曹 艷，王 苗，陳 貝，陳愛(ài)俠

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；2.長(zhǎng)安大學(xué)海威環(huán)境技術(shù)公司)

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地鐵建設(shè)對(duì)古建筑的影響

曹 艷1，王 苗1，陳 貝2，陳愛(ài)俠1

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；2.長(zhǎng)安大學(xué)海威環(huán)境技術(shù)公司)

西安市地鐵一號(hào)線與地鐵二號(hào)線以地下線的形式經(jīng)過(guò)西安明城墻，地鐵二號(hào)線與規(guī)劃建設(shè)的地鐵六號(hào)線二期以地下線的形式經(jīng)過(guò)鐘樓保護(hù)范圍。通過(guò)實(shí)測(cè)和類(lèi)比分析的方法，探討西安市地鐵一號(hào)線、二號(hào)線及六號(hào)線二期工程在施工期和營(yíng)運(yùn)期對(duì)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(huì)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(mén)要求的15 mm和5 mm的沉降指標(biāo)。運(yùn)營(yíng)期由于線路運(yùn)行對(duì)古建筑產(chǎn)生振動(dòng)影響，其中明城墻承重結(jié)構(gòu)最高處的振動(dòng)速度為0.07～0.18 mm/s，鐘樓臺(tái)基和木結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)最高處的振動(dòng)速度為0.06～0.15 mm/s，滿足古建筑0.15～0.20 mm/s振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值。地鐵項(xiàng)目建設(shè)對(duì)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(lái)便利的同時(shí)，也成為新的振動(dòng)源，地鐵對(duì)醫(yī)院、學(xué)校、居民住宅等環(huán)境敏感地段的振動(dòng)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(guó)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(hù)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(dòng)就會(huì)對(duì)古建筑造成損壞，所以，分析評(píng)價(jià)交通振動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)古建筑的影響，20世紀(jì)80年代末我國(guó)才開(kāi)始關(guān)注交通振動(dòng)對(duì)古建筑的影響，近年來(lái)北京地鐵6號(hào)線及8號(hào)線都曾做過(guò)地鐵振動(dòng)對(duì)古建筑的影響評(píng)估。西安地鐵一號(hào)線、二號(hào)線及六號(hào)線二期穿過(guò)明城墻及鐘樓保護(hù)區(qū)，鑒于列車(chē)振動(dòng)會(huì)對(duì)明城墻和鐘樓產(chǎn)生潛在影響，因此分析和監(jiān)測(cè)地鐵運(yùn)行對(duì)明城墻和鐘樓的影響，對(duì)保護(hù)明城墻和鐘樓有重要意義。

我國(guó)對(duì)古建筑振動(dòng)控制研究起步較晚，為了加強(qiáng)工業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施布局和工業(yè)振動(dòng)環(huán)境中古建筑的保護(hù)，2009年1月國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)了《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452-2008 )。本研究以該規(guī)范為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)西安地鐵列車(chē)振動(dòng)對(duì)明城墻、鐘樓的影響進(jìn)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(hào)線、二號(hào)線、六號(hào)線二期簡(jiǎn)介

西安市地鐵一號(hào)線西起后圍寨站，東至紡織城站，全長(zhǎng)25.36 km，共設(shè)車(chē)站19座，該項(xiàng)目于2013年9月通車(chē)試運(yùn)營(yíng)。受其影響的文物單位是西安明城墻(玉祥門(mén)和朝陽(yáng)門(mén))。

西安市地鐵二號(hào)線南起韋曲南站，北至未央?yún)^(qū)北客站。線路全長(zhǎng)26.64 km，設(shè)21座地下車(chē)站。北客站～會(huì)展中心段于2011年9月16日通車(chē)試運(yùn)營(yíng)，會(huì)展中心～韋曲南段于2014年06月16日通車(chē)試運(yùn)營(yíng)。受其影響的文物單位是西安明城墻(永寧門(mén)和安遠(yuǎn)門(mén))和鐘樓。

規(guī)劃建設(shè)的西安地鐵六號(hào)線二期工程西起勞動(dòng)南路，東至紡織城，線路全長(zhǎng)19.79 km，全部為地下線，共設(shè)車(chē)站15座，含一座停車(chē)場(chǎng)。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(zhǎng)安城皇城和元代奉元城的基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成。城墻平面呈長(zhǎng)方形，面積11.50 km2，周長(zhǎng)13.79 km，墻體高12 m，頂寬12～14 m，底寬15～18 m。城四面各開(kāi)一門(mén)，每門(mén)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(guó)家級(jí)文物保護(hù)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。基座下有十字形券洞與東南西北四條大街相通，券洞的高與寬度各為6 m，是國(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位。鐘樓的重點(diǎn)保護(hù)范圍為樓基座四周邊內(nèi)；一般保護(hù)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(hù)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(hào)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(mén))和37 m(朝陽(yáng)門(mén))，區(qū)段采取鋼彈簧浮置板道床減振。西安市地鐵二號(hào)線以左、右線距北城門(mén)洞外側(cè)和南城門(mén)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(mén))和24.5 m(安遠(yuǎn)門(mén))。

2.2 西安市地鐵與鐘樓的位置關(guān)系

西安地鐵六號(hào)線二期工程將與地鐵二號(hào)線于鐘樓附近相交，地鐵二號(hào)線、六號(hào)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(kāi)繞行通過(guò)鐘樓一般保護(hù)范圍，其中已運(yùn)營(yíng)的西安市地鐵二號(hào)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(hào)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(hào)線二期下穿鐘樓一般保護(hù)區(qū)范圍約108 m，線路距離鐘樓臺(tái)基角點(diǎn)水平距離最近約30 m。地鐵二號(hào)線線路埋深為18.2 m，六號(hào)線二期工程在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的線路埋深為24.9～29.1 m。地鐵二號(hào)線、六號(hào)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(hào)線、六號(hào)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(hào)線、六號(hào)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(duì)古建筑的影響

3.1 西安市地鐵建設(shè)對(duì)明城墻的影響

(1)地鐵一號(hào)線、二號(hào)線施工對(duì)明城墻的影響

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

(2)地鐵一號(hào)線和二號(hào)線運(yùn)營(yíng)期對(duì)明城墻的影響

地鐵項(xiàng)目營(yíng)運(yùn)期對(duì)古建筑的影響主要來(lái)自列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，因此地鐵項(xiàng)目經(jīng)過(guò)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(cè)有限公司在地鐵一號(hào)線上行線、下行線經(jīng)過(guò)玉祥門(mén)和朝陽(yáng)門(mén)城墻承重結(jié)構(gòu)的最高處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)5次有地鐵和無(wú)地鐵通過(guò)時(shí)的振動(dòng)速度最大值，有地鐵通過(guò)時(shí)振動(dòng)速度為0.07～0.14 mm/s，無(wú)地鐵通過(guò)時(shí)振動(dòng)速度為0.05～0.10 mm/s，見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)速度均滿足《古建筑防工業(yè)振動(dòng)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(cè)結(jié)果

續(xù)表1

2012年6月機(jī)械工業(yè)勘查設(shè)計(jì)研究院對(duì)西安地鐵二號(hào)線運(yùn)行后明城墻(永寧門(mén)、安遠(yuǎn)門(mén))在多種監(jiān)測(cè)工況下受到的振動(dòng)影響作了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。地鐵單獨(dú)運(yùn)行工況下，永寧門(mén)振動(dòng)速度為0.04～0.08 mm/s，安遠(yuǎn)門(mén)振動(dòng)速度為0.05～0.19 mm/s。地鐵+地面交通工況下，永寧門(mén)振動(dòng)速度為0.10～0.18 mm/s，安遠(yuǎn)門(mén)振動(dòng)速度為0.08～0.13 mm/s。測(cè)試結(jié)果表明，均滿足國(guó)家文物局要求和《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》的容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 西安市地鐵建設(shè)對(duì)鐘樓的影響

(1)地鐵二號(hào)線、六號(hào)線二期施工對(duì)鐘樓的影響

為了減輕地鐵施工對(duì)古建筑產(chǎn)生的不均勻沉降影響，地鐵二號(hào)線在施工前對(duì)鐘樓基礎(chǔ)采用旋噴樁和鉆孔樁進(jìn)行加固處理。通過(guò)施工期長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，地鐵二號(hào)線過(guò)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(biāo)。說(shuō)明施工前對(duì)鐘樓基礎(chǔ)加固措施和得當(dāng)?shù)氖┕すしㄓ行А?/p>

六號(hào)線二期工程過(guò)鐘樓方案技術(shù)難度與二號(hào)線類(lèi)似，參照地鐵二號(hào)線過(guò)鐘樓的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，二號(hào)線在通過(guò)鐘樓處采取左右線分開(kāi)繞行的方式，繞避了變形敏感的鐘樓券門(mén)洞等部位；經(jīng)過(guò)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(hào)線二期采取同樣盾構(gòu)法施工方式，埋深在二號(hào)線之下(線路埋深24.9～29.1 m)，并通過(guò)雙線繞行的方式盡量遠(yuǎn)離鐘樓基座(最近距離約30 m)，施工過(guò)程對(duì)鐘樓的影響在可控范圍之內(nèi)，可以有效減小對(duì)鐘樓建筑的影響。

地鐵六號(hào)線二期左、右線區(qū)間開(kāi)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(diǎn))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(duì)其影響較小。

另外，西安地鐵二號(hào)線修建時(shí)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(lái)減小和隔斷區(qū)間施工對(duì)鐘樓基座產(chǎn)生的不利影響，六號(hào)線二期區(qū)間線路從南北向側(cè)穿鐘樓時(shí)，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(dá)到保護(hù)鐘樓的目的。

(2)地鐵二號(hào)線和六號(hào)線二期運(yùn)營(yíng)期對(duì)鐘樓的影響

地鐵運(yùn)營(yíng)期對(duì)鐘樓影響主要為列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)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(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452-2008)，確定鐘樓建筑允許振動(dòng)速度與控點(diǎn)位置和控制點(diǎn)方向如表2所示。

表2 鐘樓允許振動(dòng)速度與控點(diǎn)位置和方向

因此，因地鐵振動(dòng)引起的鐘樓振動(dòng)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(hào)線運(yùn)營(yíng)期振動(dòng)對(duì)鐘樓的影響，機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院分別在 2011.12.18～2012.6.7 、2013.11.21～12.01、2014.03.08～03.15時(shí)間段對(duì)鐘樓進(jìn)行了各種工況下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，地鐵單獨(dú)運(yùn)行工況下最大振動(dòng)速度幅值為0.03～0.07 mm/s，地鐵+地面交通工況下最大振動(dòng)速度幅值為0.06～0.15 mm/s。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地鐵二號(hào)線經(jīng)過(guò)鐘樓各個(gè)工況下的振動(dòng)速度幅值均滿足國(guó)家規(guī)范《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452-2008)中的振動(dòng)限值0.15～0.20 mm/s的要求。

由于地鐵項(xiàng)目對(duì)鐘樓的振動(dòng)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(qiáng)，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此北方交通大學(xué)在二號(hào)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)兩年半后，各種工況條件下，對(duì)鐘樓振動(dòng)影響進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)了六號(hào)線二期、二號(hào)線及現(xiàn)有地面交通環(huán)境振動(dòng)引起鐘樓水平向動(dòng)力響應(yīng)最大值。研究結(jié)果表明：在考慮路面車(chē)輛振動(dòng)的疊加效應(yīng)基礎(chǔ)上，根據(jù)2012年和2014年測(cè)試結(jié)果評(píng)估時(shí)，最大振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)在二號(hào)線、六號(hào)線上、下行四線同時(shí)運(yùn)行時(shí)(時(shí)速40 km/h)，其振動(dòng)量分別為0.165 mm/s和0.166 mm/s，均滿足古建筑振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值。說(shuō)明地鐵項(xiàng)目建設(shè)對(duì)鐘樓的影響在可控范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

西安地鐵一號(hào)線、二號(hào)線在施工前對(duì)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(yuǎn)低于文物部門(mén)要求的15 mm和5 mm的沉降指標(biāo)。

為了減輕地鐵列車(chē)運(yùn)行對(duì)古建筑產(chǎn)生的振動(dòng)影響，西安地鐵一號(hào)線、二號(hào)線過(guò)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(shí)測(cè)，明城墻和鐘樓承重結(jié)構(gòu)最高處的振動(dòng)速度分別為0.07～0.18 mm/s和0.06～0.15 mm/s，均滿足國(guó)家規(guī)范《古建筑防工業(yè)振動(dòng)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(hào)線過(guò)鐘樓時(shí)振動(dòng)速度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)規(guī)劃待建的六號(hào)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(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)在六號(hào)線二期南、北線疊加二號(hào)線東、西線四線同時(shí)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)量最大值為0.166 mm/s，符合古建筑保護(hù)相關(guān)要求。因此，地鐵項(xiàng)目建設(shè)對(duì)古建筑產(chǎn)生的影響可控。

地鐵項(xiàng)目是一種運(yùn)量大、效率高、污染小的運(yùn)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(xiàng)目建設(shè)具有明顯的社會(huì)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?yàn)榄h(huán)境工程(交通環(huán)境保護(hù))。

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

U415.1

C

1008-3383(2015)11-0167-03