北京地铁规划中对旧城古建筑地基基础的评估与保护对策研究

叶大华，王军辉

(1.北京市规划委员会，北京 100045; 2.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038)

1 概述

明清北京城是在辽、金、元时期北京城的基础上发展起来的，是中国古代都市规划的杰作，是历史文化名城保护的重点地区。旧城的范围为明清时期北京护城河及其遗址以内(含护城河及其遗址)的城市区域。刚刚结束征求公众意见的《北京市“十二五”时期历史文化名城保护建设规划》明确提出:坚持旧城在历史文化名城保护中的核心地位，扩大保护范围和保护内容的外延，将保护理念扩展到整个北京市域。

同时，为了整体保护历史文化名城、改善旧城内的交通状况和基础设施条件，从而实现旧城的可持续建设发展，需要在旧城发展轨道交通。根据北京市轨道交通建设发展规划，已经建成的有地铁1、2、4、5号线，在建的有地铁6、8号线(见图1)，未来为了进一步改善北京中心城交通问题，进一步规划了加密的地铁线路。然而，由于北京旧城区的历史文化资源丰富，具有“唯一性、完整性、真实性和艺术性”，因此在规划阶段，必须要严格论证轨道交通建设对旧城保护的影响问题，在地铁新线的规划、设计、施工和运营中切实贯彻文化、环保理念，保护好旧城区的历史文化资源和古都风貌。

为此，北京市规划委员会组织文物、规划、设计、建设管理、地勘、地震等相关单位共同开展“保四争六”轨道交通线路与文物保护专题的研究工作。本部分研究充分搜集相关地质资料和国内外相关研究成果，综合研究评价旧城保护区地铁沿线的工程地质特征、水文地质特征，研究评估沿线地质条件与地铁线路方案实施、历史文化资源保护的关系，论证分析旧城区地铁线建设对地质环境和地上文物保护区域、文物古建的影响，针对文物保护要求，提出保护措施、保护原则的建议。

图1 北京地铁线位与旧城保护范围关系示意图(2015年)

2 北京旧城历史文化保护区

北京是一个汇集了无数名胜古迹、建筑和园林的历史名城。特别是在旧城，集中分布了大量的各级文物保护单位，包括故宫、天坛、雍和宫、国子监、钟鼓楼、北海、中南海等等古建筑群。2001年，北京市规划部门会同文物部门共同组织编制了《北京旧城25片历史文化保护区保护规划》。旧城25片历史文化保护区的总占地面积为10.38 km2，约占旧城总面积的17%。25片历史文化保护区中的14片分布在旧皇城区内;7片分布在旧皇城外的内城;4片分布在外城。保护规划在对现状进行调研和分析的基础上，根据不同区片的性质和特点，分别提出了保护的原则、方式和建议。2004年，北京市规划、文物部门组织编制《北京第二批15片历史文化保护区保护规划》。其中旧城区内5片:皇城、北锣鼓巷、张自忠路北、张自忠路南、法源寺。上述第一批25片和第二批15片历史文化保护区，总占地面积约12.78 km2，占旧城面积的21%，还有60余处国家重点文物保护单位和200多处市级文物保护单位等散布其间。加上已由北京市政府批准的旧城内200多项各级文物保护单位的保护范围及其建设控制地带，保护与控制地区总用地面积达23.83 km2，约占旧城总用地面积的38%。

在旧城有限的空间内发展交通，最不影响旧城风貌，且有利于历史文化保护区的方法就是采用轨道交通，将交通导入地下，以缓解地上交通的拥挤状态。但从建设角度来看，要进行轨道交通的建设，不可避免地存在对周围地层、包括文物古建等各类建构筑物产生施工扰动的可能。

据调查，北京旧城25片历史文化保护区内总建筑面积约为613万平方米。其中建筑质量好和较好的占42%左右;建筑质量一般的占41%左右;建筑质量较差和差的占17%左右。但无论建筑质量是否良好，与现代建筑相比，这些保护建筑的结构整体性往往较差、抵抗各类施工扰动的能力较低，因此需要严格控制施工带来的影响。

3 北京旧城地质条件

北京平原区第四系岩相分布由山地向平原具有明显的过渡现象。在平原与山地交界地带多分布有卵石、圆砾、黄土或黄土混碎石构成的洪积扇、坡积裙。自山前至平原区的总岩相变化特征为:

(1)各大河流冲洪积扇顶部及上部以厚层砂土和卵、砾石地层为主;

(2)冲洪积扇中部的地层过渡为粘性土、粉土与砂土、卵砾石土互层;

(3)冲洪积扇中下部以及冲积平原区以厚层粘性土、粉土为主，层中分布有砂土层。图2为沿长安街、贯穿城市东西的典型工程地质剖面示意图。

图2 北京市平原区典型地层剖面图(沿长安街由西向东方向)

以原东城区为例，根据搜集的地层资料，东城区地面以下深度50 m内地层情况一般为:表层普遍为人工填土，人工填土以下除局部位置(湮废的全新世河湖沟坑附近)为新近沉积土外，主要是以粘性土、砂和卵砾石层为主的第四纪交互沉积层。根据这些地层的岩性和成因特征，概化分为12大层，并采用北京城建勘测设计研究院有限责任公司的地质三维建模技术建立东城区地层概化模型，如图3所示，并可以对各层土的岩性及相关物理力学指标进行统计分析。

根据对北京区域地下水分布特征的研究成果以及相关水文地质资料，东城区50 m深度范围内主要分布3层地下水，地下水类型自上而下分别为上层滞水或台地潜水、层间水和潜水～承压水。其中层间水和潜水～承压水在东城区普遍分布(图4)，而上层滞水、台地潜水仅在局部位置分布。

图3 东城区50 m深度范围内概化三维地质模型

图4 东城区现状地下水埋藏条件示意图(层间水、潜水～承压水)

从以上分析可以反映出北京旧城区的工程地质条件、水文地质条件还是比较复杂，需要特别重视勘察工作以及对地质条件的前期相关深入研究和论证。

4 旧城古建筑的特点及其地基工程条件

4.1 北京旧城古建筑的特点

北京旧城保护区的历史文化资源类别多样，既有重点的文物古建、成片的历史文物保护区(院落和街道)，也有优秀的近现代建筑和地下埋藏文物。在新线建设过程中，对地下埋藏文物可通过考古勘探进行保护。对于古建文物，保护范围涉及点、线、面，其建成年代不一，结构形式多样，鉴于文物古建的特殊性，还缺少的古建地基和基础资料，这就使现阶段很难全面准确地评估古建地基基础与新线规划建设的关系。因此在本次研究工作中，在对各类保护性文物古建地基基础条件分析时，将综合规划线位所处的工程地质单元特征，古地理、旧城区河湖沟坑的演变发展特点等加以综合研究和评估。

4.2 北京旧城古建筑的地基工程条件

旧城区不同历史时期文物古建筑的基础埋深一般均较浅，一般在2 m～3 m以内，据史料记载，明代北京城垣地基坐入地面2 m深，最深处约达3 m。如图5、图6所示。

图5 清代朝阳门内衙署南北角楼基础做法

图6 故宫御茶膳房西院墙基础做法

旧城区大部分位于永定河冲洪积扇的脊部，人工填土层以下的第四纪天然沉积土层工程性质良好，地基承载力标准值一般都大于160 kPa～180 kPa，属于中等～中低～低压缩土层;全新世填埋河湖沟坑内的新近沉积土层工程性质相对较弱，但由于也经过长期的自重固结，地基承载力一般也大于120 kPa(河湖相新近沉积的淤泥质土承载力低于120 kPa)，属于中等～中高压缩性土层。旧城区分布的人工填土包括变质炉灰、素填土、房渣土、沟泥和垃圾等物质成份，土质很不均匀，压缩性高，承载力低。

旧城文物古建一般主要以新近沉积土层和第四纪沉积土层作为地基持力层，可能也有的采用了人工填土地基。旧城文物古建在其基础的营造时，一般对槽底土层进行过简单的换土、夯实压密等处理。地基垫层和持力土层经过长期压密以及历史时期地下水的往复升降变化，已经充分固结，因其自身荷载在地基当中产生的沉降已经稳定。在没有较强的外力扰动作用(如地震、地面塌陷等)或环境影响(如邻近施工开挖或施工降水)时，古建的地基基础应当是稳固的。

4.3 控制减少地面沉降是保护文物古建地基基础的关键

旧城在一般地铁施工围岩地层主要为第四纪粘性土、粉土、砂土和卵砾石土，这类地层作为建构筑物的地基土层时，承载力较高、压缩性较低，对于一般的多层建筑是较好的地基持力土层。北京旧城区的文物古建筑一般都有上百年的历史，古建地基承载能力满足建筑物的要求，地基沉降也已经基本稳定。对于地铁隧道施工来说，单位距离内地铁结构荷重+运营期车辆动荷载仅相当于施工掘进开挖释放的原位地层总荷载的50%左右。因此旧城区地铁深度范围的第四纪土层地基承载能力是完全可以满足地铁区间和车站的设计和运营要求的。

地铁工程建设对地表环境影响的主要表现为:地下施工开挖造成不可避免的地层损失，随施工进程产生地层位移并形成地面变形影响区域(沉降槽)，从而对处于变形影响范围的地表环境设施(建构筑物)和地下管线设施的正常和安全使用带来不利影响。

同时，旧城区文物古建基础基本为灰土砌筑的砖石基础，不具有抗弯、抗扭剪能力，因此对地基不均匀沉降十分敏感。如果文物古建处于地铁隧洞引起的地表变形区域内，因施工引起的沉降超过了古建筑物本身所能够承受的差异沉降时，即施工扰动超过了文物古建的抗干扰能力时，古建筑地基基础可能因变形产生缺陷和安全隐患，并危及建筑物自身的安全。

因此，对于地铁隧道工程来说，土层的承载能力并不是控制施工运营安全的关键因素，在地下施工开挖后，保证地层围岩稳定性、控制减少围岩变形(下沉或隆起的控制)，进而最终确保地面沉降和差异沉降控制在地表环境设施所允许的范围之内，才是保证地铁施工安全和各类地面、地下建构筑物和管线设施的安全和正常使用的关键所在。

5 地铁施工产生扰动的影响区域及与文物古建关系

地铁隧道随着其不断开挖推进，不可避免会造成地层位移，累计形成地表沉降。地表沉降区域习惯称之为“沉降槽”。图7示意性地表示了一个隧道在开挖过程中引起地表沉降槽的形态。图8为某一典型施工时点和施工断面以上的典型地表横向沉降曲线形态图。

图7 隧道在开挖过程中引起的地表位移(Attewell，1986)

图8 地表横向沉降曲线

目前应用最为广泛的计算隧道施工引起地面沉降的方法是经典的Peck公式，在该方法基础上不断发展完善，提出了以下计算地面任一点的沉降值(s)的公式:

式中“i”为从沉降曲线对称中心到曲线拐点的水平距离，称为“沉降槽宽度”。理论上，沉降槽横向延展宽度是无限的，但是根据国内外大量地下工程实践经验和研究成果，一般图8中2.5i范围以外的地层沉降都可以忽略不计了，因此可将2.5i作为沉降槽的半宽。一般认为i和隧道轴线埋深z0之间存在以下简单的线性关系:

式中“K”为沉降槽宽度参数。在研究中，结合北京旧城一般地层条件，选取K=0.5估算沉降槽宽度。针对地铁沿线某些重点文物古建筑的具体情况，可以初步估算得到的施工变形影响区域与古建文物的相对距离关系。以原6号线方案为例，估算的局部施工变形扰动区范围如图9所示，主要国家级文物保护区附近隧道施工的影响区半径列于表1。

图9 初步估算的6号线隧道施工变形扰动区范围(原规划方案)

从表1的初步估算可见，对于历代帝王庙(未考虑其中的影壁)、妙应寺白塔、广济寺、北京大学红楼等重点古建筑，均在隧道施工引起的扰动范围以外，按照目前北京地区地铁施工地面沉降控制标准进行施工控制，地铁施工对文物古建筑物的影响很小。而对于隧道直接穿越、或近距离穿越的中南海、北平图书馆、北海、团城、故宫、大高玄殿、景山、孚王府等，保护范围可能会位于地面变形影响范围以内，因此应对其影响进行进一步的深入评估。

6号线沿线主要国家级文物保护区附近隧道施工的影响区半径估算(原规划方案) 表1

6 结论与建议

(1)国内外已有的城市建设经验证明，轨道交通的发展与旧城保护之间并不矛盾，如果规划前期对地质条件、施工影响、运营影响等进行充分的分析论证，并采取有效措施，就能规避轨道交通建设对旧城保护区的扰动和损害。

(2)总体而言，轨道交通建设阶段对文物古建的影响主要表现为引起建筑物的沉降。北京旧城保护区文物古建筑地基基础对地基不均匀沉降较为敏感。保护文物古建地基基础的关键是控制减少古建地基基础范围的地层位移和地面差异沉降。

(3)地铁线路建设中，采取安全、可靠的设计、施工措施，通过加强对地面环境的实时动态监测、信息化动态施工以及提前对重大风险源进行辨识、评估和预加固处理后，施工安全、环境安全和历史文化资源保护能够得到协调和可持续的保障。

(4)由于北京旧城区分布有全新世掩埋的古河湖沟坑，部分地段的地表水系发育，地下管线设施密集，在轨道交通建设期间，要特别做好全线的详细勘察工作和沿线周边地下设施的调查工作。并应针对文保分布集中的工程特殊困难地段，组织开展专项风险评估、编制专项保护方案。

(5)旧城中地铁线路沿线分布有多个含水层和多层地下水，应高度重视地下水的综合控制，与工程设计、施工一体化综合考虑，防止因地下水控制不当所造成的地面沉降和对古建筑物地基基础工程性状的不利影响。同时，还应充分重视地下水位长期动态变化对地下结构运营安全的影响，在保证地铁结构安全运营的同时，有效保护好旧城区的历史文物资源。

［1］北京市规划委员会.北京城市总体规划(1999－2010年).

［2］北京市规划委员会，北京市文物局.北京旧城25片历史文化保护区保护规划，2001

［3］DBJ 01－501－1992.北京地区建筑地基基础勘察设计规范［S］.

［4］张在明，孙保卫，徐宏声.地下水赋存状态与渗流特征对基础抗浮的影响［J］.土木工程学报，Vol.34，2001(1)，73 ～78

［5］张在明，孙保卫，徐宏声等人.建筑场地孔隙水压力测试、分布规律及其对建筑地基影响的研究.北京市科委项目研究报告，北京市勘察设计研究院，1999.12

［6］北京市地质地形勘测处(北京市勘察院前身).北京城区全新世埋藏河湖沟坑的分布及演变(含北京埋藏河湖沟坑分布略图).北京市地质地形勘测处资料，1977

［7］韩煊，罗文林，刘赪炜等.地铁隧道引起地面变形的数值分析方法.北京市勘察设计研究院研究报告，2007

［8］沈小克等.东城区地下空间开发利用地质条件可行性分析报告.北京市勘察设计研究院研究报告，2009