墻)體中埋設測斜管,通過測斜儀觀測各深度處的水平位移。支護結構內力監測使用鋼筋應力計或混凝土應變計,根據鋼筋與混凝土共同工作、變形協調條件計算得到相關結果。基坑周邊建筑物基礎的相對沉降量監測采用小角法,使用LeicaTS09-1全站儀,測距精度1 mm+2×10-6。土壓力監測主要元件為土壓力盒,采用數字式頻率儀采集數據。孔隙水壓力監測的設備為孔隙水壓力計與數字式頻率儀。根據工程進展情況,及時埋設監測測點和元器件,并按規定測試頻率進行測試。

取得監測資料后,及時進行處理,排除儀器、讀數等操作過程中的失誤,剔除和識別各種粗大、偶然和系統誤差,使用計算機進行資料整理和初步定性分析,結果見表5。各項監測數據均未達到報警值,符合相關規范要求。

表5 基坑監測結果

4 結論及建議

文物保護區內基本建設項目在確定基坑支護體系時,應充分利用巖土工程勘察結果,結合基坑的開挖方式、深度、地層垂直分布的復雜性及周邊環境等諸多因素的影響,既要滿足邊坡穩定、施工安全的需要,也要避免對周圍既有文物、建筑物、道路、地下管線等產生不利影響。

1)故宮西南區域建設場地內人工填土土質不均,結構松散,不宜作為天然地基,其余各地層均可作為建筑基礎的天然地基。靠近一般文物區域、紅墻等,采用明挖工法施工。靠近重要文物區域,其過程下穿文物建筑、既有建筑物、道路等,采取淺埋暗挖工法。

2)在文物保護區內進行基坑開挖,明挖工法施工采用懸臂護坡樁、雙排樁或護坡樁加內支撐體系,或者土釘墻、復合土釘墻、錨拉式結構等基坑邊坡支護方法。淺埋暗挖工法施工采用超前小導管注漿加固圍巖等輔助措施和格柵鋼架支護。經過實際監測,以上基坑支護方案可以有效降低基坑及周邊文物建筑的變形,有利于施工及文物安全。

3)在文物保護區內進行施工作業,還應加強超前地質預報和開挖洞室的穩定性分析。同時,采取帷幕降水井等措施,控制雨水沖刷對基坑施工的影響。