城市地鐵項目建設對古建筑的影響
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：為了研究西安地鐵二號線工程建設對周圍環境產生的影響,并對該工程沿線的古建筑進行保護,通過類比調查和數據分析的方法,分析了西安地鐵二號線工程在施工期和營運期對古建筑產生的振動和地基不均勻沉降等影響。結果表明：西安地鐵二號線工程建設對地下水的擾動不會影響古建筑的安全；同時，建設產生的振動影響在古建筑的振動允許限值內。為了最程度地減小西安地鐵二號線工程建設對古建筑的影響,提出了合理的古建筑加固方案和工程減振措施。
關鍵詞：城市；快速軌道交通；地鐵；古建筑；影響
引 言
城市快速軌道交通是指城市中有軌的運量的公共交通運輸系統,其中包括地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車及懸浮列車等多種類型。1863年1月10日,英國倫敦建成世界上第1條地鐵并開始通車,標志著城市地下軌道交通方式的誕生。100多年以后,軌道交通已經成為一種普遍的城市現代化交通運輸系統。目前全世界有100多座城市開通了300多條地鐵線路,總長度超過6000km。
城市地鐵運輸系統以其占地少、運量、速度快、準時、方便、舒適等優點而受到人們的青睞,同時,地鐵運行產生的振動也越來越被人們所重視,特別是對古建筑的影響。例如，在捷克,繁忙的公路和地鐵線附近某些磚石結構的古教堂因車輛通過時引起振動而產生裂縫,甚至由于裂縫不斷擴而導致建筑物倒塌；巴黎地鐵七號線和十三號線對巴士底獄新歌劇院的影響等[1-2]。就此各國專家對城市軌道交通振動產生的原因、污染的規律、傳播的途徑及控制的方法等進行了研究[3-4]。
西安是具有13個歷史朝代的著名古都,至今保留下來的古建筑分布較廣,因此,西安城市地鐵項目建設對古建筑的影響備受關注。西安地鐵二號線南北向穿越西安市的主城區,不可避免地穿越國家級文物保護建筑———西安明城墻及鐘樓。筆者結合該工程,分析了城市地鐵項目建設對古建筑的影響,提出了保護古建筑的方案,實現城市建設與古建筑保護的協調發展。
1、西安地鐵二號線沿線古建筑分布
依據《西安地鐵二號線工程可行性研究報告》,西安地鐵二號線工程涉及兩處古建筑,即西安明城墻和鐘樓。
1.1明城墻
西安明城墻建于明洪武三年至十一年(1370～1378年),是在唐長安城的皇城和元代奉元城的基礎上擴建而成的。明城墻高12m,底寬16～18m頂寬12～14m。據含光門遺址考古資料,明城墻基礎深度距現地表約為3～5m。城外為護城河,護城河寬20～22m,深12～15m。西安明城墻是現今保存最完整的中國古代城垣建筑,也是世界上現存規模最、最完整的古代軍事城堡設施[5]。
西安地鐵二號線以左、右線距北城門洞外側和南城門洞內側水平距離9m處繞行下穿,隧道埋深18m(南門)和24.5m(北門)。明城墻內部為夯土,外部為磚砌,基礎為夯筑,內、外層之間為不同材料、不同時期的構筑物,整體結構較松散。
1.2鐘 樓
西安鐘樓始建于明洪武十七年(1384年),是一座重檐四角攢尖木結構的建筑,基座為方形,邊長35.5m,高8.6m,用青磚白灰砌筑而成,四面正中有高、寬各6m的券洞以連通四街。鐘樓分2層,地面至頂高36m,原置唐景云鐘。
西安地鐵二號線在鐘樓處采取左、右線分開繞行以隧道方式通過,左、右線距鐘樓基座17m,隧道埋深17m。
1.3地質狀況
西安地鐵二號線經過古建筑段原地貌為黃土梁洼區,地層為第四系上更新統風積及第四系中更新統風積、沖積層。地下水位埋深8m左右,地下水位附近有薄層軟塑層,黃土濕陷性、飽和軟黃土是本區的主要工程地質問題。隧道圍巖分類為Ⅰ類。
2、西安地鐵二號線對古建筑的影響
2.1施工期
西安地鐵項目建設在施工期間對古建筑的影響,主要來自于隧道及地下車站施工引起的地層水環境擾動和由此引起的基礎不均勻沉降[6-8]。
在隧道及地下車站施工前,通過地層任一水平截面,上覆地層荷載所形成的總應力與地下水壓力、固體骨架的有效應力相平衡。在工程施工建設后,人工降水及水向其中的排泄都能使工程范圍內的地下水位降低,致使地下水的壓力減小。為了維持其平衡,這部分力將轉移到多孔介質骨架上,即增了有效應力,從而壓縮多孔介質,土層將出現固結沉降。由于人工降水引起的地面沉降量在空間上分布不均勻,從而導致天然地基上的建筑物產生不均勻沉降。
西安地鐵隧道不論以何種方式穿過古建筑基礎均要改變古建筑基礎的原始受力狀態,其中尤以淺埋暗挖法對地層的影響最。以經濟有效的方法順利通過古建筑是工程施工中面臨的主要問題。
依據古代造筑的習慣和現有護城河的深度進行分析,西安地鐵二號線工程穿越時不會傷及古建筑主體。從平縱位置分析,該工程已經避開了古建筑基礎應力擴散范圍。
西安地鐵二號線經過鐘樓和明城墻段線位處于潛水含水層系統中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構法施工,不需工程降水,因此,地鐵區間隧道施工對地下水位影響較小,同時采用盾尾同樓和明城墻段線位處于潛水含水層系統中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構法施工,不需工程降水,因此,地鐵區間隧道施工對地下水位影響較小,同時采用盾尾同步注漿、襯砌回填壓漿及地面跟蹤注漿等綜合措施后,可以有效控制地面不產生沉降或僅有毫米級微小沉降。
西安地鐵二號線在鐘樓站和南門站采用淺埋暗挖法進行施工。這種施工方法采用錨噴結構作為洞室的施工支護,然后再施作二次襯砌,不需要施工降水,僅有少量滲入的地下水需要排出。地下車站施工對地下水位的影響很小,對建筑物的間接影響也很小。考慮到鐘樓站距鐘樓70m、南門站距明城墻南門30m,距離較近,應采取相應的措施加強對古建筑的保護。
2.2營運期
西安地鐵二號線工程營運期對古建筑的影響主要來自列車運行時產生的振動和隧道作為弱透水層對地下水流場擾動引起的建筑物不均勻沉降。
2.2.1振動影響
振動在土壤介質中的傳播規律非常復雜,與振源本身的情況、地質條件等諸多因素有關。由于西安目前尚無地鐵,沒有軌道交通振動的實測數據,因此難于對西安地鐵二號線沿線涉及古建筑的振動速度進行準確的預測和判斷。
鑒于西安地鐵二號線與北京地鐵一號線工程情況十分相似,地質條件比較接近,可將北京地鐵一號線作為類比調查對象。通過類比判定,西安地鐵二號線沿線古建筑在營運期受地鐵產生的振動速度不會超過0.4mm·s-1(垂向最值),小于1.8mm·s-1的標準限值。
鑒于目前明城墻、鐘樓沿線現有道路交通對其振動的影響,西安地鐵二號線營運后,由于公路交通造成的振動和地鐵造成的振動將共同對明城墻、鐘樓產生影響,考慮地面交通和地下軌道交通的累積振動效應。
2.2.2對地下水流場的影響
該隧道工程在潛水含水層中形成一弱透水層,阻礙地下水的徑流,導致地下水流場發生變化。由于西安地鐵二號線線位走向與地下水流方向斜交,在該工程線路的東側地下水位略有抬升,西側地下水位稍有下降,但從3個極端降水頻率(95%、75%、50%)年預測的數據看,西安地鐵二號線工程建設對明城墻、鐘樓下方地下水的影響無論是在抬升區還是下降區潛水位的變幅都不,基本控制在0.05～0.08m。這是因為地鐵隧道的高度,即弱透水層的厚度只有6m,而其通過的潛水含水層厚度約為25m,再加地鐵隧道上部約有9m潛水含水層相通,因此,該工程建設對地下水流場影響較小,不會造成地表建筑物的不均勻沉降。
3、古建筑保護措施
3.1施工方法
西安地鐵二號線穿過鐘樓和明城墻路段,采用盾構法進行施工。盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩定、對周圍建筑物影響較小等特點。可以通過對盾構姿態的調整,減少對明城墻和鐘樓產生的不利影響,控制盾構出碴量及土倉壓力,及時進行盾尾同步注漿、襯砌回填壓漿及地面跟蹤注漿,以確保施工期間明城墻及鐘樓的安全。
3.2加固措施
3.2.1明城墻基礎
在盾構通過前預先對明城墻兩側土體進行加固處理,加固采用直徑600mm的密排旋噴樁和鉆孔樁。密排旋噴樁加固的范圍為寬10m,長22m,加固深度為盾構隧道襯砌下2m；在距明城墻墻腳1m處采用鉆孔樁進行加固,加固長度、深度范圍與旋噴樁相同。為有效防止盾構通過后引起地面沉陷對明城墻的破壞,在鉆孔樁內側設壓漿孔,進行壓漿。
在進行明城墻基礎加固的同時,對盾構通過時有影響的明城墻部位,進行外防護。外防護系統由防護架、防護板、張力索組成。
3.2.2鐘樓基礎
首先在距鐘樓基礎外3.4m處作直徑為600mm的兩排封閉的旋噴樁,加固土體和止漿；在旋噴樁內作一圈直徑為600mm的配筋鉆孔樁,以增強鐘樓基礎的完整性和整體強度；在樁頂部設600mm×800mm(寬×高)鋼筋混凝土圈梁；在鉆孔樁內距鐘樓基礎1m處作一圈壓漿孔,對鐘樓基礎周邊進行壓漿,使旋噴樁和鉆孔樁所包圍的鐘樓下的土體進行加固。施工時應在各邊跳槽進行施工,以減少對鐘樓的影響。
為確保鐘樓基礎加固和區間隧道施工過程中的安全,在鐘樓基礎四周和各邊中點的鉆孔樁內設測斜管,在鐘樓基礎下設水位計、四周設變形觀測點在基礎加固施工和區間隧道施工中對各個環節進行嚴密監控,尤其是基礎內壓漿,應密切注意注漿壓力,以確保鐘樓安全。
對梁、柱等主要受力構件件進行詳細檢查,對可能存在隱患部位進行有針對性的防護加固,待施工通過變形穩定后可撤除加固措施。
3.3軌道減振措施
通過比較分析,采用新型減振彈性扣件或德國技術生產的減振器扣件,減振效果可達5～10dB；采用橡膠彈簧式浮置板道床減振效果可達18dB左右；采用鋼彈簧式浮置板道床減振效果可達20～25dB[9]。中國首次在深圳地鐵四號線采用新型彈簧浮置板道床,減振效果良好。彈簧隔振器雖然造價高,但使用年限長,如果出現不均勻沉降,彈簧振隔器可對其進行調整,提高隧道和古建筑的安全。
4、結語
西安地鐵二號線經過明城墻及鐘樓時,應考慮這些古建筑的結構、基礎及其附近的地質情況,制定出科學、嚴密的保護和加固措施。在該工程施工階段需要開展鐘樓和明城墻對變形的敏感度研究,采取綜合勘查手段,弄清楚基礎下地層的物理力學指標,以便于進行分析計算和加固設計。運用AN-SYS進行區間隧道通過鐘樓和明城墻的數值模擬計算,研究鐘樓和明城墻在地鐵施工和運營過程中的變形規律,為區間隧道通過古建筑下方提供理論依據。
關鍵詞：城市；快速軌道交通；地鐵；古建筑；影響
引 言
城市快速軌道交通是指城市中有軌的運量的公共交通運輸系統,其中包括地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車及懸浮列車等多種類型。1863年1月10日,英國倫敦建成世界上第1條地鐵并開始通車,標志著城市地下軌道交通方式的誕生。100多年以后,軌道交通已經成為一種普遍的城市現代化交通運輸系統。目前全世界有100多座城市開通了300多條地鐵線路,總長度超過6000km。
城市地鐵運輸系統以其占地少、運量、速度快、準時、方便、舒適等優點而受到人們的青睞,同時,地鐵運行產生的振動也越來越被人們所重視,特別是對古建筑的影響。例如，在捷克,繁忙的公路和地鐵線附近某些磚石結構的古教堂因車輛通過時引起振動而產生裂縫,甚至由于裂縫不斷擴而導致建筑物倒塌；巴黎地鐵七號線和十三號線對巴士底獄新歌劇院的影響等[1-2]。就此各國專家對城市軌道交通振動產生的原因、污染的規律、傳播的途徑及控制的方法等進行了研究[3-4]。
西安是具有13個歷史朝代的著名古都,至今保留下來的古建筑分布較廣,因此,西安城市地鐵項目建設對古建筑的影響備受關注。西安地鐵二號線南北向穿越西安市的主城區,不可避免地穿越國家級文物保護建筑———西安明城墻及鐘樓。筆者結合該工程,分析了城市地鐵項目建設對古建筑的影響,提出了保護古建筑的方案,實現城市建設與古建筑保護的協調發展。
1、西安地鐵二號線沿線古建筑分布
依據《西安地鐵二號線工程可行性研究報告》,西安地鐵二號線工程涉及兩處古建筑,即西安明城墻和鐘樓。
1.1明城墻
西安明城墻建于明洪武三年至十一年(1370～1378年),是在唐長安城的皇城和元代奉元城的基礎上擴建而成的。明城墻高12m,底寬16～18m頂寬12～14m。據含光門遺址考古資料,明城墻基礎深度距現地表約為3～5m。城外為護城河,護城河寬20～22m,深12～15m。西安明城墻是現今保存最完整的中國古代城垣建筑,也是世界上現存規模最、最完整的古代軍事城堡設施[5]。
西安地鐵二號線以左、右線距北城門洞外側和南城門洞內側水平距離9m處繞行下穿,隧道埋深18m(南門)和24.5m(北門)。明城墻內部為夯土,外部為磚砌,基礎為夯筑,內、外層之間為不同材料、不同時期的構筑物,整體結構較松散。
1.2鐘 樓
西安鐘樓始建于明洪武十七年(1384年),是一座重檐四角攢尖木結構的建筑,基座為方形,邊長35.5m,高8.6m,用青磚白灰砌筑而成,四面正中有高、寬各6m的券洞以連通四街。鐘樓分2層,地面至頂高36m,原置唐景云鐘。
西安地鐵二號線在鐘樓處采取左、右線分開繞行以隧道方式通過,左、右線距鐘樓基座17m,隧道埋深17m。
1.3地質狀況
西安地鐵二號線經過古建筑段原地貌為黃土梁洼區,地層為第四系上更新統風積及第四系中更新統風積、沖積層。地下水位埋深8m左右,地下水位附近有薄層軟塑層,黃土濕陷性、飽和軟黃土是本區的主要工程地質問題。隧道圍巖分類為Ⅰ類。
2、西安地鐵二號線對古建筑的影響
2.1施工期
西安地鐵項目建設在施工期間對古建筑的影響,主要來自于隧道及地下車站施工引起的地層水環境擾動和由此引起的基礎不均勻沉降[6-8]。
在隧道及地下車站施工前,通過地層任一水平截面,上覆地層荷載所形成的總應力與地下水壓力、固體骨架的有效應力相平衡。在工程施工建設后,人工降水及水向其中的排泄都能使工程范圍內的地下水位降低,致使地下水的壓力減小。為了維持其平衡,這部分力將轉移到多孔介質骨架上,即增了有效應力,從而壓縮多孔介質,土層將出現固結沉降。由于人工降水引起的地面沉降量在空間上分布不均勻,從而導致天然地基上的建筑物產生不均勻沉降。
西安地鐵隧道不論以何種方式穿過古建筑基礎均要改變古建筑基礎的原始受力狀態,其中尤以淺埋暗挖法對地層的影響最。以經濟有效的方法順利通過古建筑是工程施工中面臨的主要問題。
依據古代造筑的習慣和現有護城河的深度進行分析,西安地鐵二號線工程穿越時不會傷及古建筑主體。從平縱位置分析,該工程已經避開了古建筑基礎應力擴散范圍。
西安地鐵二號線經過鐘樓和明城墻段線位處于潛水含水層系統中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構法施工,不需工程降水,因此,地鐵區間隧道施工對地下水位影響較小,同時采用盾尾同樓和明城墻段線位處于潛水含水層系統中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構法施工,不需工程降水,因此,地鐵區間隧道施工對地下水位影響較小,同時采用盾尾同步注漿、襯砌回填壓漿及地面跟蹤注漿等綜合措施后,可以有效控制地面不產生沉降或僅有毫米級微小沉降。
西安地鐵二號線在鐘樓站和南門站采用淺埋暗挖法進行施工。這種施工方法采用錨噴結構作為洞室的施工支護,然后再施作二次襯砌,不需要施工降水,僅有少量滲入的地下水需要排出。地下車站施工對地下水位的影響很小,對建筑物的間接影響也很小。考慮到鐘樓站距鐘樓70m、南門站距明城墻南門30m,距離較近,應采取相應的措施加強對古建筑的保護。
2.2營運期
西安地鐵二號線工程營運期對古建筑的影響主要來自列車運行時產生的振動和隧道作為弱透水層對地下水流場擾動引起的建筑物不均勻沉降。
2.2.1振動影響
振動在土壤介質中的傳播規律非常復雜,與振源本身的情況、地質條件等諸多因素有關。由于西安目前尚無地鐵,沒有軌道交通振動的實測數據,因此難于對西安地鐵二號線沿線涉及古建筑的振動速度進行準確的預測和判斷。
鑒于西安地鐵二號線與北京地鐵一號線工程情況十分相似,地質條件比較接近,可將北京地鐵一號線作為類比調查對象。通過類比判定,西安地鐵二號線沿線古建筑在營運期受地鐵產生的振動速度不會超過0.4mm·s-1(垂向最值),小于1.8mm·s-1的標準限值。
鑒于目前明城墻、鐘樓沿線現有道路交通對其振動的影響,西安地鐵二號線營運后,由于公路交通造成的振動和地鐵造成的振動將共同對明城墻、鐘樓產生影響,考慮地面交通和地下軌道交通的累積振動效應。
2.2.2對地下水流場的影響
該隧道工程在潛水含水層中形成一弱透水層,阻礙地下水的徑流,導致地下水流場發生變化。由于西安地鐵二號線線位走向與地下水流方向斜交,在該工程線路的東側地下水位略有抬升,西側地下水位稍有下降,但從3個極端降水頻率(95%、75%、50%)年預測的數據看,西安地鐵二號線工程建設對明城墻、鐘樓下方地下水的影響無論是在抬升區還是下降區潛水位的變幅都不,基本控制在0.05～0.08m。這是因為地鐵隧道的高度,即弱透水層的厚度只有6m,而其通過的潛水含水層厚度約為25m,再加地鐵隧道上部約有9m潛水含水層相通,因此,該工程建設對地下水流場影響較小,不會造成地表建筑物的不均勻沉降。
3、古建筑保護措施
3.1施工方法
西安地鐵二號線穿過鐘樓和明城墻路段,采用盾構法進行施工。盾構法施工具有施工速度快、洞體質量比較穩定、對周圍建筑物影響較小等特點。可以通過對盾構姿態的調整,減少對明城墻和鐘樓產生的不利影響,控制盾構出碴量及土倉壓力,及時進行盾尾同步注漿、襯砌回填壓漿及地面跟蹤注漿,以確保施工期間明城墻及鐘樓的安全。
3.2加固措施
3.2.1明城墻基礎
在盾構通過前預先對明城墻兩側土體進行加固處理,加固采用直徑600mm的密排旋噴樁和鉆孔樁。密排旋噴樁加固的范圍為寬10m,長22m,加固深度為盾構隧道襯砌下2m；在距明城墻墻腳1m處采用鉆孔樁進行加固,加固長度、深度范圍與旋噴樁相同。為有效防止盾構通過后引起地面沉陷對明城墻的破壞,在鉆孔樁內側設壓漿孔,進行壓漿。
在進行明城墻基礎加固的同時,對盾構通過時有影響的明城墻部位,進行外防護。外防護系統由防護架、防護板、張力索組成。
3.2.2鐘樓基礎
首先在距鐘樓基礎外3.4m處作直徑為600mm的兩排封閉的旋噴樁,加固土體和止漿；在旋噴樁內作一圈直徑為600mm的配筋鉆孔樁,以增強鐘樓基礎的完整性和整體強度；在樁頂部設600mm×800mm(寬×高)鋼筋混凝土圈梁；在鉆孔樁內距鐘樓基礎1m處作一圈壓漿孔,對鐘樓基礎周邊進行壓漿,使旋噴樁和鉆孔樁所包圍的鐘樓下的土體進行加固。施工時應在各邊跳槽進行施工,以減少對鐘樓的影響。
為確保鐘樓基礎加固和區間隧道施工過程中的安全,在鐘樓基礎四周和各邊中點的鉆孔樁內設測斜管,在鐘樓基礎下設水位計、四周設變形觀測點在基礎加固施工和區間隧道施工中對各個環節進行嚴密監控,尤其是基礎內壓漿,應密切注意注漿壓力,以確保鐘樓安全。
對梁、柱等主要受力構件件進行詳細檢查,對可能存在隱患部位進行有針對性的防護加固,待施工通過變形穩定后可撤除加固措施。
3.3軌道減振措施
通過比較分析,采用新型減振彈性扣件或德國技術生產的減振器扣件,減振效果可達5～10dB；采用橡膠彈簧式浮置板道床減振效果可達18dB左右；采用鋼彈簧式浮置板道床減振效果可達20～25dB[9]。中國首次在深圳地鐵四號線采用新型彈簧浮置板道床,減振效果良好。彈簧隔振器雖然造價高,但使用年限長,如果出現不均勻沉降,彈簧振隔器可對其進行調整,提高隧道和古建筑的安全。
4、結語
西安地鐵二號線經過明城墻及鐘樓時,應考慮這些古建筑的結構、基礎及其附近的地質情況,制定出科學、嚴密的保護和加固措施。在該工程施工階段需要開展鐘樓和明城墻對變形的敏感度研究,采取綜合勘查手段,弄清楚基礎下地層的物理力學指標,以便于進行分析計算和加固設計。運用AN-SYS進行區間隧道通過鐘樓和明城墻的數值模擬計算,研究鐘樓和明城墻在地鐵施工和運營過程中的變形規律,為區間隧道通過古建筑下方提供理論依據。
