江苏南京定林寺斜塔纠偏及地基加固技术

唐兴元，徐 宁，胡为春

(江苏省地质工程有限公司，江苏 南京 210018)

0 引言

定林寺斜塔位于江苏省南京市江宁区方山西北麓。该塔始建于南宋乾道九年(公元1173年)，塔高约14.5 m，为七级八面砖仿木结构楼阁式砖塔。因年久失修，腰檐、塔顶及塔刹已毁，塔身严重向西北倾斜，倾斜度超过了闻名于世的意大利比萨斜塔。2002年底测得塔顶已偏离塔基中心1.6 m，倾斜度达7°32'，经计算，其倾斜度超过8°时有可能发生散塌破坏(戴轶苏，2003)。为保护具有重要文物价值的定林寺塔，笔者查阅了国内外相关技术资料，结合长期工程地质工作经验，形成了独特的“塔式古建筑组合控制纠偏技术”，将该塔从最大倾斜度7°59'纠偏至5°36'，纠偏幅度为2°23'，仍保持了世界上现存第一斜塔的要求。

1 定林寺斜塔的工程地质条件

定林寺所处基岩为新生代洞玄观组黄褐色砂砾层、细砂层与灰白色粉砂黏土层;方山组灰黑色橄榄玄武岩夹凝灰质砂砾岩、细砂岩、粗砂岩等(江苏省地质矿产局，1989，1997)。山坡坡脚为第四纪冲洪积层，主要砾石层、黏土层与淤泥层。冲洪积层由南往北逐渐增 厚，与基岩之间形成一个天然的坡面。定林寺塔建于冲洪积层之上，基础恰好位于强弱土层分界线附近(唐兴元，2002)，由于工程地质条件较差而导致塔身向北倾斜(图1)。

图1 场地地质状况

2 施工要求

施工要求保护文物完好无损。具体是:①不能破坏塔身结构;②保持塔身的外观面貌;③ 做到在安全系数内使塔身保持一定角度的斜度，要确保比世界著名斜塔——比萨塔(比萨塔倾斜5°21'16″)(马宁，2008)的倾斜度大，以达到世界第一斜塔的要求。

3 塔式古建筑组合控制纠偏技术

定林寺塔倾斜主要是由不良地质条件引起，而塔体对地质条件十分敏感，往往造成倾斜一侧地基应力集中。而且由于塔式古建筑长细比大，重心高，强度低，极易倾斜，加之加固纠偏期间多次发生特大暴雨，引起地下水位波动加剧，局部造成塔身加速倾斜，使塔基发生弯曲破坏或者整体坍塌。因此如何采取适宜的技术来保护此类文化遗产就成了一项重要的课题。

3.1 调整支挡结构施工顺序，控制塔基稳定

由于支挡结构处于塔体自重应力影响范围内，桩基挖土施工时必然因坑壁应力释放而产生变形。为此，通过调整挖桩施工顺序，使桩孔之间的土体起着土拱平衡的作用，有效地控制了塔基稳定。

根据工程地质条件，采用南北向不对称的椭圆形人工挖孔桩支挡结构，并嵌入基岩一定深度，使塔基周围形成一个相对稳定体，承受上部土体下滑力，从而保证古塔能永久矗立在这片风景如画的方山地质公园内。

由于人工挖孔桩距离塔外墙最近处仅3 m，处于塔体自重附加应力影响范围之内，桩孔开挖时，因坑壁的应力释放，必然引起变形。尤其是北侧土层厚度稍大，成桩深度亦大，容易引起土体变位，将直接影响塔体安全。所以，精心编排了合理的施工顺序(图2)，最大限度地发挥桩孔之间土体的土工平衡支撑作用，有效地控制了塔基稳定。

3.2 塔身整体捆绑与牵引辅助纠偏

首次采用塔身整体式捆绑方案，安全可靠地固定砖石塔身，有效地预防了塔身坍塌和再倾斜倒塌，为后续纠偏施工提供了强有力的保障;同时，通过调节缆风绳的牵引力有效控制了塔身的变形量。

图2 人工挖孔桩位置及施工顺序图

施工过程中，存在的主要危险是向下坍塌和再倾斜倒塌，防止再次倾斜的总拉力只需15 t。由于定林寺塔年久失修，塔体多处灰缝松弛或基本拉脱，为避免古塔加固纠偏过程中造成二次伤害，创造性地将古文物迁移时采用的捆绑技术首次应用到砖石古塔纠偏过程中。即从塔底开始自下而上分级整体捆绑塔身(图3)。根据每层塔面的大小沿塔面先垫衬泡沫板，再用木板严实包裹。包裹严实的木板外紧箍上角钢焊接的柜架，每层柜架焊接好。分层包箍严实后，用角钢与柜架纵向焊接，再用钢丝绳分层捆绑严实。

图3 塔身整体捆绑示意图

为保证后期掏土、注浆、挖土纠偏过程中塔身的抗变形能力，又在古塔倾斜的背面方向12～20 m远处埋设地锚，将钢丝绳从加固角钢柜架上的缆风环拴扣连接到地锚。用手拉葫芦基本收紧，再拧上松紧螺栓作最后调整，确保每根缆风绳受力基本一致。单股缆风绳的拉力约8.5 t。纠偏过程中还通过调节缆风绳的牵引力将塔身变形有效控制在预定围之内。

3.3 掏土、掏石与水冲法组合迫降纠偏

由于定林寺塔本身没有基础，只有一层花岗岩石板简单地铺筑在滚石之上，这势必会引起塔身结构在纠偏过程中造成其他损伤。因此，在注浆造成北侧塔基抬升时要合理控制注浆速度，在初期控制式注浆只能抬升北侧塔基的前提下，于古塔南侧开挖3口竖井，在井内向塔基底部分层进行水平掏土、掏石、打孔注水，迫使塔身向南回倾(彭振斌，1997)。基底掏孔的位置、深度及数量等参数则依据每天的变形观测数据进行调整(图4)。

图4 掏土(石)井孔示意图

3.4 控制式注浆加固纠偏

压密注浆施工为基础加固纠偏的关键工序，对塔基稳定起到决定性作用。为能保证通过塔身有效回倾，主要于北侧塔基下沉部位采用控制式双管双泵双液注浆工艺进行注浆(JGJ 123—2000)，以缓慢抬升北侧塔基;同时，于南侧塔基掏土，促使塔身回倾。注浆时间、注浆量以及掏土工艺均根据塔身变形量进行调整。

由于塔基下部水土流失比较严重，基底土体承载力不足是造成塔体破坏的最直接因素，因此必须对基底土体进行注浆加固，以达到压密土体提高承载力的目的。由于基底土体承载力不足的区域主要为偏压一侧，因此选择塔北门一侧土体重点进行注浆加固，考虑以较高的压力注浆抬升塔体偏压一侧以达到纠偏的目的。根据测算，偏压一侧若抬高6 cm即可达到纠偏1°的效果。为此设计布置了100个注浆孔，塔基南侧为止水帷幕，塔基北侧(偏压侧)为加固纠偏孔，并布置有多个斜孔与直孔相间。注浆孔间距1.0 m左右，梅花形布置(图5);孔深以进入基岩0.5～1.0 m为准，斜孔孔深长短相间。考虑到注浆对周围土体安全性的影响(程骁等，1998)，施工时采用了双管双液二次注浆工法，第一次为单液渗透注浆，第二次为双液劈裂注浆，浆液配合比为水玻璃∶水泥=1∶(1～1.5)，第一次单液渗透注浆水灰比0.7～0.8，第二次双液劈裂注浆水灰比为0.5～0.6。由于期间多次遭遇暴雨侵袭，局部时段造成塔身倾斜加速，为此对注浆加固方案作了适当调整:塔基偏压一侧采用控制式双管、双泵、双液注浆工艺进行注浆，以缓慢抬升北侧塔基，内2圈注浆孔的间距调整为0.5 m。

图5 压密注浆孔位布置图

注浆施工顺序为:①首先施工北侧近塔身附近的两排直孔，以稳定塔基不再倾斜;② 塔基北侧自北而南逐排施工双液注浆加固土体，同时间隔施工塔基附近的少量斜孔;③塔基南侧单液渗透注浆加固土体;④塔南挡土桩外侧施工止水帷幕;⑤ 塔基北侧施工双管双液斜孔注浆，每天1孔，同时于塔基南侧掏土迫降。注浆孔的类型、数量、位置以及注浆压力则根据塔身倾斜度变化进行调整。一般要求按2孔/日进行注浆加固纠偏，当日同时根据塔身各部位的变形量变换孔位，以确保单日塔身倾斜度变化控制在60″～100″以内。

4 结论

在上述技术的应用中，首先对塔身进行整体式捆绑，达到保护塔身的作用，避免加固纠偏过程中对塔身结构造成二次伤害;利用缆风绳的牵引有效控制塔身变形;倾斜侧注浆加固、抬升沉降侧的基础，同时于倾斜背面掏土迫降。施工过程中加强变形观测，严密监测建筑物的变形量，及时根据变形监测结果合理调整注浆、掏土参数。根据定林寺塔的加固纠偏经验，当塔身倾斜度单日变化小于60″～100″时，塔身结构基本不受影响。通过塔式古建筑组合控制纠偏技术，定林斜塔纠偏及地基加固工程达到了南京市文物局提出的各项要求。在定林寺塔修缮完毕之后，于2010年8月对定林寺塔的倾斜度进行了测量，测定的定林寺塔倾斜度依然保持为5°36'。

程骁，张凤祥.1998.土建注浆施工与效果检测［M］.上海:同济大学出版社.

戴轶苏.2003.倾斜砖石古塔结构的安全性和稳定性分析［D］.南京:东南大学.

江苏省地质矿产局.1989.宁镇山脉地质志［M］.南京:江苏科学技术出版社.

江苏省地质矿产局.1997.江苏省岩石地层［M］.武汉:中国地质大学出版社.

JGJ 123—2000，既有建筑地基基础加固技术规范［S］.

马宁.2008.土力学与地基基础［M］.北京:科学出版社.

彭振斌.1997.托换工程设计计算与施工［M］.武汉:中国地质大学出版社.

唐兴元.2002.南京市江宁区方山定林寺塔纠偏勘察报告［R］.南京:核工业南京工程勘察院.