江蘇南京定林寺斜塔糾偏及地基加固技術(shù)

唐興元，徐 寧，胡為春

(江蘇省地質(zhì)工程有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

定林寺斜塔位于江蘇省南京市江寧區(qū)方山西北麓。該塔始建于南宋乾道九年(公元1173年)，塔高約14.5 m，為七級八面磚仿木結(jié)構(gòu)樓閣式磚塔。因年久失修，腰檐、塔頂及塔剎已毀，塔身嚴(yán)重向西北傾斜，傾斜度超過了聞名于世的意大利比薩斜塔。2002年底測得塔頂已偏離塔基中心1.6 m，傾斜度達(dá)7°32'，經(jīng)計算，其傾斜度超過8°時有可能發(fā)生散塌破壞(戴軼蘇，2003)。為保護(hù)具有重要文物價值的定林寺塔，筆者查閱了國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合長期工程地質(zhì)工作經(jīng)驗，形成了獨(dú)特的“塔式古建筑組合控制糾偏技術(shù)”，將該塔從最大傾斜度7°59'糾偏至5°36'，糾偏幅度為2°23'，仍保持了世界上現(xiàn)存第一斜塔的要求。

1 定林寺斜塔的工程地質(zhì)條件

定林寺所處基巖為新生代洞玄觀組黃褐色砂礫層、細(xì)砂層與灰白色粉砂黏土層;方山組灰黑色橄欖玄武巖夾凝灰質(zhì)砂礫巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989，1997)。山坡坡腳為第四紀(jì)沖洪積層，主要礫石層、黏土層與淤泥層。沖洪積層由南往北逐漸增 厚，與基巖之間形成一個天然的坡面。定林寺塔建于沖洪積層之上，基礎(chǔ)恰好位于強(qiáng)弱土層分界線附近(唐興元，2002)，由于工程地質(zhì)條件較差而導(dǎo)致塔身向北傾斜(圖1)。

圖1 場地地質(zhì)狀況

2 施工要求

施工要求保護(hù)文物完好無損。具體是:①不能破壞塔身結(jié)構(gòu);②保持塔身的外觀面貌;③ 做到在安全系數(shù)內(nèi)使塔身保持一定角度的斜度，要確保比世界著名斜塔——比薩塔(比薩塔傾斜5°21'16″)(馬寧，2008)的傾斜度大，以達(dá)到世界第一斜塔的要求。

3 塔式古建筑組合控制糾偏技術(shù)

定林寺塔傾斜主要是由不良地質(zhì)條件引起，而塔體對地質(zhì)條件十分敏感，往往造成傾斜一側(cè)地基應(yīng)力集中。而且由于塔式古建筑長細(xì)比大，重心高，強(qiáng)度低，極易傾斜，加之加固糾偏期間多次發(fā)生特大暴雨，引起地下水位波動加劇，局部造成塔身加速傾斜，使塔基發(fā)生彎曲破壞或者整體坍塌。因此如何采取適宜的技術(shù)來保護(hù)此類文化遺產(chǎn)就成了一項重要的課題。

3.1 調(diào)整支擋結(jié)構(gòu)施工順序，控制塔基穩(wěn)定

由于支擋結(jié)構(gòu)處于塔體自重應(yīng)力影響范圍內(nèi)，樁基挖土施工時必然因坑壁應(yīng)力釋放而產(chǎn)生變形。為此，通過調(diào)整挖樁施工順序，使樁孔之間的土體起著土拱平衡的作用，有效地控制了塔基穩(wěn)定。

根據(jù)工程地質(zhì)條件，采用南北向不對稱的橢圓形人工挖孔樁支擋結(jié)構(gòu)，并嵌入基巖一定深度，使塔基周圍形成一個相對穩(wěn)定體，承受上部土體下滑力，從而保證古塔能永久矗立在這片風(fēng)景如畫的方山地質(zhì)公園內(nèi)。

由于人工挖孔樁距離塔外墻最近處僅3 m，處于塔體自重附加應(yīng)力影響范圍之內(nèi)，樁孔開挖時，因坑壁的應(yīng)力釋放，必然引起變形。尤其是北側(cè)土層厚度稍大，成樁深度亦大，容易引起土體變位，將直接影響塔體安全。所以，精心編排了合理的施工順序(圖2)，最大限度地發(fā)揮樁孔之間土體的土工平衡支撐作用，有效地控制了塔基穩(wěn)定。

3.2 塔身整體捆綁與牽引輔助糾偏

首次采用塔身整體式捆綁方案，安全可靠地固定磚石塔身，有效地預(yù)防了塔身坍塌和再傾斜倒塌，為后續(xù)糾偏施工提供了強(qiáng)有力的保障;同時，通過調(diào)節(jié)纜風(fēng)繩的牽引力有效控制了塔身的變形量。

圖2 人工挖孔樁位置及施工順序圖

施工過程中，存在的主要危險是向下坍塌和再傾斜倒塌，防止再次傾斜的總拉力只需15 t。由于定林寺塔年久失修，塔體多處灰縫松弛或基本拉脫，為避免古塔加固糾偏過程中造成二次傷害，創(chuàng)造性地將古文物遷移時采用的捆綁技術(shù)首次應(yīng)用到磚石古塔糾偏過程中。即從塔底開始自下而上分級整體捆綁塔身(圖3)。根據(jù)每層塔面的大小沿塔面先墊襯泡沫板，再用木板嚴(yán)實包裹。包裹嚴(yán)實的木板外緊箍上角鋼焊接的柜架，每層柜架焊接好。分層包箍嚴(yán)實后，用角鋼與柜架縱向焊接，再用鋼絲繩分層捆綁嚴(yán)實。

圖3 塔身整體捆綁示意圖

為保證后期掏土、注漿、挖土糾偏過程中塔身的抗變形能力，又在古塔傾斜的背面方向12～20 m遠(yuǎn)處埋設(shè)地錨，將鋼絲繩從加固角鋼柜架上的纜風(fēng)環(huán)拴扣連接到地錨。用手拉葫蘆基本收緊，再擰上松緊螺栓作最后調(diào)整，確保每根纜風(fēng)繩受力基本一致。單股纜風(fēng)繩的拉力約8.5 t。糾偏過程中還通過調(diào)節(jié)纜風(fēng)繩的牽引力將塔身變形有效控制在預(yù)定圍之內(nèi)。

3.3 掏土、掏石與水沖法組合迫降糾偏

由于定林寺塔本身沒有基礎(chǔ)，只有一層花崗巖石板簡單地鋪筑在滾石之上，這勢必會引起塔身結(jié)構(gòu)在糾偏過程中造成其他損傷。因此，在注漿造成北側(cè)塔基抬升時要合理控制注漿速度，在初期控制式注漿只能抬升北側(cè)塔基的前提下，于古塔南側(cè)開挖3口豎井，在井內(nèi)向塔基底部分層進(jìn)行水平掏土、掏石、打孔注水，迫使塔身向南回傾(彭振斌，1997)?；滋涂椎奈恢谩⑸疃燃皵?shù)量等參數(shù)則依據(jù)每天的變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整(圖4)。

圖4 掏土(石)井孔示意圖

3.4 控制式注漿加固糾偏

壓密注漿施工為基礎(chǔ)加固糾偏的關(guān)鍵工序，對塔基穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。為能保證通過塔身有效回傾，主要于北側(cè)塔基下沉部位采用控制式雙管雙泵雙液注漿工藝進(jìn)行注漿(JGJ 123—2000)，以緩慢抬升北側(cè)塔基;同時，于南側(cè)塔基掏土，促使塔身回傾。注漿時間、注漿量以及掏土工藝均根據(jù)塔身變形量進(jìn)行調(diào)整。

由于塔基下部水土流失比較嚴(yán)重，基底土體承載力不足是造成塔體破壞的最直接因素，因此必須對基底土體進(jìn)行注漿加固，以達(dá)到壓密土體提高承載力的目的。由于基底土體承載力不足的區(qū)域主要為偏壓一側(cè)，因此選擇塔北門一側(cè)土體重點(diǎn)進(jìn)行注漿加固，考慮以較高的壓力注漿抬升塔體偏壓一側(cè)以達(dá)到糾偏的目的。根據(jù)測算，偏壓一側(cè)若抬高6 cm即可達(dá)到糾偏1°的效果。為此設(shè)計布置了100個注漿孔，塔基南側(cè)為止水帷幕，塔基北側(cè)(偏壓側(cè))為加固糾偏孔，并布置有多個斜孔與直孔相間。注漿孔間距1.0 m左右，梅花形布置(圖5);孔深以進(jìn)入基巖0.5～1.0 m為準(zhǔn)，斜孔孔深長短相間?？紤]到注漿對周圍土體安全性的影響(程驍?shù)龋?998)，施工時采用了雙管雙液二次注漿工法，第一次為單液滲透注漿，第二次為雙液劈裂注漿，漿液配合比為水玻璃∶水泥=1∶(1～1.5)，第一次單液滲透注漿水灰比0.7～0.8，第二次雙液劈裂注漿水灰比為0.5～0.6。由于期間多次遭遇暴雨侵襲，局部時段造成塔身傾斜加速，為此對注漿加固方案作了適當(dāng)調(diào)整:塔基偏壓一側(cè)采用控制式雙管、雙泵、雙液注漿工藝進(jìn)行注漿，以緩慢抬升北側(cè)塔基，內(nèi)2圈注漿孔的間距調(diào)整為0.5 m。

圖5 壓密注漿孔位布置圖

注漿施工順序為:①首先施工北側(cè)近塔身附近的兩排直孔，以穩(wěn)定塔基不再傾斜;② 塔基北側(cè)自北而南逐排施工雙液注漿加固土體，同時間隔施工塔基附近的少量斜孔;③塔基南側(cè)單液滲透注漿加固土體;④塔南擋土樁外側(cè)施工止水帷幕;⑤ 塔基北側(cè)施工雙管雙液斜孔注漿，每天1孔，同時于塔基南側(cè)掏土迫降。注漿孔的類型、數(shù)量、位置以及注漿壓力則根據(jù)塔身傾斜度變化進(jìn)行調(diào)整。一般要求按2孔/日進(jìn)行注漿加固糾偏，當(dāng)日同時根據(jù)塔身各部位的變形量變換孔位，以確保單日塔身傾斜度變化控制在60″～100″以內(nèi)。

4 結(jié)論

在上述技術(shù)的應(yīng)用中，首先對塔身進(jìn)行整體式捆綁，達(dá)到保護(hù)塔身的作用，避免加固糾偏過程中對塔身結(jié)構(gòu)造成二次傷害;利用纜風(fēng)繩的牽引有效控制塔身變形;傾斜側(cè)注漿加固、抬升沉降側(cè)的基礎(chǔ)，同時于傾斜背面掏土迫降。施工過程中加強(qiáng)變形觀測，嚴(yán)密監(jiān)測建筑物的變形量，及時根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果合理調(diào)整注漿、掏土參數(shù)。根據(jù)定林寺塔的加固糾偏經(jīng)驗，當(dāng)塔身傾斜度單日變化小于60″～100″時，塔身結(jié)構(gòu)基本不受影響。通過塔式古建筑組合控制糾偏技術(shù)，定林斜塔糾偏及地基加固工程達(dá)到了南京市文物局提出的各項要求。在定林寺塔修繕完畢之后，于2010年8月對定林寺塔的傾斜度進(jìn)行了測量，測定的定林寺塔傾斜度依然保持為5°36'。

程驍，張鳳祥.1998.土建注漿施工與效果檢測［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社.

戴軼蘇.2003.傾斜磚石古塔結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性分析［D］.南京:東南大學(xué).

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局.1989.寧鎮(zhèn)山脈地質(zhì)志［M］.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局.1997.江蘇省巖石地層［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社.

JGJ 123—2000，既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范［S］.

馬寧.2008.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社.

彭振斌.1997.托換工程設(shè)計計算與施工［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社.

唐興元.2002.南京市江寧區(qū)方山定林寺塔糾偏勘察報告［R］.南京:核工業(yè)南京工程勘察院.