地鐵區(qū)間下穿重要?dú)v史文物的影響及控制研究
——以廣州地鐵12號(hào)線為例

盧彬彬

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津300308）

0 引言

地鐵施工過(guò)程中不可避免地穿越或鄰近建筑，尤其是重點(diǎn)保護(hù)建筑。地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中若采取的施工措施和保護(hù)措施不當(dāng)，有可能導(dǎo)致建筑發(fā)生沉降、傾斜甚至開裂，造成重大損失［1］。因此，地鐵穿越建筑時(shí)需評(píng)估對(duì)建筑的影響。

針對(duì)地鐵隧道施工對(duì)鄰近建筑的影響，學(xué)者主要從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及理論計(jì)算3個(gè)方面進(jìn)行研究。姚愛軍等人［2］結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正Peck 公式，研究地表沉降的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法；衡朝陽(yáng)等人［3］根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及Peck 修正公式提出下穿建筑評(píng)價(jià)方法；雷江松［4］通過(guò)數(shù)值模擬研究重疊隧道對(duì)地表建筑的承臺(tái)及樁基的變形規(guī)律；吳賢國(guó)等人［5］結(jié)合武漢地鐵研究風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在理論上對(duì)建筑風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；黃杉等人［6］根據(jù)北京地鐵測(cè)穿燕墩工程，借助有限元模擬分析施工過(guò)程，研究結(jié)構(gòu)受力及變形特征。陳仁朋等人［7-8］建立三維有限元模型，模擬分析砌體結(jié)構(gòu)建筑下穿地鐵盾構(gòu)隧道工況下建筑損傷強(qiáng)度和等級(jí)，并制定加固措施。

廣州地鐵12號(hào)線下穿廣州起義烈士陵園（以下稱烈士陵園）是典型的地鐵區(qū)間下穿國(guó)家級(jí)保護(hù)文物的工程案例，本文通過(guò)三維建模分析地鐵施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)烈士陵園的影響及相關(guān)保護(hù)措施，對(duì)類似地鐵線路穿越保護(hù)建筑文物工程提供參考。

1 工程概況

1.1 烈士陵園概況

廣州起義烈士陵園位于廣州市越秀區(qū)中山二路92號(hào)。是為紀(jì)念1927年12月在中國(guó)共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)下的廣州起義中英勇犧牲的烈士興建的紀(jì)念性公園。建于1954年，總面積18萬(wàn)m2。

1.2 地鐵區(qū)間概況

廣州地鐵12號(hào)線為廣州地鐵規(guī)劃“X”形對(duì)角線中西北-東南的結(jié)構(gòu)，連接白云、越秀、海珠、番禺4個(gè)區(qū)。

12號(hào)線下穿烈士陵園區(qū)間為建設(shè)六馬路站～烈士陵園站區(qū)間，區(qū)間左線長(zhǎng)688.085 m，右線長(zhǎng)682.400 m。區(qū)間隧道沿線主要穿越平原丘陵地帶，尚未發(fā)現(xiàn)穿越斷裂帶不良地質(zhì)構(gòu)造。本區(qū)間沿線地層變化較大：區(qū)間主要位于中、微風(fēng)化砂巖、礫巖地層中，局部為硬塑粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖地層，地質(zhì)縱斷面詳見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological Profile of the Subway Section

1.3 烈士陵園文物保護(hù)范圍

廣州地鐵12 號(hào)線穿越烈士陵園保護(hù)范圍隧道埋深約為28～34 m，軌道交通隧道外軌中心線與園區(qū)主要文物廣州公社烈士墓、血祭軒轅亭、中朝人民血誼亭、中蘇人民血誼亭、葉劍英紀(jì)念牌、四烈士墓、烈士紀(jì)念碑距離分別約為47 m、46 m、93 m、127 m、148 m、191 m、201 m。為文物安全考慮，軌道交通工程施工前影響范圍（3 倍隧道埋深）主要文物建筑有：廣州公社烈士墓、血祭軒轅亭、中蘇人民血誼亭、中朝人民血誼亭等。地鐵區(qū)間與文物相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 地鐵區(qū)間與烈士陵園文物位置關(guān)系Fig.2 The Relationship between the Subway Section and the Location of the Martyrs’Cemetery

2 地鐵施工對(duì)烈士陵園的影響

廣州地鐵12 號(hào)線建設(shè)六馬路站～烈士陵園站區(qū)間隧道無(wú)法避讓烈士陵園保護(hù)范圍，從文物保護(hù)要求出發(fā)，需評(píng)估施工過(guò)程對(duì)烈士陵園文物的影響。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

應(yīng)用有限元分析，采用地層-結(jié)構(gòu)模型模擬分析隨著基坑開挖、隧道掘進(jìn)，烈士陵園的地面變形，評(píng)估地鐵施工對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

考慮到軌道交通工程施工過(guò)程中可能對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的文物建筑產(chǎn)生影響，故在有限元模擬時(shí)，模型尺寸取為350 m（長(zhǎng)度）×180 m（寬度）×50 m（地面以下深度）。其中，地面以上高6 m，簡(jiǎn)化為三級(jí)圓臺(tái)型。主墓和地層均采用3D 實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片采用2D 板單元模擬。烈士陵園文物三維模型如圖3所示。

圖3 烈士陵園文物三維模型Fig.3 Three-dimensional Model of the Cultural Relics of the Martyrs’Cemetery

2.2 文物及地表沉降分析

根據(jù)模型及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，隧道施工完成后的烈士陵園文物沉降如圖4 所示。由圖4可知，沉降區(qū)域主要位于隧道附近，隧道正上方為沉降最大處，為0.17 m。周邊文物沉降變形量為廣州公社烈士墓0.005 7 m、血祭軒轅亭0.005 7 m、中朝人民血誼亭0 m、中蘇人民血誼亭0.000 2 m、葉劍英紀(jì)念牌0.000 1 m、四烈士墓0 m，廣州公社烈士墓與血祭軒轅亭之間石板臺(tái)階產(chǎn)生的最大沉降為0.017 5 m。

圖4 隧道施工完成文物沉降Fig.4 Settlement of Cultural Relics after Tunnel Construction

以上計(jì)算結(jié)果均小于沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20 mm 的限值，初步判斷，軌道工程施工對(duì)距離較近的廣州公社烈士墓及血祭軒亭等文物建筑產(chǎn)生影響極小，對(duì)于廣州起義紀(jì)念碑、四烈士墓、中朝人民血誼亭等文物建筑基本不受地鐵施工影響。

2.3 施工期間保護(hù)措施

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，隧道施工對(duì)烈士陵園的影響極小，但數(shù)值模擬僅僅只能作為參考，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工受多方面的影響。為了確保文物安全，在施工區(qū)間需對(duì)文物采取保護(hù)措施。具體的保護(hù)措施如下：

2.3.1 實(shí)行信息化施工

軌道交通工程施工前，建立系統(tǒng)、完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，施工過(guò)程中對(duì)影響區(qū)范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物及隧道自身作為監(jiān)測(cè)和保護(hù)的對(duì)象，特別對(duì)烈士陵園文物建筑進(jìn)行24 h 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，做到實(shí)時(shí)反饋信息，做到信息化施工。

2.3.2 嚴(yán)格、準(zhǔn)確控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

控制地面沉降的主要技術(shù)關(guān)鍵是保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，及時(shí)填充隧道與地層之間的建筑空隙以及盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)控制。

2.3.3 保持地下水位措施

根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)采用回灌井對(duì)地層進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)水，盾構(gòu)隧道區(qū)間施工時(shí)，嚴(yán)格進(jìn)行管片的拼裝及防水作業(yè)，避免地下水滲漏導(dǎo)致水土流失，從而對(duì)周邊建筑產(chǎn)生不利影響。

3 地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)烈士陵園的影響

地鐵列車在運(yùn)行過(guò)程中，輪軌接觸力激發(fā)振動(dòng)，該振動(dòng)將通過(guò)道床傳給隧道，由于隧道跟土體的緊密接觸，隧道的振動(dòng)將直接通過(guò)土體，在地層半自由空間向各個(gè)方向傳播，直到地面和建筑物的基底。列車運(yùn)行振動(dòng)由于軌道結(jié)構(gòu)衰減后，殘余的部分仍會(huì)經(jīng)土層傳遞到地表，在一定范圍內(nèi)影響到文物本體。因此需評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)烈士陵園文物的影響。

3.1 地鐵振動(dòng)影響分析

當(dāng)文物結(jié)構(gòu)所承受的振動(dòng)超過(guò)一定的限度時(shí)，文物結(jié)構(gòu)的安全就會(huì)受到一定程度的不良影響。

對(duì)于地鐵運(yùn)行時(shí)引起的振動(dòng)，按照《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范：GB/T 50452—2008》［9］的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。在未考慮地鐵車輛、軌道采取減振措施的情況下進(jìn)行計(jì)算。由于文物結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力特性和響應(yīng)的確定保守參照文獻(xiàn)［9］中宮門的計(jì)算公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)：

式中：Vmax為結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng)（mm/s）；Vr為基礎(chǔ)處水平向地面振動(dòng)速度（mm/s）；n為陣型疊加數(shù)；γj為 第j階陣型參與系數(shù)；βj為第j階陣型動(dòng)力放大系數(shù)。

βj的計(jì)算公式為：

根據(jù)式⑴、式⑵，并根據(jù)文獻(xiàn)［9］及工程中各參數(shù)的取值進(jìn)行計(jì)算，得到Vmax=0.35 mm/s，滿足文獻(xiàn)［9］中規(guī)定的不大于1 mm/s的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 地鐵運(yùn)營(yíng)減振降噪措施

為進(jìn)一步對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)，對(duì)運(yùn)營(yíng)階段采取減振降噪措施，具體措施如下：

3.2.1 軌道分級(jí)減振降噪措施

沿線有文物的軌道線路一般需采用道床減振措施，常見的分級(jí)減振措施有梯形軌枕、隔離式減振墊浮置板和鋼彈簧浮置板。梯形軌枕和隔離式減振墊浮置板屬于高等減振措施，能夠?qū)崿F(xiàn)12～15 dB的減振效果；國(guó)內(nèi)目前特殊減振地段減振措施采用鋼彈簧浮置板道床，它是將浮置板置于螺旋鋼彈簧隔振阻尼器上，所采用的隔振器為阻尼性能較好的液體阻尼隔振器，減振性能得到較大提升，浮置板的質(zhì)量設(shè)計(jì)得越大減振性能更好，減振效果可達(dá)20 dB以上，低頻段減振效果更明顯，適宜在振動(dòng)要求極高的地段采用。鋼彈簧浮置板為目前效果最好的軌道減振措施，廣州地鐵12 號(hào)線下穿烈士陵園保護(hù)區(qū)擬采用減震效果最好的鋼彈簧浮置板。

3.2.2 軌道綜合減振降噪措施

⑴線路維護(hù)保養(yǎng)

地鐵線路平順度和車輪圓整度直接影響地鐵振級(jí)的大小，良好的輪軌條件可降低振動(dòng)5～10 dB。因此在營(yíng)運(yùn)期加強(qiáng)輪軌的維護(hù)、保養(yǎng)，定期鏇輪和打磨鋼軌，以保證其良好的運(yùn)行狀態(tài)，減少附加振動(dòng)。

⑵無(wú)縫線路

無(wú)縫線路的優(yōu)點(diǎn)在于消除了鋼軌接頭，避免鋼軌接頭引起的振動(dòng)和噪聲，提高軌道平順性，從而改善行車條件，延長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)及車輪設(shè)備的使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。本線在正線及配線的直線及曲線半徑≥300 m 的整體道床地段鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路。

⑶鋼軌涂油器的安裝

鋼軌涂油器在改善小半徑地段的輪軌關(guān)系，減輕鋼軌磨耗從而降低輪軌的振動(dòng)噪聲方面有顯著效果。一般在正線曲線半徑R≤400 m 的曲線外股鋼軌內(nèi)側(cè)面安裝涂油器，設(shè)置在各曲線前端（迎車方向）。

⑷扣件采用聚酯彈性墊板

地鐵扣件早期一般采用氯丁橡膠墊板，在地鐵隧道內(nèi)主要受氧氣、機(jī)械力的作用，發(fā)生物理及化學(xué)變化，導(dǎo)致性能下降，產(chǎn)生老化、失去彈性，列車振動(dòng)加大等現(xiàn)象。熱塑性聚酯彈性墊板（TPEE）具有高韌性、高回彈性、優(yōu)良的耐磨性、抗彎曲疲勞性及耐老化性，推薦在本線采用。

⑸嚴(yán)格控制軌道設(shè)備生產(chǎn)、施工質(zhì)量

嚴(yán)格控制軌道設(shè)備如扣件、道岔等制造公差，將線路不平順消除在源頭；施工期間，制訂并執(zhí)行嚴(yán)格的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保軌道質(zhì)量?jī)?yōu)良；運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)軌道進(jìn)行經(jīng)常性的養(yǎng)護(hù)維修，以保證軌道幾何狀態(tài)良好。

⑹線路開通前進(jìn)行鋼軌預(yù)防性打磨

線路開通前進(jìn)行鋼軌預(yù)防性打磨，可修正鋼軌制造公差和施工誤差，改善輪軌接觸；可消除鋼軌原始瑕疵，延緩鋼軌病害發(fā)生；可同時(shí)檢測(cè)軌面形位，提高驗(yàn)收效率和工程初期精度。軌道優(yōu)良的初始狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的高品質(zhì)，從源頭上降低輪軌振動(dòng)和噪聲。

4 結(jié)論

本文以廣州市地鐵12 號(hào)線建設(shè)六馬路站～烈士陵園站區(qū)間隧道下穿烈士陵園文物保護(hù)工程為研究對(duì)象，得到以下結(jié)論：

⑴通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析驗(yàn)證地鐵施工對(duì)文物的影響，沉降區(qū)域主要位于隧道附近，周邊文物沉降變形量均在0.005 7 m 以內(nèi)，小于沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20 mm的限值。地鐵施工對(duì)距離較近的廣州公社烈士墓及血祭軒亭等文物建筑的影響極小，廣州起義紀(jì)念碑、四烈士墓、中朝人民血誼亭等文物建筑基本不受地鐵施工影響。

⑵根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出采用信息化施工、嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、保持地下水位等施工措施，確保施工安全。

⑶通過(guò)計(jì)算，地鐵運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)最大水平速度響應(yīng)為0.35 mm/s，滿足文獻(xiàn)［9］中不大于1 mm/s 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

⑷根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)［9］制定運(yùn)營(yíng)階段的減振降噪措施，包括軌道分級(jí)減振降噪措施和軌道綜合減振降噪措施。