地铁站施工对邻近文物建筑稳定性的影响及控制措施研究

陈 伟

［英泰克工程顾问（上海）有限公司，上海200120］

0 引 言

兴建的城市地铁，在给人们出行带来便利的同时，也对其周边建筑物、管线及桥梁等的稳定性产生影响。这一问题现已成为国内外关注的焦点之一。黄龙湘通过查询大量工程实例资料，提出了建筑物沉降变形控制参数与建筑物损坏等级之间的关系[1]；桂志敬等通过研究叠落式暗挖与盾构隧道施工变形，提出采用超前注浆方法控制地层变形[2]；Burland 和 Wroth 认为，应该摒弃经验准则，认真研究导致破坏建筑物的根本原因[3]；孔秋珍等将地面沉降值按 Peck 曲线分为凸区和下凹区，认为隧道纵向方向是先受压再受拉[4]；侯学渊等分析了大量的地铁监测数据，提出了适合上海软土地区盾构法施工引起地层固结沉降的观点[5]；唐志诚等根据工程实际在南京地铁某区间进行了模拟实验并应用于工程中[6]。

由于地铁往往布设在城市的发达区域，高楼林立，或穿过文物保护区，且隧道断面较大，开挖影响土体应力重新分布且影响范围较广，因此，地铁施工前应先对邻近建筑物或文物保护区等采取保护措施，确保建筑物或文物保护区的稳定。

笔者以江苏省南京市渡江胜利纪念碑（以下简称“纪念碑”）沉降变形为工程背景，在地铁隧道施工前对纪念碑的稳定性进行监测，探讨地下连续墙（以下简称“地连墙”）等围护结构施工对其稳定性的影响，继而为地铁站（下关站）施工制定纪念碑沉降变形的控制措施提供科学依据。

1 工程概况

纪念碑位于南京市下关区热河路广场中心，广场平面形状为圆形，半径为30.0 m。纪念碑外观呈双帆船形，白色双帆正中悬挂一枚直径为2.5 m、重约400kg 的铜质渡江纪念章。碑身由两片厚度为700mm 的现浇钢筋混凝土曲面墙组成，墙内配置双层双向钢筋网，并设有环形箍筋对拉；顶部由两块钢筋混凝土横隔板连接一体，顶标高为23.4 m，曲面半径为12.0 m；碑座为紫绛色船体。该范围内地表主要由人工填土及软塑～流塑状的（淤泥质）粉质黏土等组成，在地铁站施工过程中，极易发生地基失稳、渗水、坍塌及掉块等现象。

纪念碑距地铁5号线与9号线换乘站最近距离为2.9 m，车站标准段外包宽22.65 m～22.72 m，主体结构外包总长为338.145 m，标准段底板埋深为17.2 m～18.1 m，端头井底板埋深为19.2 m～19.4 m。由于下关站的开挖规格尺寸较大，施工中还会发生动荷载扰动现象，这会对邻近纪念碑的稳定性产生严重影响。因此，在下关站未开挖施工前，应及时采取措施对纪念碑进行加固处理，如现采取的加固地连墙及其相关围护结构的措施。但是，由于加固地连墙邻近纪念碑施工，施工过程中的各种动荷载扰动往往会破坏纪念碑地基的整体结构。此外，地连墙规格尺寸相对较大、地基土承载能力较弱、混凝土注浆不及时等，也都可能对纪念碑的稳定性产生影响。

2 纪念碑监测方案布置

根据纪念碑监测等级与现场勘查实际情况，确定纪念碑主要监测点的位置和数量（见表1和图1）。监测的内容主要包括以下两个方面。

图2 纪念碑监测点平面布置图

表1 纪念碑主要监测点统计表

（1）纪念碑周边地表竖向位移。沿基座周边每隔10m布设一个监测断面，并且使其与碑身竖向位移测点位置一致，共布设11个周边地表沉降监测点。

（2）纪念碑竖向位移及其倾斜度。邻近纪念碑的围护结构施工，包括地连墙施工等，将对纪念碑及其周围地基产生扰动，因而要对纪念碑进行竖向位移及对其周边裂缝进行监测。布置监测点时，应尽量采用纪念碑上的测量标志。若没有测量标志，则在离墙角50cm 处的墙面上钻孔，埋入成“L”型的 Φ14 圆钢筋，并用混凝土进行浇注固定；若墙面不可钻孔，则可粘贴沉降监测标志。

3 纪念碑沉降结果分析

从2018年4月13日起，纪念碑的监测工作一直在进行当中。为了便于研究纪念碑围护结构施工过程对其稳定性的影响，选取围护结构施工前后阶段的监测数据，即2018年5月1日至8月31日的关键点的监测数据。这些关键点分别为：纪念碑东侧4个测点（DB10-1、DB10-2、DB10-3、DB10-4）、纪念碑东北侧3个测点（B04-1、F4、B03-1）、纪念碑西南侧3 个测点（F10、JM6、JM5）、纪念碑南侧2个测点（B07-2、B08-2）。监测数据显示：纪念碑东侧、东北侧、西南侧及南侧地基均呈现出不同程度的沉降变形，但纪念碑东侧地基的沉降量相对于其他三侧较小，并且沉降的增加量逐渐变缓，甚至趋于稳定。

由纪念碑东侧测点（DB10-1、DB10-2、DB10-3、DB10-4）沉降量随时间变化规律可知，在2018年5月1日至2018年5月30日期间，围护结构的施工使得东侧测点均呈单调沉降趋势，最大沉降值依次为2.8 mm、2.2 mm、2.5 mm 和2.6 mm。在2018年6月1日至2018年8月14日期间，测得纪念碑东侧4个测点均呈波动沉降变化趋势，经现场施工实践分析可知，这是由围护结构的继续施工和机动车辆行驶过程中的震动引起的，同时计算得出各测点平均每日沉降量分别为0.160 mm/d、0.105 mm/d、0.035 mm/d 和0.003 mm/d。在2018年8月15日至2018年8月31日期间，4 个测点的沉降量及平均每日沉降量均较小，此时东侧测点处于缓慢沉降期，最大沉降量依次为15.7 mm、10.9 mm、5.1 mm 和3.2 mm。

由纪念碑东北侧测点（B04-1、F04、B03-1）沉降量随时间变化规律可知，东北侧3测点沉降变化分为两个阶段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波动沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的缓慢沉降期。在波动沉降期，纪念碑东北侧3个测点共同受到周围维护施工和机动车行驶震动的影响，其沉降量呈波动沉降趋势，同时计算得出该阶段测点平均每日沉降量分别为0.196 mm/d、0.195 mm/d 和0.177 mm/d；在缓慢沉降期，纪念碑东北侧3个测点沉降量的变化幅度显著减小，最大沉降量分别为21.3 mm、21.1 mm 和18.1 mm。

由纪念碑西南侧测点（F10、JM6、JM5）沉降量随时间变化规律可知，该侧测点的沉降变化规律与东北侧测点一致，也相应地将西南侧测点的沉降变化分为两个阶段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波动沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的缓慢沉降期。在波动沉降期，纪念碑西南侧测点的平均每日沉降量分别为0.55 mm/d、0.31 mm/d 和0.40 mm/d；在缓慢沉降期，纪念碑西南侧测点的沉降量及平均每日沉降量显著减小，最大沉降量分别为67.5 mm、24.6 mm 和34.5 mm。

由纪念碑南侧测点（B07-2、B08-2）沉降随时间变化规律可知，该侧测点的沉降变化规律与东北侧测点一致，也相应地将南侧测点的沉降变化规律分为两个阶段，即2018年5月1日至2018年8月16日的波动沉降期和2018年8月17日至2018年8月31日的缓慢沉降期。在波动沉降期，纪念碑南侧测点的平均每日沉降量分别为0.51 mm/d 和0.58 mm/d；在缓慢沉降期，纪念碑南侧测点的沉降量及平均每日沉降量显著减小，最大沉降量分别为67.6 mm 和70.6 mm。

由上述综合分析可知，纪念碑周围沉降变形呈现差异性，东侧及东北侧相对于西南侧、南侧沉降量较小，表明此时的纪念碑具有从东北侧向西南侧倾斜的趋势，同时随着围护结构的继续施工，纪念碑向西南倾斜的趋势会有所改善。

现场实际调研及地质概况分析表明，造成纪念碑倾斜的因素众多，但主要有以下两种。

（1）纪念碑地表范围内为人工充填土及粉质黏土等，承载能力较弱，在围护结构开挖时往往引起地基结构空间里土体失稳、坍塌或掉块等，进而影响纪念碑的稳定性。

（2）围护结构施工过程中发生动荷载扰动，开挖空间未及时充填，充填物未及时形成承载体或围护结构设计得不合理性等。

4 纪念碑稳定性控制措施及其建议

在围护结构施工过程中，土体开挖往往会破坏纪念碑原地基土体的应力平衡状态，使得土体应力重新分布，甚至出现土体掉块等现象，从而造成纪念碑沉降和倾斜。因此，纪念碑的稳定控制措施主要包括以下两个方面：一方面，提高纪念碑自身刚度和承载力结构等；另一方面，减少纪念碑周边的施工扰动，并且改善其周边土体力学结构，从而提高土体承载力。

（1）优化围护结构（如地连墙）施工工序，尽量减少施工对纪念碑周围土体的动荷载扰动。

（2）采取注浆预加固周围土体时，应适当调整浆液配比，确保注浆液能够与土体形成统一整体，共同承载纪念碑的重力作用，减小其沉降和倾斜程度。

（3）对纪念碑自身结构进行加固。

对比分析纪念碑围护结构的施工过程，发现纪念碑不同侧面的沉降量都已经达到较大值并出现微倾斜现象，而此时下关站基坑未开挖，就已经发生了较大的沉降变形。因此，在隧道基坑开挖之前，应对纪念碑周边土体进行加固并取样监测，确定该加固措施能保证纪念碑的稳定。

5 结 语

依据纪念碑监测级别及现场勘查情况，对纪念碑沉降监测点进行了合理布置，主要监测内容包括纪念碑周边地表竖向位移和纪念碑竖向位移等。根据纪念碑沉降监测结果，研究分析了纪念碑东侧、东北侧、西南侧及南侧的差异性沉降变形情况，结果表明，纪念碑呈现由东北侧向西南侧倾斜的特征；对比各布置监测点的沉降量及平均每日沉降量可知，纪念碑西南侧测点（F10）和南侧测点（B08-2）的沉降量和平均每日沉降量最大，分别为67.50 mm、70.60 mm 和0.55 mm/d、0.58mm/d。随着围护施工的继续进行，各测点呈现出缓慢沉降的态势，纪念碑的稳定状态有所改善。现场实际调研及地质概况分析表明，造成纪念碑沉降变形的原因主要包括以下两个方面：一是纪念碑地基土承载性能较差，开挖易发生失稳；二是邻近纪念碑围护结构施工过程中的动荷载扰动、开挖空间未及时充填、充填物未及时形成承载体等。因此，纪念碑的稳定控制措施主要围绕以下两项内容展开：一是提高纪念碑自身刚度和承载力结构等；二是减少纪念碑周边施工扰动，并且改善其周边土体力学结构，从而提高土体承载力。