對(duì)鄰近文物保護(hù)單位的深基坑開(kāi)挖有限元分析

齊成成，王增吉

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300000）

1 引言

隨著城市軌道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，軌道交通成為解決城市交通擁堵問(wèn)題最有效的手段，然而對(duì)于北京、西安、洛陽(yáng)、南京等歷史文化名城來(lái)說(shuō)，在城市軌道交通建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)始終堅(jiān)持以文物保護(hù)為先，探索協(xié)調(diào)發(fā)展道路，在城市軌道交通得到建設(shè)的同時(shí)，使歷史文化遺產(chǎn)得到持續(xù)的保護(hù)與利用。通過(guò)對(duì)實(shí)際案例工程的三維有限元分析，結(jié)合《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法實(shí)施條例》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第377號(hào)）及GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）等相關(guān)規(guī)范提出有效措施來(lái)保護(hù)古建筑物，為其他類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 寧波市軌道交通工程2號(hào)線招寶山站工程概況

寧波市軌道交通2號(hào)線二期工程招寶山站，位于寧波市鎮(zhèn)海區(qū)城河西路與勝利路交叉口。車站為地下3層3柱4跨箱型混凝土結(jié)構(gòu)。車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬約24.9～28.7 m，西端頭井寬約24.9 m，東端頭井寬29.25 m；基坑標(biāo)準(zhǔn)段深約23.88 m，西端頭井深約25.74 m，東端頭井深約25.44 m；基坑總長(zhǎng)約154.6 m（基坑中線）。采用明挖順作法施工，基坑支護(hù)采用地墻（樁）+內(nèi)支撐的型式，其中，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)周邊環(huán)境和地質(zhì)條件采用地下連續(xù)墻。吳杰故居距離招寶山站主體結(jié)構(gòu)基坑最近處約36 m。

2.2 吳杰故居概況

吳杰故居為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。始建于光緒二十一年（1895年）。正屋朝南共有3間，邊上有2條弄堂，自成院落。分為東、西2院，均為木結(jié)構(gòu)建筑，總占地面積2000 m2。東西兩院各有臺(tái)門(mén)、前廳、后廳和左右?guī)?。前廳面闊5間，進(jìn)深9檁，前后廊子，重檐樓屋；前后廳為客廳，面闊3間，進(jìn)深7檁，設(shè)前軒后廊。亦是重檐樓屋，均為硬山頂，保存較為完整。

西院建于光緒十二年（1886年），建筑面積約440 m2。前進(jìn)中軸線上建有臺(tái)式磚雕大門(mén)，門(mén)房及左右兩廂平房相連。正屋為3間兩邊弄高樓房，通面闊16.35 m、進(jìn)深8柱約12.16 m。屋柱、梁架全用串斗式。有闊檐楯，枓拱、月梁等結(jié)構(gòu)均精雕細(xì)琢。前后石鋪明堂，后明堂布置花壇。后進(jìn)為花廳，高平屋3間，兩廂偏房，明堂布置花壇，門(mén)窗等構(gòu)件較為新穎。

東院建于光緒二十一年（1895年），建筑面積572 m2。由2個(gè)單元組成。前幢為幕僚用房，坐東面西，外有門(mén)樓，屋前有甬道通向正屋。里單元正屋為坐北朝南高樓房3間加兩邊弄，通面闊18.45 m，進(jìn)深9.84 m，柱梁采用串斗式，闊檐楯、卷蓬式檐廊，枓拱、月梁、貓兒梁等構(gòu)件均精雕細(xì)刻各種圖案，金漆涂料，相當(dāng)華貴。前由石鋪大明堂、磚雕臺(tái)式大門(mén)，一派官府氣勢(shì)。

3 基于文物安全穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 明挖法施工沉降研究綜述

地鐵車站基坑工程多數(shù)集中在市區(qū)，施工場(chǎng)地狹小，周圍環(huán)境條件復(fù)雜，基坑工程不僅要保證維護(hù)結(jié)構(gòu)本身的安全，還要保證周圍建、構(gòu)筑物的安全和正常使用?；庸こ痰淖冃沃饕蓢o(hù)結(jié)構(gòu)位移、周圍地表沉降及基坑底部隆起3部分組成，三者之間存在耦合關(guān)系。通常情況下，明挖法施工的車站引起的變形以水平位移和沉降為主，水平位移和沉降變形在支撐較弱情況下以半拋物線形式存在，即基坑邊位移最大，隨著與基坑距離的增大，基坑變形逐漸減少，在基坑地質(zhì)較好地段約在1倍基坑深度位置基坑變形即趨于零?；拥刭|(zhì)較差地段變形影響寬度可達(dá)2～3倍的基坑深度。

在施加了支撐體系的情況下，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的主要因素包括維護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度、腰梁剛度、支撐高度及層數(shù)、支撐水平間距等，其中，支撐高度及層數(shù)影響最為顯著。增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度和腰梁剛度均可減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，前者效果最好。減少支撐水平間距可以有效減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。綜合分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參照國(guó)內(nèi)已開(kāi)展過(guò)的地鐵建設(shè)工程所確定的文物地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，基于吳杰故居文物保護(hù)單位具體情況，建議安全穩(wěn)定的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為：建筑物總沉降量不超過(guò)+5～-15mm，局部?jī)A斜不超過(guò)1‰。

3.2 振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)研究

針對(duì)振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響，國(guó)內(nèi)外制定了相關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，且多用峰值速度作為建筑物振動(dòng)安全控制指標(biāo)。綜合分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參照國(guó)內(nèi)已開(kāi)展過(guò)的地鐵建設(shè)工程所確定的文物振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，基于吳杰故居文物保護(hù)單位具體情況，限定安全穩(wěn)定的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)不超過(guò)0.20 mm/s。

4 軌道交通施工對(duì)文物保護(hù)單位的影響分析及保護(hù)措施

4.1 施工期對(duì)文物保護(hù)單位的影響分析及保護(hù)措施

深基坑開(kāi)挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，還要有效控制基坑周圍地層移動(dòng)以保護(hù)周圍環(huán)境。在軟土地區(qū)，特別是在軟土地區(qū)的城市建設(shè)中，由于地層軟弱復(fù)雜，進(jìn)行基坑開(kāi)挖往往會(huì)產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重影響緊靠深基坑周圍的建筑物、地下管線、交通干道和其他市政設(shè)施，因而是一項(xiàng)很復(fù)雜而具有風(fēng)險(xiǎn)性的工程。由于招寶山主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑距離吳杰故居最近約36 m，為了有效控制吳杰故居的房屋沉降及基礎(chǔ)差異沉降，主要采取以下保護(hù)措施：（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用剛度大的地連墻支護(hù)；（2）地下連續(xù)墻采用GXJ接頭；（3）第一、五道支撐采用混凝土撐；（4）設(shè)置鋼支撐伺服系統(tǒng)；（5）對(duì)本站基坑進(jìn)行地基加固；（6）采用加深地連墻隔斷承壓水；（7）文物周邊預(yù)埋跟蹤注漿管，不提前注漿，跟蹤注漿在嚴(yán)格信息化施工管理下進(jìn)行，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)選擇合適的注漿點(diǎn)適時(shí)啟動(dòng)注漿口進(jìn)行補(bǔ)充跟蹤注漿，對(duì)沉降部位抬升，施工時(shí)須進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，控制抬升量；（8）制訂完善的監(jiān)測(cè)方案，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其沉降、傾斜、裂縫發(fā)展等情況，并確定預(yù)警值、報(bào)警值和控制值，制訂針對(duì)性保護(hù)措施及應(yīng)急預(yù)案，做好應(yīng)急物資儲(chǔ)備。施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)吳杰故居的保護(hù)與監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，做到信息化施工，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

本工程采用MIDASGTSNX有限元軟件對(duì)基坑開(kāi)挖及周邊環(huán)境進(jìn)行三維計(jì)算分析[1]。分析不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力、周邊建筑物變形及周圍地層變形。本工程三維模型尺寸為310 m×190 m×109 m，采用混合網(wǎng)格生成器，劃分為12697個(gè)單元，16755個(gè)節(jié)點(diǎn)元，其中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊建筑物以及周圍土體進(jìn)行重點(diǎn)細(xì)分。

MIDAS GTS-NX是MIDAS旗下的一款巖土仿真產(chǎn)品，能夠迅速完成對(duì)巖土及隧道結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，本工程采用MIDAS GTS NX有限元軟件進(jìn)行三維計(jì)算分析。

土層簡(jiǎn)化為水平層狀分布的彈塑性材料，本構(gòu)模型采用修正-莫爾庫(kù)侖彈塑性模型。土體、地基加固區(qū)采用三維實(shí)體單元模擬，基坑支撐、鉆孔樁、鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用1D2D結(jié)構(gòu)單元模擬。模型的前后左右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面不施加約束。根據(jù)基坑實(shí)際開(kāi)挖時(shí)序及結(jié)構(gòu)回筑順序進(jìn)行施工步驟模擬。基坑三維模型如圖1所示。

圖1 基坑三維模型

4.2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

本項(xiàng)目主要統(tǒng)計(jì)地塊基坑施工引起的吳杰故居的位移及沉降。根據(jù)計(jì)算分析，吳杰故居最大沉降9.7 mm，最大差異沉降5.1 mm，基坑開(kāi)挖引起最大差異沉降率0.13‰?；娱_(kāi)挖引起房屋最大沉降滿足+5～-15 mm的限值要求，基坑開(kāi)挖引起差異沉降率滿足1‰的限值要求。

4.3 運(yùn)營(yíng)期間對(duì)文物保護(hù)單位影響分析及保護(hù)措施

運(yùn)營(yíng)期間的影響主要是列車運(yùn)行引起的振動(dòng)影響。列車運(yùn)行時(shí)，由于輪軌間相互作用產(chǎn)生撞擊振動(dòng)、滑動(dòng)振動(dòng)和滾動(dòng)振動(dòng)，經(jīng)軌枕、道床傳遞至車站，再傳遞至地面，從而引起文物振動(dòng)[2]。當(dāng)列車以一定的速度通過(guò)軌道時(shí)，車輛和軌道將產(chǎn)生振動(dòng)，引起振動(dòng)的原因可歸結(jié)為5類：（1）移動(dòng)荷載的波前作用產(chǎn)生的振動(dòng)；（2）軌枕或扣件的離散支撐，路基剛度變化造成軌道結(jié)構(gòu)剛度變化，列車經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生周期荷載，其周期等于支撐間距除以列車行駛速度；（3）鋼軌接頭及交叉口處高度的變化，車輪經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生沖擊力；（4）車輪安裝偏心產(chǎn)生的連續(xù)不平順，鋼軌的不平順，鋼軌及車輪踏面不均勻磨耗引起的脈沖不平順；（5）列車運(yùn)行時(shí)的搖頭、點(diǎn)頭和蛇行所產(chǎn)生的振動(dòng)[3]。

根據(jù)規(guī)范，地鐵振動(dòng)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)的確定及評(píng)估采用計(jì)算法，得出吳杰故居結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng)值為0.51 mm/s，超標(biāo)量為0.31 mm/s，為降低地鐵振動(dòng)對(duì)古建筑物結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)值，結(jié)合已建成地鐵線路成功經(jīng)驗(yàn)，從車輛振動(dòng)、軌道振動(dòng)兩方面控制最大響應(yīng)速度：車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格控制列車振動(dòng)。整車采用輕量化設(shè)計(jì)，車體采用整體承載式鋁合金框架，有效降低車輛質(zhì)量，控制列車振動(dòng)幅值。轉(zhuǎn)向架采用2次減振設(shè)計(jì)，一是采用鋼彈簧，主要減小低頻高幅振動(dòng)；二是采用空氣彈簧，通過(guò)空氣彈簧的壓縮特性，降低列車中高頻振動(dòng)；經(jīng)綜合比較，軌道采用鋼彈簧浮置板道床，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，維修及更換簡(jiǎn)便，減振效果好，較其他減振方式具有明顯優(yōu)點(diǎn)，彈簧-質(zhì)量隔振系統(tǒng)固有頻率6～8 Hz，減振效果可使振動(dòng)減少15 dB以上。根據(jù)計(jì)算顯示，采取上述處理措施后，最大速度響應(yīng)值為0.11 mm/s，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

妥善處理好與軌道交通與沿線文物的關(guān)系，是工程建設(shè)過(guò)程中的主要難題和重大使命。依據(jù)《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法實(shí)施條例》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第377號(hào)），進(jìn)一步加強(qiáng)新形勢(shì)下的地下考古和文物保護(hù)工作，盡量避讓文物，采取保護(hù)文物的措施，減少地鐵施工和運(yùn)營(yíng)期間對(duì)文物的影響。若無(wú)法避讓文物，施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)采取相關(guān)措施保護(hù)沿線文物：

1）基坑應(yīng)分層、分段、對(duì)稱、限時(shí)開(kāi)挖，遵循“先撐后挖、限時(shí)支撐、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，盡量減小基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間和空間。分段開(kāi)挖土方，每段開(kāi)挖中又分層、分小段，并限時(shí)完成每小段的開(kāi)挖和支撐。每小段每層挖土及鋼筋混凝土支撐的完成時(shí)間不得超過(guò)48 h。

2）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，基坑開(kāi)挖期間滿足制定的沉降標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)城市軌道交通設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，地鐵近距離施工方案是可行的。

3）經(jīng)振動(dòng)試驗(yàn)及計(jì)算分析，采取減震措施后其結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)均低于水平振動(dòng)速度容許值，地鐵近距離運(yùn)營(yíng)方案是可行的。