城市地铁项目建设对古建筑的影响

摘要：为了研究西安地铁二号线工程建设对周围环境产生的影响,并对该工程沿线的古建筑进行保护,通过类比调查和数据分析的方法,分析了西安地铁二号线工程在施工期和营运期对古建筑产生的振动和地基不均匀沉降等影响。结果表明：西安地铁二号线工程建设对地下水的扰动不会影响古建筑的安全；同时，建设产生的振动影响在古建筑的振动允许限值内。为了最大程度地减小西安地铁二号线工程建设对古建筑的影响,提出了合理的古建筑加固方案和工程减振措施。 　　 关键词：城市； 快速轨道交通；地铁；古建筑；影响
　　 引 言
　　城市 快速轨道交通是指城市中有轨的大运量的公共交通运输系统,其中包括地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车及悬浮列车等多种类型。1863年1月10日,英国伦敦建成世界上第1条地铁并开始通车,标志着城市地下轨道交通方式的诞生。100多年以后,轨道交通已经成为一种普遍的城市现代化交通运输系统。目前全世界有100多座城市开通了300多条地铁线路,总长度超过6000km。
　　城市地铁运输系统以其占地少、运量大、速度快、准时、方便、舒适等优点而受到人们的青睐,同时,地铁运行产生的振动也越来越被人们所重视,特别是对古建筑的影响。例如，在捷克,繁忙的公路和地铁线附近某些砖石结构的古教堂因车辆通过时引起振动而产生裂缝,甚至由于裂缝不断扩大而导致建筑物倒塌；巴黎地铁七号线和十三号线对巴士底狱新歌剧院的影响等[1-2]。就此各国专家对城市轨道交通振动产生的原因、污染的规律、传播的途径及控制的方法等进行了研究[3-4]。
　　西安是具有13个历史朝代的著名古都,至今保留下来的古建筑分布较广,因此,西安城市地铁项目建设对古建筑的影响备受关注。西安地铁二号线南北向穿越西安市的主城区,不可避免地穿越国家级文物保护建筑———西安明城墙及钟楼。笔者结合该工程,分析了城市地铁项目建设对古建筑的影响,提出了保护古建筑的方案,实现城市建设与古建筑保护的协调发展。
　　 1、西安地铁二号线沿线古建筑分布
　　依据《西安地铁二号线工程可行性研究报告》,西安地铁二号线工程涉及两处古建筑,即西安明城墙和钟楼。
　　1.1明城墙
　　西安明城墙建于明洪武三年至十一年(1370～1378年),是在唐长安城的皇城和元代奉元城的基础上扩建而成的。明城墙高12m,底宽16～18m顶宽12～14m。据含光门遗址考古资料,明城墙基础深度距现地表约为3～5m。城外为护城河,护城河宽20～22m,深12～15m。西安明城墙是现今保存最完整的中国古代城垣建筑,也是世界上现存规模最大、最完整的古代军事城堡设施[5]。
　　西安地铁二号线以左、右线距北城门洞外侧和南城门洞内侧水平距离9m处绕行下穿,隧道埋深18m(南门)和24.5m(北门)。明城墙内部为夯土,外部为砖砌,基础为夯筑,内、外层之间为不同材料、不同时期的构筑物,整体结构较松散。
　　1.2钟 楼
　　西安钟楼始建于明洪武十七年(1384年),是一座重檐四角攒尖木结构的建筑,基座为方形,边长35.5m,高8.6m,用青砖白灰砌筑而成,四面正中有高、宽各6m的券洞以连通四街。钟楼分2层,地面至顶高36m,原置唐景云钟。
　　西安地铁二号线在钟楼处采取左、右线分开绕行以隧道方式通过,左、右线距钟楼基座17m,隧道埋深17m。
　　1.3地质状况
　　西安地铁二号线经过古建筑段原地貌为黄土梁洼区,地层为第四系上更新统风积及第四系中更新统风积、冲积层。地下水位埋深8m左右,地下水位附近有薄层软塑层,黄土湿陷性、饱和软黄土是本区的主要工程地质问题。隧道围岩分类为Ⅰ类。
　　 2、西安地铁二号线对古建筑的影响
　　2.1施工期
　　西安地铁项目建设在施工期间对古建筑的影响,主要来自于隧道及地下车站施工引起的地层水环境扰动和由此引起的基础不均匀沉降[6-8]。
　　在隧道及地下车站施工前,通过地层任一水平截面,上覆地层荷载所形成的总应力与地下水压力、固体骨架的有效应力相平衡。在工程施工建设后,人工降水及水向其中的排泄都能使工程范围内的地下水位降低,致使地下水的压力减小。为了维持其平衡,这部分力将转移到多孔介质骨架上,即增大了有效应力,从而压缩多孔介质,土层将出现固结沉降。由于人工降水引起的地面沉降量在空间上分布不均匀,从而导致天然地基上的建筑物产生不均匀沉降。
　　西安地铁隧道不论以何种方式穿过古建筑基础均要改变古建筑基础的原始受力状态,其中尤以浅埋暗挖法对地层的影响最大。以经济有效的方法顺利通过古建筑是工程施工中面临的主要问题。
　　依据古代造筑的习惯和现有护城河的深度进行分析,西安地铁二号线工程穿越时不会伤及古建筑主体。从平纵位置分析,该工程已经避开了古建筑基础应力扩散范围。
　　西安地铁二号线经过钟楼和明城墙段线位处于潜水含水层系统中,由于该段黄土层深厚,黄土的渗透性差,且采用盾构法施工,不需工程降水,因此,地铁区间隧道施工对地下水位影响较小,同时采用盾尾同楼和明城墙段线位处于潜水含水层系统中,由于该段黄土层深厚,黄土的渗透性差,且采用盾构法施工,不需工程降水,因此,地铁区间隧道施工对地下水位影响较小,同时采用盾尾同步注浆、衬砌回填压浆及地面跟踪注浆等综合措施后,可以有效控制地面不产生沉降或仅有毫米级微小沉降。
　　西安地铁二号线在钟楼站和南门站采用浅埋暗挖法进行施工。这种施工方法采用锚喷结构作为洞室的施工支护,然后再施作二次衬砌,不需要施工降水,仅有少量渗入的地下水需要排出。地下车站施工对地下水位的影响很小,对建筑物的间接影响也很小。考虑到钟楼站距钟楼70m、南门站距明城墙南门30m,距离较近,应采取相应的措施加强对古建筑的保护。
　　2.2营运期
　　西安地铁二号线工程营运期对古建筑的影响主要来自列车运行时产生的振动和隧道作为弱透水层对地下水流场扰动引起的建筑物不均匀沉降。
　　2.2.1振动影响
　　振动在土壤介质中的传播规律非常复杂,与振源本身的情况、地质条件等诸多因素有关。由于西安目前尚无地铁,没有轨道交通振动的实测数据,因此难于对西安地铁二号线沿线涉及古建筑的振动速度进行准确的预测和判断。
　　鉴于西安地铁二号线与北京地铁一号线工程情况十分相似,地质条件比较接近,可将北京地铁一号线作为类比调查对象。通过类比判定,西安地铁二号线沿线古建筑在营运期受地铁产生的振动速度不会超过0.4mm·s-1(垂向最大值),小于1.8mm·s-1的标准限值。
　　鉴于目前明城墙、钟楼沿线现有道路交通对其振动的影响,西安地铁二号线营运后,由于公路交通造成的振动和地铁造成的振动将共同对明城墙、钟楼产生影响,考虑地面交通和地下轨道交通的累积振动效应。
　　2.2.2对地下水流场的影响
　　该隧道工程在潜水含水层中形成一弱透水层,阻碍地下水的径流,导致地下水流场发生变化。由于西安地铁二号线线位走向与地下水流方向斜交,在该工程线路的东侧地下水位略有抬升,西侧地下水位稍有下降,但从3个极端降水频率(95%、75%、50%)年预测的数据看,西安地铁二号线工程建设对明城墙、钟楼下方地下水的影响无论是在抬升区还是下降区潜水位的变幅都不大,基本控制在0.05～0.08m。这是因为地铁隧道的高度,即弱透水层的厚度只有6m,而其通过的潜水含水层厚度约为25m,再加地铁隧道上部约有9m潜水含水层相通,因此,该工程建设对地下水流场影响较小,不会造成地表建筑物的不均匀沉降。
　　 3、古建筑保护措施
　　3.1施工方法
　　西安地铁二号线穿过钟楼和明城墙路段,采用盾构法进行施工。盾构法施工具有施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点。可以通过对盾构姿态的调整,减少对明城墙和钟楼产生的不利影响,控制盾构出碴量及土仓压力,及时进行盾尾同步注浆、衬砌回填压浆及地面跟踪注浆,以确保施工期间明城墙及钟楼的安全。
　　3.2加固措施
　　3.2.1明城墙基础
　　在盾构通过前预先对明城墙两侧土体进行加固处理,加固采用直径600mm的密排旋喷桩和钻孔桩。密排旋喷桩加固的范围为宽10m,长22m,加固深度为盾构隧道衬砌下2m；在距明城墙墙脚1m处采用钻孔桩进行加固,加固长度、深度范围与旋喷桩相同。为有效防止盾构通过后引起地面沉陷对明城墙的破坏,在钻孔桩内侧设压浆孔,进行压浆。
　　在进行明城墙基础加固的同时,对盾构通过时有影响的明城墙部位,进行外防护。外防护系统由防护架、防护板、张力索组成。
　　3.2.2钟楼基础
　　首先在距钟楼基础外3.4m处作直径为600mm的两排封闭的旋喷桩,加固土体和止浆；在旋喷桩内作一圈直径为600mm的配筋钻孔桩,以增强钟楼基础的完整性和整体强度；在桩顶部设600mm×800mm(宽×高)钢筋混凝土圈梁；在钻孔桩内距钟楼基础1m处作一圈压浆孔,对钟楼基础周边进行压浆,使旋喷桩和钻孔桩所包围的钟楼下的土体进行加固。施工时应在各边跳槽进行施工,以减少对钟楼的影响。
　　为确保钟楼基础加固和区间隧道施工过程中的安全,在钟楼基础四周和各边中点的钻孔桩内设测斜管,在钟楼基础下设水位计、四周设变形观测点在基础加固施工和区间隧道施工中对各个环节进行严密监控,尤其是基础内压浆,应密切注意注浆压力,以确保钟楼安全。
　　对梁、柱等主要受力构件件进行详细检查,对可能存在隐患部位进行有针对性的防护加固,待施工通过变形稳定后可撤除加固措施。
　　3.3轨道减振措施
　　通过比较分析,采用新型减振弹性扣件或德国技术生产的减振器扣件,减振效果可达5～10dB；采用橡胶弹簧式浮置板道床减振效果可达18dB左右；采用钢弹簧式浮置板道床减振效果可达20～25dB[9]。中国首次在深圳地铁四号线采用新型弹簧浮置板道床,减振效果良好。弹簧隔振器虽然造价高,但使用年限长,如果出现不均匀沉降,弹簧振隔器可对其进行调整,提高隧道和古建筑的安全。
　　 4、结语
　　西安地铁二号线经过明城墙及钟楼时,应考虑这些古建筑的结构、基础及其附近的地质情况,制定出科学、严密的保护和加固措施。在该工程施工阶段需要开展钟楼和明城墙对变形的敏感度研究,采取综合勘查手段,弄清楚基础下地层的物理力学指标,以便于进行分析计算和加固设计。运用AN-SYS进行区间隧道通过钟楼和明城墙的数值模拟计算,研究钟楼和明城墙在地铁施工和运营过程中的变形规律,为区间隧道通过古建筑下方提供理论依据。