PBA(桩-梁-拱)工法在南京地铁4号线鼓楼站古建筑保护中的应用

朱红华 王国光 李凤涛

(1.南京地铁建设有限责任公司， 210017，南京； 2.中国铁路设计集团有限公司，300143，天津//第一作者，高级工程师)

在城市轨道交通建设中，车站深基坑周边如果存在有文物保护价值的古建筑，则会对车站深基坑的设计施工提出一系列特殊要求，以确保古建筑结构及变形满足相关要求。在实际工程中，古建筑保护往往具体量化要求不明确或缺乏统一性标准，针对古建筑保护效果的分析也往往缺乏针对性和系统性。本文以南京地铁4号线鼓楼站施工为例，介绍了古建筑的临时加固措施、适用于古建筑保护的地铁站施工工法和施工控制措施。本文介绍的方法可有效地控制古建筑的变形及地面沉降，为类似工程提供参考。

1 项目概况

1.1 车站概况

南京地铁4号线鼓楼站(以下简为“鼓楼站”)处于南京市核心区，位于北京东、西路交汇处，沿北京西路敷设，如图1所示。鼓楼站为与既有1号线的换乘站，其东侧为既有1号线鼓楼站，西侧为鼓楼公园。鼓楼站为地下两层13.7 m岛式站台车站。车站外包总长度为256.045 m，标准段宽度为49.40 m。

鼓楼是江苏省文物保护建筑单位，位于鼓楼公园环岛中间。鼓楼站下穿鼓楼公园段的长度约为38.95 m。该处结构覆土为5.40～10.80 m。车站到鼓楼结构水平距离为1.70 m，垂直距离为10.98 m。车站下穿鼓楼公园段的岩土层分布不均匀，主要为①-1填土层、④-3b1-2粉质黏土层、K-2-2强风化砂砾岩、K-3-2和K-3-3中风化砂砾岩。车站开挖影响范围内岩层主要为K-3-2、K-3-3中风化砂砾岩，顶部基本为中风化砂砾岩，岩层强度超过30 MPa。经分析比较，鼓楼站基坑开挖采取松动爆破为主、预裂爆破为辅的开挖方法，并采用毫秒延时爆破技术，以降低各测点的振动速度等指标。

图1 4号线鼓楼站与鼓楼位置关系平面示意图

1.2 鼓楼概况

鼓楼是省级文物，始建于1382年(明代)，现在已历经600余年，是南京的标志性建筑之一。由于多年未进行大修，楼体表面已出现多处裂缝，木材腐烂。为判断地铁施工对文物鼓楼的影响，需要在施工前先对鼓楼本体结构的状态进行检测评估，以形成评价和参照的体系。

根据JGJ 125—1999《危险房屋鉴定标准》，检测评定文物鼓楼各部分结构的危险等级：地基基面评定等级为b级；城阙评定危房等级为b级；碑楼评定危房等级为c级。结合城阙基础、城阙和碑楼承重结构的评定等级，鼓楼整体危险性评定等级为b级。这是文物结构受力和施工过程对文物鼓楼影响分析计算的控制标准和理论依据，可指导后续的加固和防护措施。

2 古建筑保护的施工方案

2.1 临时加固措施

通过三维模型对施工过程进行模拟。基于有限元法原理，同时结合试爆试验，分析发现鼓楼的结构可能在施工过程中受损，故有必要采取临时加固措施。其目的不仅要保证鼓楼结构在施工期间的完整性和安全性，还要保证所有加固措施的施工、使用和拆除都不对文物产生损害。

根据对鼓楼建筑的现状检测结果和开挖施工对文物鼓楼建筑影响的分析，结合鼓楼的结构特征及外观环境因素等方面的考虑，确定加固基本思路为：城阙以防坍塌为主，其中缺陷和开裂部位进行修补和灌浆加固；碑楼以防坍塌为主，同时控制施工过程中的变形及爆破产生的加速度，对部分构造存在缺陷的重点部位进行加固。

加固设计方案为：城阙加固采用周边抱箍方法；城阙拱券采用劲性骨架满堂支撑的方法加固，劲性骨架与拱券之间采用木楔顶紧。对于城阙墙体开裂部位，采用结构胶进行灌注。图2为临时加固现场照片。

图2 临时加固现场照片

2.2 地铁车站的施工方法

为了保护文物建筑鼓楼，4号线鼓楼站下穿鼓楼公园部分采用暗挖法施工。暗挖法施工多采用中洞法或柱洞法。其中，中洞法一般采用CRD(交叉中隔墙)工法，柱洞法一般采用PBA(桩-梁-拱)工法。

2.2.1 CRD工法

CRD工法的施工断面较小，无法采用机械破碎、人工开挖方法施工。如采用松动爆破法施工，则爆破工程量巨大。而且，CRD工法要分块开挖支护，多次扰动土体，开挖暴露时间长，不利于快速封闭成环和整体沉降控制。此外，衬砌过程中需拆除临时支撑，会引发二次沉降。因此，CRD工法不适用于对周边有管线、城市交通主干道及文物等重要建构筑物的情况。

2.2.2 PBA工法

PBA工法将盖挖及分步暗挖法有机结合，属于逆作法施工。采用PBA工法施工的暗挖段有3个导洞。导洞上的初期受力体系为由边桩、中桩(柱)、顶底梁及顶拱形成的单层三跨三连拱结构。在顶拱的保护下可以逐层向下开挖土体，施作二次衬砌，最终形成由初期支护+二次衬砌组合而成的永久承载体系。

导洞及主体顶拱初期支护采用大管棚及小导管注浆超前加固地层等施工辅助措施。顶拱由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模筑钢筋混凝土的二次衬砌构成，并在初期支护与二次衬砌之间设有柔性防水层。基坑采用人工挖孔灌注桩(φ1 200 @2 700)加钢支撑支护；该灌注桩还兼做承载力桩基，以承受暗挖逆筑法顶拱脚竖向压力。

开挖中，3个导洞采用减震爆破+风镐破除。导洞开挖按由浅覆土至深覆土的顺序，导洞开挖面前后错开3～5 m。钢管柱及围护桩采用减震爆破成孔。梁柱及顶拱完成后，剩余的大量石方采用大型机械破除。

2.3 PBA工法的施工控制措施

PBA工法的关键工作是边桩、中柱、纵梁体系及顶拱的施工。由于边桩、中柱及纵梁全部为洞内施工作业，而顶拱施工工序较为复杂，因此， PBA工法的技术难点为：解决好桩柱梁体系及顶拱形成过程中的力学转换及平衡，确保桩柱梁及顶拱体系施工质量，防止结构变形、失稳和破坏，避免出现地面及拱部的沉降超限和局部坍塌。

针对技术难点，PBA工法的施工控制措施为：

1) 采用有限元法对各步序工况进行模拟分析，确定支护的强度及刚度。这是安全保证的理论基础。

2) 采用全过程信息化管理，加强过程监测，实施动态化施工，根据监控量测、信息反馈、位移反分析来调整支护参数。这是安全保证的主要手段。

3) 在多个小导洞开挖时，进行工况分析，合理开挖顺序，先施工两侧导洞，拉开一定距离后，再施工中部导洞，相邻导洞之间错开一定距离施工，减少围岩扰动次数，减小群洞效应。

4) 该项目地处富水地层，故还要加强降水，做好配合工作，做好洞内的散水排放和注浆止水工作，保证无水作业，以避免局部坍塌或流砂等现象。

5) 在顶拱和小导洞拱部开挖前，采取小导管注浆超前加固地层，架设临时支撑，及时喷射混凝土，以保证开挖及支护安全。

6) 根据地质条件及导洞工作面大小，采用人工挖孔成桩进行边桩及中柱钢护筒施工，保证成桩垂直度。钢管柱安装就位并灌注钢筋混凝土后，钢管柱与柱孔之间空隙用细砂填密实。

2.4 施工期间的鼓楼监测分析

在施工过程中，对文物鼓楼城阙、碑楼及石碑和周边环境进行安全监控。

对鼓楼墙体至基坑开挖处进行不均匀沉降监测。累计不均匀沉降量最大差值为5.42 mm，鼓楼墙体处的最大不均匀沉降差值为4.5 mm。可见，不均匀沉降差值总量较小。根据监测数据，城阙与碑楼水平位移变化总量较小。

振动速度监测结果为：城阙振动速度变化范围为0.01～1.93 mm/s，碑楼振动速度变化范围为0.03～1.66 mm/s，石碑振动速度变化范围为0.01～1.75 mm/s。各处振动速度值主要分布如表1所示。

表1 各处振动速度值主要分布统计

根据统计数据，局部振动速率已超过原监测方案规定的报警值(木结构报警值为0.30 mm/s，城墙及城阙报警值为0.45 mm/s)。但根据GB 6722—2011《爆破安全规程》，一般古建筑与古迹安全允许质点振动速度为1.0～3.0 mm/s。结合现场巡视和检测结果，爆破振动虽然有少量监测点的振动速度超出原方案规定的报警值，但振动并没有对鼓楼主体结构造成损伤。

根据监测数据，城阙加固预应力筋内力变化无明显规律，大部分预应力筋在整个监测过程中内力变化程度较小(5%左右)。结合城阙既有裂缝观测，可以判断城阙结构完整性未受到地铁施工影响。

3 结语

地铁车站设计施工中的古建筑保护具有特殊性和针对性。对古建筑这类环境风险控制，一般会在一定的安全距离情况下选择合适的施工工法。

本文结合南京地铁4号线鼓楼站工程侧穿鼓楼文物进行分析。对文物鼓楼的现状进行了专业的检测及评估，得出了各结构的危险等级，对古建筑本体采取了临时加固措施；详细分析了暗挖大跨

结构PBA工法的适用性及施工中的控制措施。PBA工法增加了围护结构，可以支撑鼓楼建筑带来的侧向压力；PBA工法的爆破开挖工程量少且初支封闭早，可减少爆破施工对地层的多次扰动；PBA工法拱顶二衬结构施工较早，上部初支的暴露时间短，依靠较早形成的桩、梁、拱整体结构的可靠支撑，有利于减小地面沉降值，保证鼓楼建筑的结构稳定。从监测数据可以得出，PBA工法施工变形控制较好，可以有效地保护古建筑的安全。