蘭州軌道交通1號線側(cè)穿白衣寺保護(hù)措施研究

楊華中，王利霞

（蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070）

0 引言

蘭州軌道交通1號線側(cè)穿省級文物——白衣寺保護(hù)區(qū)。地鐵施工過程中會引起地面沉降[1-4]，在運(yùn)營過程中產(chǎn)生振動[5]都會危及白衣寺塔的安全。為實現(xiàn)城市建設(shè)與古建筑的協(xié)調(diào)發(fā)展，須對軌道交通穿越影響范圍內(nèi)白衣寺保護(hù)區(qū)內(nèi)鐵柱宮、菩薩殿、多子塔進(jìn)行數(shù)值計算分析，以確定盾構(gòu)施工及軌道交通運(yùn)營過程對白衣寺影響程度，確保在盾構(gòu)施工及軌道交通運(yùn)營過程中省級文物白衣寺的安全。

1 區(qū)間隧道通過白衣寺塔的設(shè)計方案

1.1 平面設(shè)計方案

蘭州市軌道交通1號線基本沿慶陽路敷設(shè)，從市博物館門前以地下形式穿過白衣寺文物保護(hù)范圍及建設(shè)控制地帶見圖1。

圖1 軌道交通1號線與白衣寺關(guān)系圖

白衣寺保護(hù)范圍：南以鐵柱宮南側(cè)臺基為基點(diǎn)平行延伸12 m至人行道立緣石一線為界；北以多子塔塔基北臺基為基點(diǎn)平行延伸32 m至市博物館辦公大樓南墻墻基一線為界；以白衣寺塔南北中軸線為基點(diǎn)向東平行延伸19.1 m至東展廳東墻墻基一線為界；西以中軸線為基點(diǎn)向西平行延伸23 m至西展廳西墻墻基一線為界。建設(shè)控制地帶以保護(hù)范圍為準(zhǔn)，向東、南、西、北各延伸10 m為建設(shè)控制地帶。

1.2 縱斷面設(shè)計方案

設(shè)計控制因素：白衣寺塔，屬省級保護(hù)文物，采用的建筑材料及建筑形式使其對地表變形十分敏感。因此在通過文物時應(yīng)在保證線路運(yùn)營條件前提下適當(dāng)加大線路埋深。因為隧道埋深越大就越容易形成自然拱，從而減小對上部建筑物的影響。

縱斷面設(shè)計：過白衣寺塔段線路坡度為5‰，隧道頂埋深約15.2 m,見圖2、圖3。

2 工程措施方案總體思路

分別從施工期間和運(yùn)營期間兩個方面考對文物古建筑進(jìn)行保護(hù)。軌道交通對文物古建筑的影響主要是施工期間的地面沉降和運(yùn)營期間的振動。針對地面沉降就需要從選線、工法選擇和施工技術(shù)方面采取措施。而對于運(yùn)營期間的振動，首先要從選線采取措施，再在所選線路的基礎(chǔ)上對振源和振動傳播路徑、介質(zhì)采取一定的工程措施：（1）1號線線路平面最大限度繞避白衣寺塔，縱斷面最大限度地加大線路埋深；（2）區(qū)間隧道工法選擇對環(huán)境影響最小、沉降控制最有效的盾構(gòu)法施工；（3）軌道交通軌道采取無縫線路，道床采用減振效果最好、國際最先進(jìn)的鋼彈簧浮置板減振道床；（4）對白衣寺采取隔離樁、袖閥管注漿等加固措施，以減少施工及運(yùn)營過程中對鐵柱宮、菩薩殿及多子塔的影響。

圖2 白衣寺塔區(qū)段工程地質(zhì)縱剖面圖

圖3 白衣寺塔區(qū)段工程地質(zhì)橫剖面圖

3 白衣寺加固設(shè)計施工方案

3.1 白衣寺概況

白衣寺內(nèi)重點(diǎn)文物保護(hù)單位有鐵柱宮、菩薩殿及多子塔，其中以多子塔最為聞名，多子塔位于慶陽路東段街北的居民區(qū)中，因塔建在白衣寺中而得名。白衣寺內(nèi)原繪有白衣大士像，尊奉白衣菩薩。寺初建于明崇禎四年（公元1631年），后經(jīng)多次戰(zhàn)亂，只有寺塔保存至今。多子塔為實心磚塔，高約30 m。塔基呈錯牙式方形，長、寬各7 m，高2.8 m，四面鐫刻花卉圖案。塔身下部呈覆缽狀，高約8 m，最大處直徑為6 m。正南與塔基連接處開佛龕，龕內(nèi)原供有三佛像，現(xiàn)已無存。塔身上半部為八角形錐體，高18.5 m，共做密檐12層，層數(shù)為偶數(shù)，在國內(nèi)罕內(nèi)見。每層每面各開佛龕1個，內(nèi)各塑佛像1尊，共計96尊；每層每角懸掛風(fēng)鈴1個，共計96個，塔剎高約1 m，形若寶瓶，以鍍銅的金屬做成，見圖4。

圖4 白衣寺塔立面

3.2 白衣寺加固設(shè)計施工方案

目前國內(nèi)外隧道施工控制地面沉降最好的就是采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，雖然盾構(gòu)法施工是控制地面沉降最好的施工方法，但是地面沉降還是不可避免。為保證文物古建筑的安全，采取如下加固措施:（1）袖閥管跟蹤補(bǔ)償注漿加固，預(yù)先在鐵柱宮基礎(chǔ)邊埋袖閥管（見圖5），在圍護(hù)樁范圍外打設(shè)2排袖閥管注漿，間距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，加固范圍為地面一下3～11 m，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力初步定為0.4～0.8 MPa，具體漿液配比和注漿壓力需根據(jù)試驗確定。（2）隔離樁加固方案，對于盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地面沉降采用在鐵柱宮外圍設(shè)一排旋挖樁隔斷地層沉降槽，旋挖樁直徑0.8 m，樁間距1.4 m，樁的長度在鐵柱宮處深入到2號線區(qū)間隧道下2 m，樁沿鐵柱宮基座外圍布置，在樁頂設(shè)0.8 m（寬）×0.8 m（高）的冠梁（見圖6），將所有的灌注樁連為整體。旋挖樁具有較大的剛度，在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中將地面沉降槽隔斷。

當(dāng)在鐵柱宮的外網(wǎng)作一排灌注樁并在樁頂用冠梁將所有的樁聯(lián)為整體后，盾構(gòu)隧道施工穿過鐵柱宮旁邊時其沉降槽只能影響到圍護(hù)樁邊。這樣灌注樁內(nèi)側(cè)的鐵柱宮、菩薩殿、多子塔就不會受到影響。

4 盾構(gòu)施工沉降數(shù)值模擬及計算結(jié)果

4.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）[6]及國內(nèi)外資料調(diào)查結(jié)果[7]，考慮到地鐵穿越類似建（構(gòu)）筑物地面變形控制資料、數(shù)值仿真計算結(jié)果、蘭州城市軌道交通1號線影響范圍內(nèi)古建筑現(xiàn)狀及盾構(gòu)施工沉降速率較快的因素，綜合確定1號線盾構(gòu)施工繞穿古建筑時，對省級文物保護(hù)單位古建筑采用古建筑基礎(chǔ)地表及其頂面產(chǎn)生的最大沉降量不超過+5～-15 mm，局部傾斜不超過0.001的沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 數(shù)值模擬計算及結(jié)果

對白衣寺塔進(jìn)行有隔離樁保護(hù)和無隔離樁保護(hù)兩種工況，模擬盾構(gòu)開挖引起的地表及鐵柱宮、市博物館大殿和白衣寺塔臺基的沉降，包括盾構(gòu)開挖橫斷面地表沉降；隧道中線上方地表點(diǎn)沉降歷程。

采用大型分析軟件MIDAS/GTS對白衣寺塔建立模型進(jìn)行計算。模型尺寸為120 m×110 m×41 m。模型網(wǎng)格軸測見圖7。

圖7 沉降模型網(wǎng)格軸測圖

根據(jù)計算結(jié)果設(shè)隔離樁采取加固措施時，盾構(gòu)施工引起的鐵柱宮基礎(chǔ)沉降量最大為0.093 mm，四個監(jiān)測角點(diǎn)的不均勻沉降最大差值為0.102 mm，最大局部傾斜0.000 007；市博物館基礎(chǔ)沉降量最大為0.213 mm，六個檢測角點(diǎn)的不均勻沉降最大差值為0.192 mm，最大局部傾斜0.000 01；白衣寺塔基礎(chǔ)最大沉降量為0.062 mm，局部傾斜0.000 01；遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)“最大沉降量不超過+5～-15 mm，局部傾斜不超過0.001”安全評估的沉降變形控制要求，見圖8。

5 地鐵運(yùn)營振動對鐘樓影響分析及減振措施

對振動傳播路徑在線路設(shè)計的時候就采用盡量遠(yuǎn)離白衣寺的方法，使傳播路徑加長，使振動波在傳播過程中衰減。設(shè)計為了最大限度的控制振源，設(shè)計采用國內(nèi)外減振效果最好特殊減振設(shè)計方案即鋼彈簧浮置板道床來減振。白衣寺文物保護(hù)地段鋼彈簧浮置板道床設(shè)置范圍為Y(Z)AK17+680～Y(Z)AK17+850，長約 340 m。

5.1 評價指標(biāo)

衡量建筑物所受到的影響常用物理量振動速度和振動頻率.因為振動速度和振動頻率與建筑物的破壞有著直接的關(guān)系,能直接反映建筑物的破壞烈度及結(jié)構(gòu)對振動響應(yīng)時的能量大小,在建筑物的振動中起著決定性作用。許多國家制定了建筑物振動控制標(biāo)準(zhǔn),但各國標(biāo)準(zhǔn)相差較大。

圖8 沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖

根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）的要求：省級文物保護(hù)單位古建筑木結(jié)構(gòu)水平方向的容許振動速度為0.25 mm/s（Vp＜4 600 m/s）,省級文物保護(hù)單位古建筑磚結(jié)構(gòu)水平方向的容許振動速度為 0.27 mm/s（Vp＜1 600 m/s）。

5.2 白衣寺動力響應(yīng)有限元模型計算

采用動力有限元數(shù)值分析計算方法,利用大型分析軟件MIDAS/GTS分別建立白衣寺塔模型進(jìn)行計算.模型尺寸為230 m×120 m×41 m。模型網(wǎng)格軸測見圖9。

圖9 振動模型網(wǎng)格軸測圖

通過模擬地鐵列車荷載源強(qiáng)(含減振軌道和不減振軌道)和地層及結(jié)構(gòu)動態(tài)模型的分析研究,分別取上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)作為評估點(diǎn)來預(yù)測其振動響應(yīng),見圖10。

圖10 振動監(jiān)測點(diǎn)布置圖

根據(jù)計算結(jié)果可知，列車車速為80 km/h相向運(yùn)行,當(dāng)軌道采用普通短枕式整體道床，列車振動對鐵柱宮的影響較大，最大水平速為0.267 mm/s，監(jiān)測點(diǎn)1、2、3的振動速度大于規(guī)范要求容許振動速度，須采用減振措施。采用浮置板減振軌道對列車振動引起的白衣寺塔區(qū)域上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平速度有效值有明顯減少,其中木結(jié)構(gòu)最大減少量達(dá)到50.0%，磚結(jié)構(gòu)最大減少量達(dá)到65.0%，各監(jiān)測點(diǎn)最大水平速度為0.231 mm/s滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用浮置板軌道對降低列車運(yùn)行對白衣寺影響交顯著。

6 結(jié)語

蘭州軌道交通1號線側(cè)穿白衣寺塔，在1號線施工及運(yùn)營時都會對白衣寺塔有較大的影響，主要是施工期間地面的沉降與運(yùn)行時的振動。對于地面沉降除了從選線、工法選擇和施工技術(shù)方面采取措施外，還應(yīng)采用隔離樁進(jìn)行加固；對于運(yùn)營期間的振動，從選線采取措施，還應(yīng)采用鋼彈簧浮置道板來降低列車運(yùn)行振動影響。通過數(shù)值分析論證了一套具有很強(qiáng)實用價值的隧道穿越古建筑物保護(hù)措施設(shè)計方案，為以后隧道穿越古建筑保護(hù)設(shè)計施工提供一些參考作用。目前蘭州無投入運(yùn)營的軌道交通線路，因此地鐵振源強(qiáng)度及其在蘭州地層中的傳播應(yīng)進(jìn)一步研究。建議蘭州市軌道交通1號線施工及運(yùn)營時建立監(jiān)測網(wǎng)，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)。為后續(xù)軌道交通線路的相關(guān)評價奠定基礎(chǔ)。

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