地鐵運營初期的地面建筑文物監(jiān)測實施探討

姜留濤

引言

鑒于地鐵施工周期長、投資大、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見的風(fēng)險因素多等原因，城市地鐵的施工監(jiān)控量測一直是地鐵工程中的一個重要的組成部分。同時，在地下管網(wǎng)稠密和建(構(gòu))筑物林立的城市環(huán)境中，隨著降水、基坑、隧道開挖等施工工序的進行，由于考慮到破壞施工影響區(qū)域內(nèi)土體的力學(xué)平衡，對建（構(gòu)）筑物、道路、管線等周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響甚至破壞，如產(chǎn)生裂縫、傾斜、錯位、沉陷和坍塌等，尤其是重要建筑文物的監(jiān)測，其安全和穩(wěn)定需要進行特別監(jiān)測和保護的。

在地鐵運營初期，也應(yīng)對地面建筑文物進行持續(xù)的變形監(jiān)測。常規(guī)建筑文物的變形監(jiān)測內(nèi)容有：應(yīng)力應(yīng)變測量、傾斜測量、準(zhǔn)直測量、水平位移測量、裂縫測量、撓度觀測等。其主要觀測方法有：幾何水準(zhǔn)法、液體靜力水準(zhǔn)法、微水準(zhǔn)法、視準(zhǔn)線法、光電導(dǎo)線法、前后方交會法、測量機器人法、三維激光掃描法、激光跟蹤法、近景數(shù)字?jǐn)z影法、GPS法、自動遙控監(jiān)測法等。

下面對西安地鐵二號線運營初期，國家重點保護文物鐘樓的保護措施、監(jiān)測方法和監(jiān)測結(jié)果進行闡述分析。

案例簡介與保護措施

鐘樓始建于明代洪武十七年（公元1384年），因樓上懸掛一口鐵鐘而得名。它是我國古代遺留下來許多鐘樓中形制最大、保存最完整的一座。鐘樓無論從建筑規(guī)模、歷史價值、藝術(shù)價值各方面衡量，都居全國同類建筑之冠，屬國家重點保護文物。

西安地鐵二號線地下隧道設(shè)計為左右線分別從鐘樓東西兩側(cè)繞行，在設(shè)計施工時即考慮了鐘樓的保護方案，比如，在施工方法工藝措施上，采用對鐘樓地基土影響相對較小的盾構(gòu)法施工，并對掘進速度采取限制措施；地基加固措施：結(jié)合隧道埋深、鐘樓文物地基基礎(chǔ)特點，為使地鐵隧道開挖及運營過程中對地基影響降低至最小程度，對鐘樓地基采取灌注樁加固，即在距鐘樓基座外8m，四周布設(shè)樁徑1000mm，樁長29.5m，樁間距1.4m，共139根鉆孔灌注樁，并對樁底采取了二次注漿措施。這些措施的目的是在隧道施工整個過程中，要求累計沉降量控制值≤5.0mm。

鐘樓場地地貌單元屬于黃土梁間洼地，地基土由分層夯實的素填土、新黃土、黃土、古土壤組成?；A(chǔ)為分層夯實素土，基座高8.6m，均由分層夯實的素填土組成，四周外砌青磚?；聻榉謱雍粚崳梁?.2m-7.4m，基座外分層夯實，土厚5.8m-6.3m。

因鐘樓基礎(chǔ)為夯實素土，且具有濕陷性，局部夯實土夯實不均勻，發(fā)現(xiàn)有地基下沉、基座墻體開裂和中心偏移現(xiàn)象。1982年對鐘樓進行立面攝影測量中，發(fā)現(xiàn)鐘樓寶頂相對底層拱門中心有1.10m偏移。1983年5月煤炭航測大隊對鐘樓傾斜測量中，發(fā)現(xiàn)鐘樓寶頂中心相對底層的總偏移量（西南方向）為48mm，寶頂傾斜角5'。隨后對鐘樓進行了勘察，鐘樓主體進行長期變形監(jiān)測，并對鐘樓地基采取了滲水防護措施等，使鐘樓變形在安全控制范圍。

鐘樓沉降監(jiān)測

本次鐘樓沉降觀測利用了施工監(jiān)測期間的基準(zhǔn)點3個，沉降觀測點36個，編號為1—30、A1—A6。根據(jù)相關(guān)要求，鐘樓的沉降觀測精度按二級變形要求施測，其精度要求每測站高差中誤差≤0.5mm，附合或環(huán)線閉合差≤1.0mm。其沉降觀測的基準(zhǔn)網(wǎng)按國家一等水準(zhǔn)測量要求施測，其測量精度要求相鄰基準(zhǔn)點高差中誤差≤0.3mm，每測站高差中誤差≤0.07mm，往返較差、附合或環(huán)線閉合差≤0.15mm。具體布設(shè)點位布設(shè)如圖1所示。

圖1 西安鐘樓沉降觀測點布置示意圖

經(jīng)過觀測，監(jiān)測點位累積沉降量均介于1.33mm（A5號點）—–2.61mm（21號點）之間，平均累積沉降量為：-0.92mm，未超過設(shè)計允許值（下沉量≤5mm），且在整個監(jiān)測期間沉降量變化值較小，說明地鐵二號線在運營初期對鐘樓其主體產(chǎn)生的沉降影響較小，在預(yù)先設(shè)定的控制值范圍內(nèi)。監(jiān)測時間—沉降量曲線如圖2所示。

圖2 西安鐘樓時間沉降量曲線

鐘樓傾斜監(jiān)測

鐘樓水平位移采用二級變形測量，觀測點坐標(biāo)中誤差應(yīng)小于3mm，按照傾斜觀測進行，具體方法采用前方交會法，即：在鐘樓較遠(yuǎn)處的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)立兩個可以通視的基準(zhǔn)點K1、K2，鐘樓西側(cè)一層大臺兩轉(zhuǎn)角點方向作為坐標(biāo)系南北方向軸線，該線垂直方向為坐標(biāo)系東西方向。

首次觀測，全站儀對向精密測量K1、K2點之間距離，并以該值作為各期觀測的基準(zhǔn)計算數(shù)據(jù)。后各期觀測時，對水平角α、β觀測2個測回，鐘樓傾斜共觀測15次。觀測示意圖見圖3。

利用前方交會，計算鐘樓寶頂固定點P坐標(biāo)，公式如下：

圖3 西安鐘樓傾斜觀測示意圖

觀測中，觀測精度計算公式如下：

其中：m為測角中誤差，DK1K2為 K1、K2點間距離，ρ=206265″，α、β、γ為K1、K2、P的交會角。每期觀測結(jié)束后，按上式計算鐘樓頂P點坐標(biāo)，并與首次觀測坐標(biāo)（施工監(jiān)測首次值）比對，計算出P點的傾斜量、變化量、傾斜方向等。結(jié)果顯示交會點每次測量的點位中誤差最大為2.8mm、最小為1.3mm。具體觀測結(jié)果見下表。

西安鐘樓傾斜觀測結(jié)果

結(jié)論

1.由觀測結(jié)果可知，鐘樓在整個觀測期間，傾斜變化不大，鐘樓未出現(xiàn)異常情況。

2.建筑文物鐘樓在西安地鐵二號線運營初期，雖有一定的沉降量、水平位移量，但絕對值較小，在可控范圍之內(nèi)，對構(gòu)筑物的影響甚微，鐘樓處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

3.鐘樓的沉降監(jiān)測與傾斜監(jiān)測成果分析，在地鐵修建之初對該文物采取的保護措施較為有效，在地鐵運行期間，對文物的影響甚微，符合設(shè)計之初的構(gòu)想，達到了監(jiān)測目的。

[1]雷永生.西安地鐵二號線下穿城墻及鐘樓保護措施研究[J].巖土力學(xué),2010（1）:223-236.

[2]包歡.大型建筑物實時形變監(jiān)測系統(tǒng)理論及應(yīng)用研究[D].解放軍信息工程大學(xué),2009，4.

[3]鐘樓監(jiān)測技術(shù)報告[R].機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院，2012,9.