广州地铁陈家祠车站施工中对国家文物保护风险管控的研究

晏大武

摘要：结合广州地铁八号线北延段陈家祠车站施工中，对国家级保护文物陈家祠堂保护风险管控进行研究，采用双轮铣连续墙成槽、旋喷桩止水、非爆破开挖、绳锯拆除混凝土支撑以及设置较强的隔离措施等地下连续墙+内支撑施工安全技术，最大限度地减小了施工震动对陈家祠的影响，保证了陈家祠主建筑群和周边配套功能房屋等国家一级保护文物安全，同时对陈家祠站深基坑施工过程中的地下连续墙+内支撑安全技术应用进行了总结，以期为类似工程提供借鉴经验。通过现场施工实践证明，在广州地铁八号线北延段陈家祠车站施工过程中，采用连续墙+内支撑施工技术，效果非常好;开挖过程中对陈家祠主建筑群和周边配套功能房屋的地下水位变化、临近道路地面沉降、管线沉降、围护结构顶面水平位移、墙体变形、支撑轴力等进行全方位监测，监测数据分析结果表明在基坑开挖施工过程中陈家祠堂建筑群的四角、大转角处及沿外墙布设的测点振动监测数据均在控制范围内，保证了陈家祠主建筑群和周边配套功能房屋、周围人员、社会交通等多方安全，取得了较好的社会和经济效益。

关键词：陈家祠;车站施工;文物保护;风险管控

中图分类号：U231.3

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019. 11.011

近年來，随着中国的经济高速发展，科学技术不断进步，中国对于基础设施的投资力度空前加大，城市轨道交通也紧紧抓住了发展的新时机，特别是广州市从强化政府引导、坚持创新驱动、加快产业集聚和推动合作发展四个方面确定了广州市轨道交通产业发展新思路。陈家祠车站施工过程中，采用连续墙+内支撑施工技术，尤其是在深基坑开挖施工过程中，通过多层域感知、数据处理、计算机视觉、自主协同控制等技术有效集成，实现了对国家级保护文物陈家祠堂建筑群大范围、全方位、实时准确地施工安全风险控制与管理，成为了具有国际领先水平的国家级文物施工保护创新平台，推进了中国城市轨道交通系统向网联化、协同化和智慧化方向发展。

1 工程概况

广州地铁8号线北延段二期全长约20 km，全线共设9座车站，均为地下线路，陈家祠站可与地铁一号线陈家祠站换乘。陈家祠车站地处广州市荔湾区，车站西侧为国家级保护文物陈家祠堂，车站站位位于其文物建设控制范围内，文物建筑距基坑最近36.5 m，其中围墙距离基坑最近距离为9m。陈家祠车站全长167.5 m，为明挖顺作的地下三层岛式车站，该站基坑最大开挖宽度达33.6 m，最大深度25.3 m;基坑围护结构采用1 000 mm厚的地下连续墙+内支撑形式，第一、第二道、第三道支撑均为钢筋砼支撑，第四道为钢支撑，基坑开挖支护工程安全等级为一级。因此，在陈家祠车站深基坑开挖过程中，如何保证国家级保护文物陈家祠堂主建筑群和周边配套功能房屋、周围人员、社会交通等多方安全成为影响和制约车站施工安全可靠、绿色环保、优质高效的关键所在。陈家祠站地理位置如图1所示。

2 工程水文地质

根据钻探揭露，测区上覆土层自上而下主要为第四系人工填土层、海陆交互相层、残积层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带。

勘察范围内的地下水划分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水二种类型，钻孔时稳定水位埋深为1.30 - 3.40 m，标高为3.50 - 5.00 m.地下水对混凝土结构具“微腐蚀性”。现场勘察场地范围内及附近均无滑坡、危岩、崩塌或泥石流等地质灾害，现状地质灾害不发育，地铁建设可能引发或加剧的地质灾害为软基地面沉降。

3 文物保护风险描述与分析

3.1 风险描述

陈家祠是中国清代宗祠建筑，始建于1888年，规模宏大，装饰华丽，馆藏文物和工艺品丰富，是广东地区保存较完整的富有代表性的清末汉族民居建筑，为全国重点文物保护单位。陈家祠堂外景如图2所示。

陈家祠围墙及院内建筑主体以麻石墙基、青砖墙体、圆木柱、石柱、木梁、木桷板、粘土瓦屋面为主。建筑装饰主要有木雕、石雕、砖雕、陶塑、灰塑、铜铁铸等。建筑物旧青砖普遍存在表面微风化，部分墙体存在竖向和阶梯裂缝，个别裂缝稍有错位。陈家祠位于陈家祠站车站西侧，与车站最近距离仅为9m，陈家祠与车站位置关系如图3所示。

3.2 风险分析

陈家祠文物采用麻石墙基，基础座落在杂填土层上，下伏有砂层和淤泥层，且富含地下水，对震动和地层沉降十分敏感。车站采用连续墙围护深度平均27 m，穿越9m厚的透水性地层，入岩深度18 m;基坑石方开挖厚度达15 m，采用3层混凝土支撑和1层钢支撑。车站施工对文物有以下主要影响：①施工过程中产生的震动对陈家祠的影响，包括重型施工设备近距离走行产生的震动、连续墙成槽作业时冲击下伏岩层产生的震动、基坑石方开挖产生的震动、拆除支撑产生的震动等;②施工过程中产生的地层不均匀沉降对陈家祠的影响，包括围护结构施工可能发生的槽壁坍塌及基坑开挖可能引起的周边变形，连续墙渗漏水可能产生土体损失，基坑开挖可能导致周边地下水位下降而产生的地层固结均会导致地层沉降。

上述震动和沉降均可能导致陈家祠房屋结构和馆藏文物的破坏和损毁，一旦发生将造成不可弥补的损失和极其恶劣的社会影响，因此必须采取措施降低风险。

4 施工前准备工作

4.1 陈家祠文物鉴定

经委托房屋安全专业鉴定公司对陈家祠书院进行鉴定，该建筑群不属于危房，能够承受一定的施工作业所产生的震动和影响，但是出于对文物保护的需要，应从施工技术和安全防护措施等方面着手，采取相应的施工措施、监控方案及应急预案，将施工过程对房屋所产生的影响降低到最小。

4.2 地铁施工的影响计算与结果分析

根据陈家祠所处位置及广州地铁八号线设计资料，设计院采用Midas软件对陈家祠书院进行三维数值分析，结构及地层均按现有资料建模，考虑下方区间隧道施工。通过计算分析，地铁开挖完成后，陈家祠文物的总体沉降较小，在基坑周边水位降低3m的情况下，最大地面沉降为7.2 mm，小于20 mm的限值;最大局部倾斜仅为0.000 07，远小于0.001的限值，理论上不会影响文物建筑安全。

由于本工程地层以填土层、残积土层、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩为主，地层透水性较差，结合止水性好的地下连续墙围护结构形式，根据施工经验地下水位下降一般在1m以内，基坑降水的风险较小。

由此综合判定，在正常施工条件下，地铁施工不会对陈家祠文物建筑造成损坏。陈家祠计算模型如图4所示。

4.3 施工管理及技术准备

请文物保护和管理单位的专家参与陈家祠文物保护措施的制订和落实。在陈家祠和车站围护结构之间设置较强的隔离措施（搅拌桩），最大限度减小车站施工对陈家祠的影响;将围护结构施工方案由原先的冲锤成槽变更为双轮铣槽机成槽，大大降低了施工过程中产生的震动，对陈家祠文物的影响降到最低。制订重型设备施工范围管理方案，限制重型设备行走和作业。车站基坑开挖采用非爆破开挖方式，减小震动;车站基坑降水采用随挖随降的方式，避免陈家祠文物因失水造成沉降。制订陈家祠专项监测方案，对陈家祠实施专项监测，实时掌握陈家祠安全信息，并将监测信息及时反馈，以指导施工。

5 围护结构施工阶段文物保护措施

5.1 搅拌桩隔离施工

为了保证车站施工期间陈家祠文物的安全，需对陈家祠文物采取隔离保护。按照设计要求，采用双排φ550@450搅拌桩，加固范围275 m，共需施做搅拌桩1 255根;采用四搅两喷施工工艺，在施工前先进行工艺性试桩。根据工程情况，采用GZB-600单轴双向搅拌桩机施工，桩机叶片直径φ550，采用P042.5级普通硅酸盐水泥、自来水作为浆液材料。搅拌桩深度根据地质情况确定，应打穿砂层且进入隔水层不小于1m。陈家祠站搅拌桩加固平面如图5所示。

5.2 双轮铣成槽施工

陈家祠属于老旧建筑物，在车站施工过程中，对其影响最大的就是传统的冲锤成槽施工工艺。采用冲锤成槽，主要是对车站周边环境的施工振动影响，其次是自身施工周期长，更加不利于对陈家祠文物的保护。所以，在施工搅拌桩隔离的基础上，选择了施工成本高，但对地层的适应范围广、施工效率高、成槽精度高、对文物振动影响最小的双轮铣成槽施工工艺。

该工艺最大程度上减小了围护结构施工阶段对陈家祠文物的影响，属于目前国内外能采用的最先进工艺。双轮铣成槽现场施工如图6所示。

6 文物保护措施

6.1 确保实施基坑开挖安全技术保证措施

采用小型挖掘机开挖，预留土堤护壁，尽量做到先撑后挖;采取基坑设挡水措施，防止坑外水流人坑内;边坡铺设塑料膜防止暴雨冲刷，在坡脚设置集水沟，配备大功率水泵抽水，防止坡脚浸水。当冠梁混凝土、第一道混凝土支撑达到设计强度，支撑材料及开挖支撑设备进场通过验收，基坑开挖条件经过政府主管部门、业主、监理、设计和施工等组织的验收合格后，方可开挖;基坑开挖按照结构混凝土诱导缝、施工缝等分层、分段、分块实施;必要时进行“连续墙间接缝探挖”，无渗水漏水现象继续开挖。为了防止基坑开挖过程中因连续墙接缝处漏水渗水造成附近房屋、道路、管线下沉，基坑见底后最短时间内封闭垫层混凝土，浇注底板混凝土。

加强开挖与支撑的协调管理，保证开挖、支撑、监测及结构等各工序协调作业，支撑及时安装并施加预应力，从开挖起至支撑安装完毕的时间控制在24h内。

信息化施工，根据监测數据及时调整施工方案，并采取切实可行的对策措施;加强基坑巡查和值班管理，发现险情及时上报和处置。

6.2 确保基坑开挖安全管理措施的实施

执行“开挖任务单”制度，按照每天任务单规定的部位、开挖顺序、层次和坡比进行开挖;坚持无支撑不开挖、支撑不及时不开挖、基坑变形异常不开挖，以保证基坑土体的稳定。严格执行“基坑巡视”制度，针对基坑开挖高风险的特征，基坑开挖期间安排人员24 h巡视，确保基坑开挖过程的任何不利因素均能在第一时间得到妥善处理。

坚持每日执行“碰头会”，参与施工的各个工序间进行沟通协调，使步调一致。

6.3 采取支撑安拆安全技术保证措施

操作人员进行安全技术培训，严格执行有关安全操作规程。钢支撑在开挖到设计位置后立即安装，并按设计要求及时施加预应力。钢支撑安装时，钢围檩与钻孔桩之间空隙用细石混凝土填塞，使之受力均匀，端部的牛腿要焊接牢固，防止受碰撞移动脱落。

钢支撑吊运必须使用与之长度、重量与安装作业半径相匹配的履带式起重机;在吊运过程中由专人指挥，进行监控;在挖土或吊装下一道钢支撑时，严禁撞击已安装好的支撑。钢支撑连接要稳固，连接螺栓一定要全数栓接;对钢支撑的变形、受力变化等加强监测，以便采取措施，确保结构和人员安全。钢支撑不可用作辅助脚手架等，且不允许人行;支撑拆除按设计工况进行，严格执行任务单制度，由专人组织拆除，并采取可靠措施。

第一道钢筋混凝土支撑拆除时，必须在结构顶板混凝土强度达到设计要求后拆除。考虑到现场施工条件和对结构的影响，采用绳锯割除，吊车配合吊出的方式。支撑拆除后，及时清理顶板，并进行顶板防水施工和基坑回填。

6.4 地面及基坑降排水安全技术保证措施

地面排水：在挡土墙旁设置200 mm宽排水沟，深度根据2%坡度确定但最浅不小于200 mm，使之形成排水坡度，用于承接基坑抽排水及地面雨水;排水沟经过三级沉淀池后，将水排人下水道;同时在基坑一周制作比原地面高出20 cm的挡土墙，防止地面水流入基坑。

坑内降、排水：为了保证陈家祠文物不发生失水沉降，本车站基坑不采用降水井降水。坑内排水主要采取在坡脚或结构施工与土方开挖交接处设置积水沟槽、积水井等方式，在暴雨天气为防止开挖土体冲刷后不稳定，用彩条布等覆盖土坡，将水汇至坡脚积水沟槽用大功率水泵及时排出基坑外。保证应急发电机正常运转，在暴雨停电时发挥作用，供基坑排水使用。

6.5 主体结构安全技术保证措施

基坑开挖见底后及时施做垫层;严格按照车站结构施工规范进行钢筋、混凝土、模板支架等工序施工。车站结构墙和板必须到达设计强度后，才能拆除支撑，防止因结构强度达不到要求而造成结构开裂及围护结构内收倾斜，进而造成周边土体位移。

7 监测方案

陈家祠站基坑基坑安全等级为一级，在整个施工过程中，需要对基坑周边地下水位变化、临近道路地面沉降、管线沉降、围护结构顶面水平位移、墙体变形、支撑轴力等进行全方位监测，特别需要对陈家祠文物密切监测，如果发现异常，则应立即停止下一道工序，连续监测并立即采取相应措施，确保施工安全。

8 安全文明施工

8.1 噪声控制

施工期间作业时间严格按照国家和广州市有关法规要求，提前做好工作筹划。将噪声大的工序尽量安排到白天施工，减小噪声对周边居民的影响。

8.2 排水控制

在施工场地内构筑相应容量及排水能力的排水沟和沉淀池，收集地表径流和施工过程产生的泥浆水、废水和污水，经过沉沙、除渣和隔油等预处理后，才排人相应市政污水排水管网。所有废浆均排放至废浆池进行统一收集后由泥罐车拉至规定地方进行卸载。对于施工产生的渣土均存放至渣土池，由渣土车进行外运、卸载。

8.3 施工粉尘控制

运输车辆进出的主干道应定期洒水清扫，保持车辆出入口路面清洁，以减少由于车辆行驶引起的地面扬尘污染。由于施工产生的扬尘可能影响周围正常居民生活、道路交通安全的，应设置防护网，以减少扬尘及施工渣土影响。装有建筑材料、渣土等易扬撒物资的车辆，车厢应用覆盖封闭起来，以避免运输过程中的扬撒、飘逸，污染运输沿线的环境。

8.4 安全防范措施

在靠近文物的围蔽外等醒目位置张贴安全警示标志，提醒居民小心绕道;在围蔽内将施工机械等都设置在远离围蔽的一侧。施工用电根据相关法规要求，对通往施工现场的电线进行保护，并派安全人员每日进行巡察。加强安全教育，增强安全意识，做到科学文明施工;施工工序由专业技术工程师进行指导施工;禁止违规操作，违法必究。

9 应急管理

为了保障陈家祠主建筑群和周边配套功能房屋等国家一级保护文物安全，针对陈家祠地铁车站具体工作特点，项目部按照应急处置统一指挥、职责明确，反应迅速、运转高效的基本原则，制定了《陳家祠车站施工文物保护专项应急预案》。

主要应急处置措施如下：①根据项目生产安全危险性分析，本工程可能导致围护结构槽壁坍塌和槽孔漏浆、围护结构接缝渗漏水、基坑较大变形、陈家祠文物被破坏等事故，本文主要研讨陈家祠文物出现房屋整体沉降或倾斜且超过警戒值、房屋内墙身裂缝宽度增大或出现新的明显裂缝等情况时的应急处置措施。②立即停止现场该部位附近的大型机械施工和挖土作业，通知业主、监理、设计和文物管理部门，密切观测破坏发展的情况和趋势，共同研究下一步对策和抢险加固措施。③当陈家祠文物有明显沉降趋势时，可在房屋内外用φ48钢管搭设脚手架支撑的方式，对房屋进行支撑。钢管下部设置底托，并衬垫平实，脚手架钢管节点与墙身之间用木方及木楔填满压实。④在基坑开挖阶段，当临近旧址的竖向位移值大于警戒值时，应立即停止基坑开挖作业，必要时进行基坑局部土方回填，并利用现场预备的钢管支撑及千斤顶回顶，以防止沉降进一步发展。基坑上部周边同时立即停止一切施工活动，人员不得随意进入，基坑附近堆放的荷载应立即清离现场，以防位移扩大。待有关部门制订出专项方案后才进行下一步的施工。⑤当陈家祠文物发生严重破坏或出现坍塌先兆时，立即停止现场的施工作业，撤出人员及机械设备，上报有关部门进行下一步抢险措施。

10 施工效果

陈家祠车站主体及围护结构施工历时380 d，主建筑群和周边配套功能房屋等国家一级保护文物完好无损，未发生任何安全生产事故，多次获得建设单位表扬。

本工程成功采用了双轮铣连续墙成槽、旋喷桩止水、非爆破开挖、绳锯拆除混凝土支撑以及设置较强的隔离措施等地下连续墙+内支撑施工安全技术，该技术对老旧城区施工中文物保护等有较好的借鉴作用，目前已在多项地铁工程施工中推广使用，在今后的类似工程建设中将会具有更大的发展潜力，具有广阔的推广应用前景。

11 结论

本工程采用的用双轮铣成槽工艺，加快了成槽速度，缩短了槽壁暴露时间，严控了泥浆质量，确保了地连墙槽壁稳定，降低了槽壁坍塌和漏浆的可能性，最大限度减小了连续墙施工震动对陈家祠的影响。采用城市轨道交通项目数字化管理平台软件，使各项管理制度、风险管控措施和专项方案能够得到切实的贯彻和落实。项目所属集团公司作为有经验的承包商，依托本项目组织编写的《广州地铁8-2标重大安全风险分析与评审报告》已作为广州地铁施工安全风险评估样本，在广州地铁范围内广泛运用。

通过对基坑周边地下水位变化、临近道路地面沉降、围护结构顶面水平位移、墙体变形等进行全方位监测，特别是需对陈家祠文物密切监测的数据分析表明，该工程采用的施工工艺和保护措施合理，满足施工过程中对陈家祠主建筑群和周边配套功能房屋、周围人员、社会交通等多方保护要求，取得了较好的社会和经济效益。

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