西安地鐵文物保護(hù)實(shí)踐與思考

李宇東

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安∥高級工程師)

近年來，隨著我國城市建設(shè)項(xiàng)目日益增多，如何處理好工程建設(shè)與文物保護(hù)之間的關(guān)系顯得尤為重要。文物保護(hù)包括對文物主體和文物環(huán)境的保護(hù)。

西安地鐵建設(shè)原則上采取避讓方式通過文物，對文物的主體不直接產(chǎn)生損壞。地鐵建設(shè)對文物的影響一般反映在對文物環(huán)境的影響上，文物環(huán)境的變化會對文物本體產(chǎn)生影響。地鐵建設(shè)涉及的文物環(huán)境主要有景觀環(huán)境、大氣環(huán)境、地質(zhì)水文環(huán)境、振動環(huán)境和電磁環(huán)境。西安地鐵建設(shè)項(xiàng)目多為地下工程，與地面道路交通相比，是節(jié)能減排環(huán)保的公共交通項(xiàng)目，對文物景觀和大氣環(huán)境均起到正面促進(jìn)作用。由于地鐵電氣設(shè)備處于地下空間，地鐵建設(shè)對文物電磁環(huán)境的影響較其他供電設(shè)施和通信設(shè)施都要小，目前還未發(fā)現(xiàn)地鐵電磁對文物有明顯的損害［1－3］。

由此可知，在西安地鐵建設(shè)中，文物保護(hù)主要體現(xiàn)在對文物地質(zhì)水文環(huán)境和振動環(huán)境的保護(hù)上。本文結(jié)合參與的科研、勘察設(shè)計、施工等工作，對這一問題進(jìn)行闡述。

1 文物的環(huán)境變化

西安地鐵2號線所經(jīng)過的鐘樓與城墻均為國家級重點(diǎn)文物。鐘樓始建于明洪武十七年(公元1384年)，原址在廣濟(jì)街口，明神宗萬歷十年(公元1582年)移于現(xiàn)址，東西南北四條大街的交匯處。鐘樓門洞是當(dāng)年城市交通的主要干道，供馬車和行人通過。西安城墻為明洪武三年至十一年(公元1370年至1378年)在隋、唐皇城遺址上修建而成，全長13.74 km［4］。地質(zhì)水文環(huán)境的變化是一年四季地下水位的上下變化。振動環(huán)境是來自馬車和行人走動產(chǎn)生的振動。其對鐘樓與城墻都無明顯損害。隨著社會和城市建設(shè)的發(fā)展，鐘樓和城墻的環(huán)境已發(fā)生了很大變化。門洞已不是道路主干道，鐘樓周邊修建了環(huán)狀道路，并在環(huán)狀道路下修建了地下人行通道，將大量車流引到四周，將大量的過街人流引到地下。2011年，鐘樓兩側(cè)道路及地下人行通道下方又修建了地鐵2號線，形成了更大規(guī)模的地下交通體系。鐘樓周邊開元大廈、鐘樓廣場和地鐵2號線的建設(shè)都引起了鐘樓地質(zhì)水文環(huán)境和振動環(huán)境的變化，文物保護(hù)需針對這些變化采取進(jìn)一步的措施，使上述環(huán)境穩(wěn)定可控，確保鐘樓文物安全。城墻的地質(zhì)水文環(huán)境變化與鐘樓相近，主要是周邊建設(shè)的影響，環(huán)境雖有所變化，卻穩(wěn)定可控。城墻的振動環(huán)境方面，由于城市汽車保有量的急劇增加，城墻門洞已是城市交通的瓶頸，其地面交通振動實(shí)測值為0.281 mm/s，地鐵2號線從城墻門洞下穿過，振動實(shí)測值為0.086 mm/s。如何將地面和地鐵產(chǎn)生的綜合振動控制在一個穩(wěn)定的范圍，使其對城墻文物不產(chǎn)生損害影響，需要進(jìn)一步觀測與研究。

2 西安地鐵2號線文物保護(hù)措施

2.1 文物保護(hù)方案編制與審查

項(xiàng)目建設(shè)前期，嚴(yán)格執(zhí)行《中華人民共和國文物保護(hù)法》和《陜西省文物保護(hù)條例》，先后委托中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司、廣州地下鐵道設(shè)計研究院、北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司、機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院、北京交通大學(xué)、陜西省文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃研究院和西安市文物保護(hù)考古所等科研單位完成了九項(xiàng)專題研究報告，尤其是《西安地鐵二號線對鐘樓影響專題研究成果》和《西安城墻南門、北門地鐵二號線穿越區(qū)段安全性評估及西安地鐵二號線施工沉降與運(yùn)行振動對城墻影響專題研究成果》，運(yùn)用數(shù)值模擬分析，科學(xué)合理地確定了下穿鐘樓和城墻的沉降標(biāo)準(zhǔn)限值。在此過程中，邀請了數(shù)十位地鐵建設(shè)、文物保護(hù)方面的專家學(xué)者，對保護(hù)方案、技術(shù)措施進(jìn)行反復(fù)論證評審，完成了《西安市城市快速軌道交通二號線通過鐘樓及城墻文物保護(hù)方案》，并獲得國家文物局批準(zhǔn)。

2.2 文物保護(hù)主要措施

城市軌道交通文物保護(hù)要考慮建設(shè)運(yùn)營對文物環(huán)境破壞帶來的影響，建設(shè)過程中主要考慮工程建設(shè)產(chǎn)生的不均勻變形對文物安全的影響，運(yùn)營過程中主要考慮微振動對文物長期穩(wěn)定性的影響。這兩個方面的內(nèi)容均與文物本體現(xiàn)狀和力學(xué)性能息息相關(guān)。西安地鐵建設(shè)者在對上述問題進(jìn)行全面系統(tǒng)研究后，提出了以下5 點(diǎn)保護(hù)措施［1－3］:

(1)地鐵線路設(shè)計應(yīng)盡量遠(yuǎn)離鐘樓基座及城墻的變形敏感區(qū)。線路在經(jīng)過鐘樓時采取了雙繞的方案以降低對鐘樓的影響;盡量加大線路埋深，以盡可能降低振動對文物的影響。

(2)通過文物保護(hù)區(qū)的隧道選擇對環(huán)境影響最小、沉降控制最有效的盾構(gòu)法施工。

(3)預(yù)先對鐘樓及城墻設(shè)置隔離樁，并預(yù)留化學(xué)注漿加固處理地基的條件，以便在量測超限時能及時注漿，減少施工及運(yùn)營過程中對鐘樓及城墻的影響。

(4)對門洞段城墻外皮進(jìn)行圍蔽處理，并用型鋼支撐門拱洞。

(5)軌道采取無縫線路，道床采用減振效果最好的鋼彈簧浮置板減振道床，以減少地鐵運(yùn)營期間對文物的影響。

2.3 建設(shè)階段文物保護(hù)成果

經(jīng)過工程實(shí)踐，前期專題研究報告提出的文物沉降指標(biāo)符合工程實(shí)際。施工保護(hù)方案采取的保護(hù)措施合理有效，經(jīng)多次監(jiān)測，施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。鐘樓左線最大沉降量為－1.4 mm、右線最大沉降量為－0.21 mm，均低于沉降指標(biāo)－15 mm。南門區(qū)段左線最大沉降量為－2.27 mm、右線最大沉降量為－3.09 mm;北門區(qū)段左線最大沉降量為－4.3 mm、右線最大沉降量為 －7.5 mm，均控制在沉降指標(biāo)+5.0～－15.0 mm范圍。鐘樓和南北門安全完好，地鐵建設(shè)順利推進(jìn)。

2.4 運(yùn)營階段文物保護(hù)成果

西安地鐵2號線繞穿鐘樓段軌道采用了鋼彈簧浮置板道床。2011年9月16日西安地鐵2號線通車試運(yùn)營時，對鐘樓本體及隧道進(jìn)行了振動監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在鋼軌和道床處的振動量均大于普通道床鋼軌和道床處的振動量。這是由于鋼彈簧浮置板道床特殊的減振構(gòu)造，使得浮置板的振動較為劇烈，但是傳到隧道壁上的振動量大大減少。相比普通軌道，隧道壁水平向振動加速度幅值能減小76%，垂直向振動加速度幅值能減小73%。監(jiān)測結(jié)果表明鋼彈簧浮置板道床對減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動響應(yīng)有顯著效果。

圖1、圖2為鐘樓各測點(diǎn)在不同工況下的水平向和垂直向振動速度幅值。監(jiān)測結(jié)果表明:①相同工況下，鐘樓臺基振動較小，木結(jié)構(gòu)振動從下至上逐漸增強(qiáng)。②鐘樓臺基各測點(diǎn)綜合工況下水平方向速度幅值最大值為0.060 mm/s，Z向速度幅值最大值為0.059 mm/s;地面交通無地鐵工況下水平方向速度幅值最大值為0.044 mm/s，Z向速度幅值最大值為0.049 mm/s;地鐵單獨(dú)運(yùn)行工況下水平方向速度幅值最大值為0.040 mm/s，Z向速度幅值最大值為0.028 mm/s。③木結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)綜合工況下水平方向速度幅值最大值為0.131 mm/s，Z向速度幅值最大值為0.070 mm/s;地面交通無地鐵工況下水平方向速度幅值最大值為0.052 mm/s;地鐵單獨(dú)運(yùn)行工況下水平方向速度幅值最大值為0.072 mm/s，Z向速度幅值最大值為0.049 mm/s。④ 地鐵單獨(dú)運(yùn)行結(jié)果表明，降低運(yùn)行速度可有效降低鐘樓各點(diǎn)的振動響應(yīng)，地鐵雙向運(yùn)行比單線運(yùn)行的振動響應(yīng)增加不明顯。

圖1 鐘樓各測點(diǎn)在各工況下水平向振動速度幅值比較圖

圖2 鐘樓各測點(diǎn)在各工況下垂直向振動速度幅值比較圖

分析上述結(jié)果可知，在地鐵運(yùn)行+地面交通工況，鐘樓臺基和木結(jié)構(gòu)的振動幅值最大，地面交通工況振動幅值次之，地鐵單獨(dú)運(yùn)行工況振動幅值最小。地鐵雙向運(yùn)行與單線運(yùn)行相比響應(yīng)振動幅值增幅不明顯，運(yùn)行速度降低則振動幅值有一定減小。由測試結(jié)果可知，鐘樓臺基、木結(jié)構(gòu)在各種工況下均滿足國家文物局要求和《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》的容許振動標(biāo)準(zhǔn)。

3 開展文物保護(hù)的體會

3.1 針對文物的特殊性開展文物保護(hù)工作

文物最大的特點(diǎn)是自身的獨(dú)特性和唯一性。不同的文物遺存年代不同、形質(zhì)不同、功能不同，對文物保護(hù)工作的需求就不同。例如，文物墻面上的壁畫與大型砌體結(jié)構(gòu)對振動影響的承受能力明顯不一樣，前者要求極嚴(yán)，后者承受能力強(qiáng)，如采用同樣的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，前者可能會受到損害，后者就會在建設(shè)工程中采用過多不必要的措施，造成工程建設(shè)不必要的浪費(fèi)，甚至還可能影響建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施。要處理好文物安全和地鐵建設(shè)順利進(jìn)行兩者的關(guān)系，就要做好文物實(shí)體現(xiàn)狀和周邊環(huán)境現(xiàn)場評估的專題研究，根據(jù)文物的具體實(shí)際，確定文物的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。這是文物保護(hù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵?，F(xiàn)狀研究要選擇有文物保護(hù)資質(zhì)的單位承擔(dān)。專題審批應(yīng)根據(jù)文物級別，由相關(guān)主管部門組織完成。

3.2 采用仿真技術(shù)開展文物抵抗不均勻變形和振動研究

不均勻沉降和振動是影響文物安全的兩大直接因素。由于文物所處的環(huán)境、年代等不同，用理論分析方法和模型試驗(yàn)均不能很好地預(yù)測地鐵隧道穿越或繞行文物后引起的沉降和振動以及文物本身所能抵抗的沉降和振動［6－7］。采用現(xiàn)代仿真技術(shù)能真實(shí)反映文物所處的各類邊界條件，預(yù)測環(huán)境條件變化后文物的真實(shí)反應(yīng)，且研究代價較低，對文物本體不產(chǎn)生影響。西安地鐵2號線繞行鐘樓和穿越城墻時，在深入分析評估文物本體現(xiàn)狀、周邊環(huán)境特點(diǎn)和現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，開展了大量以文物保護(hù)為目的的模擬計算，以地鐵穿越文物引起的沉降變形和振動為邊界條件，提出了文物本體抵抗沉降和振動的具體標(biāo)準(zhǔn)，研究了地鐵結(jié)構(gòu)埋設(shè)深度、加固處理措施、施工工法、軌道不平順度、列車時速等影響文物安全的各類因素，并以此為基礎(chǔ)，提出了較為安全、可靠的應(yīng)對方案，得到了有關(guān)主管部門的認(rèn)可和專家的好評。應(yīng)該說，現(xiàn)代仿真技術(shù)在西安地鐵成功應(yīng)對文物保護(hù)問題上起到了關(guān)鍵性作用。為了更好地開展后續(xù)線路的振動預(yù)測，采用地鐵2號線運(yùn)行振動的實(shí)測數(shù)據(jù)來校核計算模型，更加準(zhǔn)確地預(yù)測后續(xù)線路同地鐵2號線疊加振動的影響，目前此項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中。

圖3 鐘樓振動評估有限元計算模型

3.3 文物保護(hù)措施應(yīng)考慮實(shí)施中留有安全余量

工程建設(shè)不僅要考慮影響文物安全的必然因素，還要對一些不可預(yù)知的偶然因素進(jìn)行適度的包容。從地鐵2號線對鐘樓和城墻的保護(hù)效果來看，施工過程中的沉降監(jiān)測值約為沉降控制值的10%～50%，運(yùn)營期間的振動實(shí)測值約為振動控制值的26% ～66%，文物保護(hù)措施效果明顯，且留有一定的富余量。實(shí)際上，任何工程建設(shè)都存在一定的風(fēng)險，研究和制定應(yīng)對方案時，必須要正確評估和全面分析周邊環(huán)境變化、施工技術(shù)水平、機(jī)械設(shè)備故障等影響文物安全的不利因素。在研究的每一個環(huán)節(jié)都要滲透這一理念。在確定西安地鐵2號線盾構(gòu)施工引起的地表沉降時，全面分析了地鐵所有盾構(gòu)區(qū)間的沉降槽變形規(guī)律，選其同等條件下最不利的情況作為研究文物抵抗變形的輸入條件，從而保證據(jù)此制定的文物保護(hù)措施偏向安全，實(shí)施中留有余地，進(jìn)而確保文物的安全?？衫霉こ虒?shí)施和運(yùn)營中的實(shí)際測量數(shù)據(jù)來修正模型，以提高日后研究的精確度。

3.4 加強(qiáng)文物環(huán)境變化后文物維修的動態(tài)管理

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，文物環(huán)境也在不斷改變。在新的環(huán)境下，建議文物部門加強(qiáng)文物的動態(tài)管理，制定出新的維修周期與維修措施，注意文物本體和周邊環(huán)境的監(jiān)測，確保文物長期穩(wěn)定安全。

［1］西安地鐵前期準(zhǔn)備工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，鐵道第一勘察設(shè)計院.西安市城市快速軌道交通二號線(鐵路北客站－韋曲段)工程下穿鐘樓及城墻專題研究報告［R］.西安:鐵道第一勘察設(shè)計院，2006.

［2］西安建筑科技大學(xué)，鐵道第一勘察設(shè)計院.西安市城市快速軌道交通二號線區(qū)間隧道下穿鐘樓及城墻設(shè)計施工方案工可階段研究報告［R］.西安:鐵道第一勘察設(shè)計院，2006.

［3］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，鐵道第一勘察設(shè)計院.西安市城市快速軌道交通二號線通過鐘樓及城墻文物保護(hù)方案［R］.西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2006.

［4］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西省古建筑設(shè)計研究所.西安鐘樓本體現(xiàn)狀勘測評估報告［R］.西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2008.

［5］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，中鐵第一勘察設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司.西安市地鐵二號線繞穿鐘樓、城墻南門及北門區(qū)段文物保護(hù)設(shè)計方案［R］.西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2008.

［6］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，中鐵第一勘察設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司.西安市地鐵一號線一期工程(后圍寨～紡織城)可行性研究報告文物保護(hù)專題報告［R］.西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2008.

［7］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院.西安地鐵一號線穿越西安城墻朝陽門、玉祥門文物保護(hù)方案［R］.西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2009.