摘要：為了研究西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程建設(shè)對(duì)周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生的影響,并對(duì)該工程沿線(xiàn)的古建筑進(jìn)行保護(hù),通過(guò)類(lèi)比調(diào)查和數(shù)據(jù)分析的方法,分析了西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程在施工期和營(yíng)運(yùn)期對(duì)古建筑產(chǎn)生的振動(dòng)和地基不均勻沉降等影響。結(jié)果表明：西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程建設(shè)對(duì)地下水的擾動(dòng)不會(huì)影響古建筑的安全；同時(shí)，建設(shè)產(chǎn)生的振動(dòng)影響在古建筑的振動(dòng)允許限值內(nèi)。為了最大程度地減小西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程建設(shè)對(duì)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(guān)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大運(yùn)量的公共交通運(yùn)輸系統(tǒng),其中包括地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車(chē)及懸浮列車(chē)等多種類(lèi)型。1863年1月10日,英國(guó)倫敦建成世界上第1條地鐵并開(kāi)始通車(chē),標(biāo)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(jīng)成為一種普遍的城市現(xiàn)代化交通運(yùn)輸系統(tǒng)。目前全世界有100多座城市開(kāi)通了300多條地鐵線(xiàn)路,總長(zhǎng)度超過(guò)6000km。

　　城市地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)以其占地少、運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)、方便、舒適等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞,同時(shí),地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)也越來(lái)越被人們所重視,特別是對(duì)古建筑的影響。例如，在捷克,繁忙的公路和地鐵線(xiàn)附近某些磚石結(jié)構(gòu)的古教堂因車(chē)輛通過(guò)時(shí)引起振動(dòng)而產(chǎn)生裂縫,甚至由于裂縫不斷擴(kuò)大而導(dǎo)致建筑物倒塌；巴黎地鐵七號(hào)線(xiàn)和十三號(hào)線(xiàn)對(duì)巴士底獄新歌劇院的影響等[1-2]。就此各國(guó)專(zhuān)家對(duì)城市軌道交通振動(dòng)產(chǎn)生的原因、污染的規(guī)律、傳播的途徑及控制的方法等進(jìn)行了研究[3-4]。

　　西安是具有13個(gè)歷史朝代的著名古都,至今保留下來(lái)的古建筑分布較廣,因此,西安城市地鐵項(xiàng)目建設(shè)對(duì)古建筑的影響備受關(guān)注。西安地鐵二號(hào)線(xiàn)南北向穿越西安市的主城區(qū),不可避免地穿越國(guó)家級(jí)文物保護(hù)建筑———西安明城墻及鐘樓。筆者結(jié)合該工程,分析了城市地鐵項(xiàng)目建設(shè)對(duì)古建筑的影響,提出了保護(hù)古建筑的方案,實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)與古建筑保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　1、西安地鐵二號(hào)線(xiàn)沿線(xiàn)古建筑分布

　　依據(jù)《西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程可行性研究報(bào)告》,西安地鐵二號(hào)線(xiàn)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(zhǎng)安城的皇城和元代奉元城的基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成的。明城墻高12m,底寬16～18m頂寬12～14m。據(jù)含光門(mén)遺址考古資料,明城墻基礎(chǔ)深度距現(xiàn)地表約為3～5m。城外為護(hù)城河,護(hù)城河寬20～22m,深12～15m。西安明城墻是現(xiàn)今保存最完整的中國(guó)古代城垣建筑,也是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、最完整的古代軍事城堡設(shè)施[5]。

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)以左、右線(xiàn)距北城門(mén)洞外側(cè)和南城門(mén)洞內(nèi)側(cè)水平距離9m處繞行下穿,隧道埋深18m(南門(mén))和24.5m(北門(mén))。明城墻內(nèi)部為夯土,外部為磚砌,基礎(chǔ)為夯筑,內(nèi)、外層之間為不同材料、不同時(shí)期的構(gòu)筑物,整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的建筑,基座為方形,邊長(zhǎng)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(hào)線(xiàn)在鐘樓處采取左、右線(xiàn)分開(kāi)繞行以隧道方式通過(guò),左、右線(xiàn)距鐘樓基座17m,隧道埋深17m。

　　1.3地質(zhì)狀況

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)古建筑段原地貌為黃土梁洼區(qū),地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積及第四系中更新統(tǒng)風(fēng)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(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。隧道圍巖分類(lèi)為Ⅰ類(lèi)。

　　2、西安地鐵二號(hào)線(xiàn)對(duì)古建筑的影響

　　2.1施工期

　　西安地鐵項(xiàng)目建設(shè)在施工期間對(duì)古建筑的影響,主要來(lái)自于隧道及地下車(chē)站施工引起的地層水環(huán)境擾動(dòng)和由此引起的基礎(chǔ)不均勻沉降[6-8]。

　　在隧道及地下車(chē)站施工前,通過(guò)地層任一水平截面,上覆地層荷載所形成的總應(yīng)力與地下水壓力、固體骨架的有效應(yīng)力相平衡。在工程施工建設(shè)后,人工降水及水向其中的排泄都能使工程范圍內(nèi)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(zhuǎn)移到多孔介質(zhì)骨架上,即增大了有效應(yīng)力,從而壓縮多孔介質(zhì),土層將出現(xiàn)固結(jié)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(dǎo)致天然地基上的建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。

　　西安地鐵隧道不論以何種方式穿過(guò)古建筑基礎(chǔ)均要改變古建筑基礎(chǔ)的原始受力狀態(tài),其中尤以淺埋暗挖法對(duì)地層的影響最大。以經(jīng)濟(jì)有效的方法順利通過(guò)古建筑是工程施工中面臨的主要問(wèn)題。

　　依據(jù)古代造筑的習(xí)慣和現(xiàn)有護(hù)城河的深度進(jìn)行分析,西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程穿越時(shí)不會(huì)傷及古建筑主體。從平縱位置分析,該工程已經(jīng)避開(kāi)了古建筑基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散范圍。

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)鐘樓和明城墻段線(xiàn)位處于潛水含水層系統(tǒng)中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構(gòu)法施工,不需工程降水,因此,地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)地下水位影響較小,同時(shí)采用盾尾同樓和明城墻段線(xiàn)位處于潛水含水層系統(tǒng)中,由于該段黃土層深厚,黃土的滲透性差,且采用盾構(gòu)法施工,不需工程降水,因此,地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)地下水位影響較小,同時(shí)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(chǎn)生沉降或僅有毫米級(jí)微小沉降。

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)在鐘樓站和南門(mén)站采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。這種施工方法采用錨噴結(jié)構(gòu)作為洞室的施工支護(hù),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(chē)站施工對(duì)地下水位的影響很小,對(duì)建筑物的間接影響也很小�？紤]到鐘樓站距鐘樓70m、南門(mén)站距明城墻南門(mén)30m,距離較近,應(yīng)采取相應(yīng)的措施加強(qiáng)對(duì)古建筑的保護(hù)。

　　2.2營(yíng)運(yùn)期

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程營(yíng)運(yùn)期對(duì)古建筑的影響主要來(lái)自列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和隧道作為弱透水層對(duì)地下水流場(chǎng)擾動(dòng)引起的建筑物不均勻沉降。

　　2.2.1振動(dòng)影響

　　振動(dòng)在土壤介質(zhì)中的傳播規(guī)律非常復(fù)雜,與振源本身的情況、地質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)。由于西安目前尚無(wú)地鐵,沒(méi)有軌道交通振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),因此難于對(duì)西安地鐵二號(hào)線(xiàn)沿線(xiàn)涉及古建筑的振動(dòng)速度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和判斷。

　　鑒于西安地鐵二號(hào)線(xiàn)與北京地鐵一號(hào)線(xiàn)工程情況十分相似,地質(zhì)條件比較接近,可將北京地鐵一號(hào)線(xiàn)作為類(lèi)比調(diào)查對(duì)象。通過(guò)類(lèi)比判定,西安地鐵二號(hào)線(xiàn)沿線(xiàn)古建筑在營(yíng)運(yùn)期受地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)速度不會(huì)超過(guò)0.4mm·s-1(垂向最大值),小于1.8mm·s-1的標(biāo)準(zhǔn)限值。

　　鑒于目前明城墻、鐘樓沿線(xiàn)現(xiàn)有道路交通對(duì)其振動(dòng)的影響,西安地鐵二號(hào)線(xiàn)營(yíng)運(yùn)后,由于公路交通造成的振動(dòng)和地鐵造成的振動(dòng)將共同對(duì)明城墻、鐘樓產(chǎn)生影響,考慮地面交通和地下軌道交通的累積振動(dòng)效應(yīng)。 

　　2.2.2對(duì)地下水流場(chǎng)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(dǎo)致地下水流場(chǎng)發(fā)生變化。由于西安地鐵二號(hào)線(xiàn)線(xiàn)位走向與地下水流方向斜交,在該工程線(xiàn)路的東側(cè)地下水位略有抬升,西側(cè)地下水位稍有下降,但從3個(gè)極端降水頻率(95%、75%、50%)年預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)看,西安地鐵二號(hào)線(xiàn)工程建設(shè)對(duì)明城墻、鐘樓下方地下水的影響無(wú)論是在抬升區(qū)還是下降區(qū)潛水位的變幅都不大,基本控制在0.05～0.08m。這是因?yàn)榈罔F隧道的高度,即弱透水層的厚度只有6m,而其通過(guò)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(shè)對(duì)地下水流場(chǎng)影響較小,不會(huì)造成地表建筑物的不均勻沉降。

　　3、古建筑保護(hù)措施

　　3.1施工方法

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)穿過(guò)鐘樓和明城墻路段,采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工。盾構(gòu)法施工具有施工速度快、洞體質(zhì)量比較穩(wěn)定、對(duì)周?chē)�建筑物影響較小等特點(diǎn)�？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整,減少對(duì)明城墻和鐘樓產(chǎn)生的不利影響,控制盾構(gòu)出碴量及土倉(cāng)壓力,及時(shí)進(jìn)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(chǔ)

　　在盾構(gòu)通過(guò)前預(yù)先對(duì)明城墻兩側(cè)土體進(jìn)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(zhǎng)22m,加固深度為盾構(gòu)隧道襯砌下2m；在距明城墻墻腳1m處采用鉆孔樁進(jìn)行加固,加固長(zhǎng)度、深度范圍與旋噴樁相同。為有效防止盾構(gòu)通過(guò)后引起地面沉陷對(duì)明城墻的破壞,在鉆孔樁內(nèi)側(cè)設(shè)壓漿孔,進(jìn)行壓漿。

　　在進(jìn)行明城墻基礎(chǔ)加固的同時(shí),對(duì)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)有影響的明城墻部位,進(jìn)行外防護(hù)。外防護(hù)系統(tǒng)由防護(hù)架、防護(hù)板、張力索組成。

　　3.2.2鐘樓基礎(chǔ)

　　首先在距鐘樓基礎(chǔ)外3.4m處作直徑為600mm的兩排封閉的旋噴樁,加固土體和止?jié){；在旋噴樁內(nèi)作一圈直徑為600mm的配筋鉆孔樁,以增強(qiáng)鐘樓基礎(chǔ)的完整性和整體強(qiáng)度；在樁頂部設(shè)600mm×800mm(寬×高)鋼筋混凝土圈梁；在鉆孔樁內(nèi)距鐘樓基礎(chǔ)1m處作一圈壓漿孔,對(duì)鐘樓基礎(chǔ)周邊進(jìn)行壓漿,使旋噴樁和鉆孔樁所包圍的鐘樓下的土體進(jìn)行加固。施工時(shí)應(yīng)在各邊跳槽進(jìn)行施工,以減少對(duì)鐘樓的影響。

　　為確保鐘樓基礎(chǔ)加固和區(qū)間隧道施工過(guò)程中的安全,在鐘樓基礎(chǔ)四周和各邊中點(diǎn)的鉆孔樁內(nèi)設(shè)測(cè)斜管,在鐘樓基礎(chǔ)下設(shè)水位計(jì)、四周設(shè)變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)在基礎(chǔ)加固施工和區(qū)間隧道施工中對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控,尤其是基礎(chǔ)內(nèi)壓漿,應(yīng)密切注意注漿壓力,以確保鐘樓安全。

　　對(duì)梁、柱等主要受力構(gòu)件件進(jìn)行詳細(xì)檢查,對(duì)可能存在隱患部位進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù)加固,待施工通過(guò)變形穩(wěn)定后可撤除加固措施。

　　3.3軌道減振措施

　　通過(guò)比較分析,采用新型減振彈性扣件或德國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的減振器扣件,減振效果可達(dá)5～10dB；采用橡膠彈簧式浮置板道床減振效果可達(dá)18dB左右；采用鋼彈簧式浮置板道床減振效果可達(dá)20～25dB[9]。中國(guó)首次在深圳地鐵四號(hào)線(xiàn)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(jià)高,但使用年限長(zhǎng),如果出現(xiàn)不均勻沉降,彈簧振隔器可對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,提高隧道和古建筑的安全。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　西安地鐵二號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)明城墻及鐘樓時(shí),應(yīng)考慮這些古建筑的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)及其附近的地質(zhì)情況,制定出科學(xué)、嚴(yán)密的保護(hù)和加固措施。在該工程施工階段需要開(kāi)展鐘樓和明城墻對(duì)變形的敏感度研究,采取綜合勘查手段,弄清楚基礎(chǔ)下地層的物理力學(xué)指標(biāo),以便于進(jìn)行分析計(jì)算和加固設(shè)計(jì)。運(yùn)用AN-SYS進(jìn)行區(qū)間隧道通過(guò)鐘樓和明城墻的數(shù)值模擬計(jì)算,研究鐘樓和明城墻在地鐵施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的變形規(guī)律,為區(qū)間隧道通過(guò)古建筑下方提供理論依據(jù)。