張 南

(故宮博物院,北京 100009)

通過分析巖土工程實(shí)際情況,預(yù)測其對基坑支護(hù)可能產(chǎn)生的影響,可以為建筑安全施工奠定前期基礎(chǔ)[1-2]。目前,關(guān)于巖土工程方面的研究大多在于參數(shù)確定方法的討論及山區(qū)巖土工程問題等[3-5],也有一部分學(xué)者關(guān)注巖土與地基處理之間的關(guān)系[6-8]。故宮是世界上現(xiàn)存最大、保存最完整的木結(jié)構(gòu)皇家宮殿建筑群,但是在遺產(chǎn)保存、保護(hù)、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(shè)項(xiàng)目在內(nèi)的“平安故宮”工程,為故宮博物院建設(shè)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)[9-10]。本文基于基本建設(shè)項(xiàng)目的巖土工程勘察,探討了具體項(xiàng)目的基坑支護(hù)方案及施工方法,為文物保護(hù)區(qū)內(nèi)類似項(xiàng)目的基坑支護(hù)方式提供有益探索。

1 故宮西南區(qū)域概況

1.1 工程概況

“平安故宮”工程包括文物保護(hù)綜合業(yè)務(wù)用房工程、地下文物通道工程、基礎(chǔ)設(shè)施管廊升級改造、應(yīng)急指揮中心項(xiàng)目等,大多位于故宮西南區(qū)域,即故宮西城墻東側(cè)、慈寧宮花園西側(cè)、武英殿北側(cè)、中國第一歷史檔案館東側(cè),見圖1。建設(shè)場地屬于故宮保護(hù)范圍的一般保護(hù)區(qū),用地性質(zhì)為非開放文物管理用地。建設(shè)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(chǔ)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(zhì)黏土,且較為松散;黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾雜中、細(xì)砂,主要礦石為云母、氧化鐵、石英、長石等,砂質(zhì)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(shè)場地實(shí)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(bǔ)給來源為大氣降水和管線及內(nèi)金水河滲漏,以蒸發(fā)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(bǔ)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(shè)場地近3 a～5 a最高潛水水位埋深在10.00 m以下。建設(shè)場地地段為對建筑抗震一般地段,抗震設(shè)防烈度為8度,場地類別為Ⅱ類。

1.2 建筑物基本概況

建設(shè)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(yùn)樓、武英殿等文物建筑,根據(jù)《故宮保護(hù)總體規(guī)劃》中關(guān)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(yùn)樓為三類文物建筑。

擬建重要構(gòu)筑物基本概況如表1所示。該區(qū)域項(xiàng)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(gòu)筑物基本概況

2 巖土勘察試驗(yàn)與評價(jià)

2.1 試驗(yàn)方法

采取現(xiàn)場鉆探取樣、原位測試、室內(nèi)土工試驗(yàn)方式,采用標(biāo)準(zhǔn)貫入重型圓錐動力觸探取原狀土樣和擾動土樣進(jìn)行試驗(yàn)。投入DPP100型汽車鉆機(jī)、SH-30型鉆機(jī)、STS-EX26型鉆機(jī)、XY-1型鉆機(jī)施工。取得結(jié)果后舍棄離散性較大的數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與評價(jià)

2.2.1 土層結(jié)構(gòu)性分析

故宮西南區(qū)域無影響其穩(wěn)定的不良地質(zhì)作用,除人工填土外,無濕陷性黃土、膨脹土、風(fēng)化巖及殘積土等特殊性巖土分布,而且不具備產(chǎn)生滑坡、崩塌、泥石流等地震地質(zhì)災(zāi)害的條件。場地位于同一地貌單元及同一工程地質(zhì)單元,各巖土層成因、沉積年代相同,在垂直方向上呈多層結(jié)構(gòu),水平方向地層分布較穩(wěn)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(shù)分析見表2。

表2 土層參數(shù)分析

2.2.2 地基承載力評價(jià)及變形參數(shù)分析

對各土層進(jìn)行了土工試驗(yàn)、原位測試試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)值及壓縮模量

2.2.3 場地土腐蝕性分析

對現(xiàn)場取得土樣進(jìn)行分析試驗(yàn),結(jié)果見表4。依據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范進(jìn)行判定,當(dāng)擬建場地環(huán)境類型按Ⅱ類考慮時(shí),判定該場地土對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)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(hù)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(wěn),從而造成建筑物結(jié)構(gòu)破壞。除人工填土層外,建設(shè)場地內(nèi)其他土層均可作為建筑物基礎(chǔ)的基礎(chǔ)持力層。

3.1.1 天然地基承載力處理方案

應(yīng)急指揮中心地基主要持力層為填土層,小部分為②黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土,不宜直接作為建筑物天然地基,須進(jìn)行地基處理。可采用CFG樁復(fù)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(hù)綜合業(yè)務(wù)用房地基主要持力層為③黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土,可采用天然地基。

基礎(chǔ)設(shè)施管廊地基主要持力層為④中、細(xì)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(jù)GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范對各土層進(jìn)行巖土施工工程分級,判定施工土石可挖分級情況。②黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、③黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、④中、細(xì)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(jī)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(jī)可直接鏟挖但不能滿載,使用挖掘機(jī)、帶齒尖口裝載機(jī)可滿載。Ⅳ級是軟質(zhì)巖,部分可以用撬棍及大錘開挖或挖掘機(jī)、單鉤裂土器進(jìn)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(hù)方案研究

3.2.1 施工工藝及基坑支護(hù)方案探討

建設(shè)場地內(nèi)存在填土層、上層滯水,靠近西華門城樓、故宮西城墻、內(nèi)金水河、慈寧花園西墻、武英殿、寶蘊(yùn)樓、古排水溝等情況下,采用明挖工法施工。同時(shí),采取懸臂護(hù)坡樁、雙排樁或護(hù)坡樁加內(nèi)支撐體系,或者土釘墻、復(fù)合土釘墻、錨拉式結(jié)構(gòu)等基坑邊坡支護(hù)方法。

建設(shè)場地靠近慈寧宮區(qū)域,施工過程下穿紅墻、內(nèi)金水河、古建筑和既有道路、構(gòu)筑物等情況下,采取淺埋暗挖工法施工。在自穩(wěn)定性較差的砂、卵石層,采取超前小導(dǎo)管注漿、超前鉆孔注漿、地表砂漿錨桿等地層預(yù)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(qiáng)度,保證各開挖階段圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在其他地層,采用鋼格柵或樁錨支護(hù)方式,開挖后須及時(shí)施作初期噴錨支護(hù),并適當(dāng)提高支護(hù)的強(qiáng)度和剛度,輔以拱背注漿措施,保證開挖后隧道穩(wěn)定,減少地層擾動,有效控制地面沉降。

3.2.2 基坑監(jiān)測分析

基礎(chǔ)施工期間對基坑進(jìn)行監(jiān)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(yīng)力、土壓力及孔隙水壓力的變形過程。

結(jié)合實(shí)際情況,水平位移監(jiān)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(jiān)測采用TrimbleDiNi12電子水準(zhǔn)儀,每公里偶然中誤差為0.3 mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測,預(yù)先在樁(墻)體中埋設(shè)測斜管,通過測斜儀觀測各深度處的水平位移。支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測使用鋼筋應(yīng)力計(jì)或混凝土應(yīng)變計(jì),根據(jù)鋼筋與混凝土共同工作、變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算得到相關(guān)結(jié)果?；又苓吔ㄖ锘A(chǔ)的相對沉降量監(jiān)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(jiān)測主要元件為土壓力盒,采用數(shù)字式頻率儀采集數(shù)據(jù)。孔隙水壓力監(jiān)測的設(shè)備為孔隙水壓力計(jì)與數(shù)字式頻率儀。根據(jù)工程進(jìn)展情況,及時(shí)埋設(shè)監(jiān)測測點(diǎn)和元器件,并按規(guī)定測試頻率進(jìn)行測試。

取得監(jiān)測資料后,及時(shí)進(jìn)行處理,排除儀器、讀數(shù)等操作過程中的失誤,剔除和識別各種粗大、偶然和系統(tǒng)誤差,使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料整理和初步定性分析,結(jié)果見表5。各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均未達(dá)到報(bào)警值,符合相關(guān)規(guī)范要求。

表5 基坑監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論及建議

文物保護(hù)區(qū)內(nèi)基本建設(shè)項(xiàng)目在確定基坑支護(hù)體系時(shí),應(yīng)充分利用巖土工程勘察結(jié)果,結(jié)合基坑的開挖方式、深度、地層垂直分布的復(fù)雜性及周邊環(huán)境等諸多因素的影響,既要滿足邊坡穩(wěn)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(chǎn)生不利影響。

1)故宮西南區(qū)域建設(shè)場地內(nèi)人工填土土質(zhì)不均,結(jié)構(gòu)松散,不宜作為天然地基,其余各地層均可作為建筑基礎(chǔ)的天然地基。靠近一般文物區(qū)域、紅墻等,采用明挖工法施工?？拷匾奈飬^(qū)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(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行基坑開挖,明挖工法施工采用懸臂護(hù)坡樁、雙排樁或護(hù)坡樁加內(nèi)支撐體系,或者土釘墻、復(fù)合土釘墻、錨拉式結(jié)構(gòu)等基坑邊坡支護(hù)方法。淺埋暗挖工法施工采用超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖等輔助措施和格柵鋼架支護(hù)。經(jīng)過實(shí)際監(jiān)測,以上基坑支護(hù)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(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行施工作業(yè),還應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和開挖洞室的穩(wěn)定性分析。同時(shí),采取帷幕降水井等措施,控制雨水沖刷對基坑施工的影響。