地鐵建設(shè)對古建筑的影響

曹 艷，王 苗，陳 貝，陳愛俠

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院；2.長安大學海威環(huán)境技術(shù)公司)

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地鐵建設(shè)對古建筑的影響

曹 艷1，王 苗1，陳 貝2，陳愛俠1

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院；2.長安大學海威環(huán)境技術(shù)公司)

西安市地鐵一號線與地鐵二號線以地下線的形式經(jīng)過西安明城墻，地鐵二號線與規(guī)劃建設(shè)的地鐵六號線二期以地下線的形式經(jīng)過鐘樓保護范圍。通過實測和類比分析的方法，探討西安市地鐵一號線、二號線及六號線二期工程在施工期和營運期對古建筑產(chǎn)生的環(huán)境影響。結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)施工會造成一定的地面不均勻沉降，其中明城墻區(qū)段地面沉降量1.87～7.50 mm，鐘樓區(qū)段地面沉降量0.21～1.40 mm，分別滿足文物部門要求的15 mm和5 mm的沉降指標。運營期由于線路運行對古建筑產(chǎn)生振動影響，其中明城墻承重結(jié)構(gòu)最高處的振動速度為0.07～0.18 mm/s，鐘樓臺基和木結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)最高處的振動速度為0.06～0.15 mm/s，滿足古建筑0.15～0.20 mm/s振動標準限值。地鐵項目建設(shè)對古建筑產(chǎn)生的環(huán)境影響可控。

地鐵；環(huán)境影響；古建筑；鐘樓

地鐵給人們帶來便利的同時，也成為新的振動源，地鐵對醫(yī)院、學校、居民住宅等環(huán)境敏感地段的振動影響及減振措施日益受到人們的關(guān)注。如今，許多建設(shè)地鐵的城市其本身也是國家歷史文化名城?？紤]到客流和線網(wǎng)的因素，有些地鐵線路不得不穿越或臨近一些古建筑保護范圍。古建筑由于歷史悠久，其結(jié)構(gòu)的抗振性能日漸衰退，可能一些小的交通振動就會對古建筑造成損壞，所以，分析評價交通振動對古建筑的影響并采取相應(yīng)的減振措施十分必要。1964年Miloslav Mata最早研究了交通振動對古建筑的影響，20世紀80年代末我國才開始關(guān)注交通振動對古建筑的影響，近年來北京地鐵6號線及8號線都曾做過地鐵振動對古建筑的影響評估。西安地鐵一號線、二號線及六號線二期穿過明城墻及鐘樓保護區(qū)，鑒于列車振動會對明城墻和鐘樓產(chǎn)生潛在影響，因此分析和監(jiān)測地鐵運行對明城墻和鐘樓的影響，對保護明城墻和鐘樓有重要意義。

我國對古建筑振動控制研究起步較晚，為了加強工業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施布局和工業(yè)振動環(huán)境中古建筑的保護，2009年1月國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺了《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452-2008 )。本研究以該規(guī)范為評估標準，對西安地鐵列車振動對明城墻、鐘樓的影響進行了分析，并提出減振措施。

1 工程概況

1.1 西安市地鐵一號線、二號線、六號線二期簡介

西安市地鐵一號線西起后圍寨站，東至紡織城站，全長25.36 km，共設(shè)車站19座，該項目于2013年9月通車試運營。受其影響的文物單位是西安明城墻(玉祥門和朝陽門)。

西安市地鐵二號線南起韋曲南站，北至未央?yún)^(qū)北客站。線路全長26.64 km，設(shè)21座地下車站。北客站～會展中心段于2011年9月16日通車試運營，會展中心～韋曲南段于2014年06月16日通車試運營。受其影響的文物單位是西安明城墻(永寧門和安遠門)和鐘樓。

規(guī)劃建設(shè)的西安地鐵六號線二期工程西起勞動南路，東至紡織城，線路全長19.79 km，全部為地下線，共設(shè)車站15座，含一座停車場。主要受影響的是鐘樓。

1.2 古建筑概況

(1)西安明城墻

西安明城墻建于明洪武三年至十一年(1370～1378年)，在唐長安城皇城和元代奉元城的基礎(chǔ)上擴建而成。城墻平面呈長方形，面積11.50 km2，周長13.79 km，墻體高12 m，頂寬12～14 m，底寬15～18 m。城四面各開一門，每門均設(shè)有城樓、箭樓、閘樓。明城墻位于西安市中心區(qū)，現(xiàn)存城墻距今已有600多年歷史，是國家級文物保護單位。

(2)鐘樓

西安鐘樓，距今已有600余年歷史，是一座三重檐四角攢尖頂?shù)哪窘Y(jié)構(gòu)建筑，座落于四面各寬35.5 m，高8.6 m?；掠惺中稳磁c東南西北四條大街相通，券洞的高與寬度各為6 m，是國家級文物保護單位。鐘樓的重點保護范圍為樓基座四周邊內(nèi)；一般保護范圍為樓基座四周邊外延36 m內(nèi)；建設(shè)控制地帶范圍為一般保護區(qū)域外延72 m內(nèi)。

2 西安市地鐵與古建筑的位置關(guān)系

2.1 西安市地鐵與明城墻的位置關(guān)系

西安市地鐵一號線一期工程以地下線的形式下穿西安明城墻，隧道埋深35 m(玉祥門)和37 m(朝陽門)，區(qū)段采取鋼彈簧浮置板道床減振。西安市地鐵二號線以左、右線距北城門洞外側(cè)和南城門洞內(nèi)側(cè)水平距離9 m處繞行下穿，隧道埋深18.0 m(永寧門)和24.5 m(安遠門)。

2.2 西安市地鐵與鐘樓的位置關(guān)系

西安地鐵六號線二期工程將與地鐵二號線于鐘樓附近相交，地鐵二號線、六號線二期工程與鐘樓的平面位置關(guān)系如圖1所示。兩條線路均以地下線左、右分開繞行通過鐘樓一般保護范圍，其中已運營的西安市地鐵二號線距鐘樓基座最近距離為15.4 m；而規(guī)劃待建的西安市地鐵六號線二期工程從鐘樓南、北兩側(cè)繞行，曲線半徑350 m，繞行后回到東大街路中并行，六號線二期下穿鐘樓一般保護區(qū)范圍約108 m，線路距離鐘樓臺基角點水平距離最近約30 m。地鐵二號線線路埋深為18.2 m，六號線二期工程在保護區(qū)范圍內(nèi)的線路埋深為24.9～29.1 m。地鐵二號線、六號線二期工程與鐘樓的縱剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 西安市地鐵二號線、六號線二期工程與鐘樓的平面位置關(guān)系示意圖

圖2 西安市地鐵二號線、六號線二期工程與鐘樓的縱剖面關(guān)系圖

3 西安市地鐵建設(shè)對古建筑的影響

3.1 西安市地鐵建設(shè)對明城墻的影響

(1)地鐵一號線、二號線施工對明城墻的影響

地鐵項目施工期對古建筑的影響，主要來自于隧道及地下車站施工引起的地層水環(huán)境擾動和由此引起的基礎(chǔ)不均勻沉降。因此地鐵項目施工前對明城墻兩側(cè)土體采用旋噴樁和鉆孔樁進行加固處理。地鐵在施工過程中對各區(qū)段地面沉降長期監(jiān)測，其中地鐵一號線玉祥門和朝陽區(qū)段的最大沉降量分別為1.87 mm和5.63 mm；地鐵二號線永寧門和安遠門區(qū)段最大沉降量分別為3.09 mm和7.50 mm，均遠小于國家規(guī)定的30 mm和文物部門要求的15 mm的限值要求。因此西安地鐵一號線、二號線施工對明城墻未產(chǎn)生明顯影響。

(2)地鐵一號線和二號線運營期對明城墻的影響

地鐵項目營運期對古建筑的影響主要來自列車運行時產(chǎn)生的振動，因此地鐵項目經(jīng)過明城墻段均采用鋼彈簧浮置板道床減振。

2014年10月西安高新區(qū)中凱環(huán)境監(jiān)測有限公司在地鐵一號線上行線、下行線經(jīng)過玉祥門和朝陽門城墻承重結(jié)構(gòu)的最高處設(shè)置測點，分別統(tǒng)計5次有地鐵和無地鐵通過時的振動速度最大值，有地鐵通過時振動速度為0.07～0.14 mm/s，無地鐵通過時振動速度為0.05～0.10 mm/s，見表1。監(jiān)測結(jié)果表明，列車通過時產(chǎn)生的振動速度均滿足《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T5-452-2008)的規(guī)定。

表1 西安明城墻承重結(jié)構(gòu)最高處最大響應(yīng)速度監(jiān)測結(jié)果

續(xù)表1

2012年6月機械工業(yè)勘查設(shè)計研究院對西安地鐵二號線運行后明城墻(永寧門、安遠門)在多種監(jiān)測工況下受到的振動影響作了系統(tǒng)監(jiān)測。地鐵單獨運行工況下，永寧門振動速度為0.04～0.08 mm/s，安遠門振動速度為0.05～0.19 mm/s。地鐵+地面交通工況下，永寧門振動速度為0.10～0.18 mm/s，安遠門振動速度為0.08～0.13 mm/s。測試結(jié)果表明，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》的容許振動標準。

3.2 西安市地鐵建設(shè)對鐘樓的影響

(1)地鐵二號線、六號線二期施工對鐘樓的影響

為了減輕地鐵施工對古建筑產(chǎn)生的不均勻沉降影響，地鐵二號線在施工前對鐘樓基礎(chǔ)采用旋噴樁和鉆孔樁進行加固處理。通過施工期長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，地鐵二號線過鐘樓左線最大沉降量為1.40 mm、右線最大沉降量為0.21 mm，均低于5 mm的沉降指標。說明施工前對鐘樓基礎(chǔ)加固措施和得當?shù)氖┕すしㄓ行А?/p>

六號線二期工程過鐘樓方案技術(shù)難度與二號線類似，參照地鐵二號線過鐘樓的技術(shù)經(jīng)驗，二號線在通過鐘樓處采取左右線分開繞行的方式，繞避了變形敏感的鐘樓券門洞等部位；經(jīng)過鐘樓段采用不均勻沉降較小的盾構(gòu)法施工，并設(shè)置鋼彈簧浮置板道床減振。六號線二期采取同樣盾構(gòu)法施工方式，埋深在二號線之下(線路埋深24.9～29.1 m)，并通過雙線繞行的方式盡量遠離鐘樓基座(最近距離約30 m)，施工過程對鐘樓的影響在可控范圍之內(nèi)，可以有效減小對鐘樓建筑的影響。

地鐵六號線二期左、右線區(qū)間開挖引起的地面沉降范圍(沉降槽)為68.8 m(單側(cè)34.4 m)，其中距離兩隧道中心線22.1 m(反彎點)范圍內(nèi)為地面沉降較大區(qū)，距離兩隧道中心線22.1～34.4 m為沉降較小區(qū)。鐘樓位于沉降較小區(qū)范圍，所以地鐵施工對其影響較小。

另外，西安地鐵二號線修建時曾在鐘樓基座外圍 8m處設(shè)置了一圈鉆孔灌注樁(樁徑 1 m，間距 1.3 m)作為隔離柱，用來減小和隔斷區(qū)間施工對鐘樓基座產(chǎn)生的不利影響，六號線二期區(qū)間線路從南北向側(cè)穿鐘樓時，這些既有的隔離柱可將施工區(qū)間產(chǎn)生的地面沉降槽隔斷以達到保護鐘樓的目的。

(2)地鐵二號線和六號線二期運營期對鐘樓的影響

地鐵運營期對鐘樓影響主要為列車運營產(chǎn)生的振動對古建筑結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)鐘樓古建筑結(jié)構(gòu)特征，參照《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452-2008)，確定鐘樓建筑允許振動速度與控點位置和控制點方向如表2所示。

表2 鐘樓允許振動速度與控點位置和方向

因此，因地鐵振動引起的鐘樓振動速度允許最大值建議控制在0.15～0.20 mm/s。

為了了解西安地鐵二號線運營期振動對鐘樓的影響，機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院分別在 2011.12.18～2012.6.7 、2013.11.21～12.01、2014.03.08～03.15時間段對鐘樓進行了各種工況下的振動監(jiān)測，地鐵單獨運行工況下最大振動速度幅值為0.03～0.07 mm/s，地鐵+地面交通工況下最大振動速度幅值為0.06～0.15 mm/s。

監(jiān)測結(jié)果表明，地鐵二號線經(jīng)過鐘樓各個工況下的振動速度幅值均滿足國家規(guī)范《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)中的振動限值0.15～0.20 mm/s的要求。

由于地鐵項目對鐘樓的振動影響是綜合作用產(chǎn)生的，由各種交通形式、不同工況和空間作用形成一種特殊源強，很難準確預測。因此北方交通大學在二號線開通運營兩年半后，各種工況條件下，對鐘樓振動影響進行全面監(jiān)測的基礎(chǔ)上，預測了六號線二期、二號線及現(xiàn)有地面交通環(huán)境振動引起鐘樓水平向動力響應(yīng)最大值。研究結(jié)果表明：在考慮路面車輛振動的疊加效應(yīng)基礎(chǔ)上，根據(jù)2012年和2014年測試結(jié)果評估時，最大振動響應(yīng)出現(xiàn)在二號線、六號線上、下行四線同時運行時(時速40 km/h)，其振動量分別為0.165 mm/s和0.166 mm/s，均滿足古建筑振動標準限值。說明地鐵項目建設(shè)對鐘樓的影響在可控范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語

西安地鐵一號線、二號線在施工前對明城墻和鐘樓基礎(chǔ)均采用旋噴樁和鉆孔樁加固處理。因此，地鐵施工期間明城墻和鐘樓區(qū)段地面沉降量分別為1.87～7.50 mm/s和0.21～1.40 mm/s，遠低于文物部門要求的15 mm和5 mm的沉降指標。

為了減輕地鐵列車運行對古建筑產(chǎn)生的振動影響，西安地鐵一號線、二號線過明城墻和鐘樓段均采用鋼彈簧浮置板道床減振，取得了良好的減振效果。經(jīng)實測，明城墻和鐘樓承重結(jié)構(gòu)最高處的振動速度分別為0.07～0.18 mm/s和0.06～0.15 mm/s，均滿足國家規(guī)范《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)0.15～0.20 mm/s限值要求。

基于西安地鐵二號線過鐘樓時振動速度的監(jiān)測結(jié)果，預測規(guī)劃待建的六號線二期工程在采取鋼彈簧浮置板道床減振的條件下，鐘樓最大振動響應(yīng)出現(xiàn)在六號線二期南、北線疊加二號線東、西線四線同時運行時，振動量最大值為0.166 mm/s，符合古建筑保護相關(guān)要求。因此，地鐵項目建設(shè)對古建筑產(chǎn)生的影響可控。

地鐵項目是一種運量大、效率高、污染小的運輸方式，能大量替代地面交通，有效緩解地面交通擁堵現(xiàn)象，減少大氣污染和噪聲污染，項目建設(shè)具有明顯的社會和環(huán)境效益。

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The Influence of Subway Construction on the Heritage Buildings

CAO Yan1，WANG Miao1，CHEN Bei2，CHEN Ai-xia1

(1.Chang'an University School of Environmental Science and Engineering； 2.Chang'an University Hai Wei Environmental Technology Company)

The Xi 'an subway line 1 and line 2 pass through Xi 'an City Wall in the form of the underground line.The Xi 'an subway line 2 and the planned line 6 second-phase will pass through the Bell Tower’s general protection scope in the form of the underground line.Through the actual measurement and analogy analysis methods，we discussed the environment influences on heritage buildings during the Xi 'an subway line 1, line 2 and line 6 second-phase project construction period and operation period.The result indicates that the subway shield construction will cause certain ground differential settlement,the Ming City Wall section ground settlement is 1.87～7.50 mm/s and the Bell Tower is 0.21～1.40 mm/s, satisfy the requirement of the cultural relics department respectively the settlement of 15 mm and 5 mm.Operating period,due to the line running causes vibration influence on heritage buildings.The vibration velocity of the top of the Ming City Wall bearing structure is 0.07～0.18 mm/s.The top of the Bell Tower stylobate and wood structure bearing structure vibration velocity is 0.06～0.15mm/s, satisfy the requirement of the permission limiting 0.15～0.20 mm/s.The environment influences produced by the subway project construction under control.

subway; environment influence; heritage building; Bell Tower

2015-05-02

曹艷(1989-)，女，在讀碩士研究生，研究方向為環(huán)境工程(交通環(huán)境保護)。

西安市地鐵建設(shè)環(huán)境保護研究(D2-YJ-022008058)。

U415.1

C

1008-3383(2015)11-0167-03