地铁建设对古建筑的影响

曹 艳，王 苗，陈 贝，陈爱侠

(1.长安大学环境科学与工程学院；2.长安大学海威环境技术公司)



地铁建设对古建筑的影响

曹 艳1，王 苗1，陈 贝2，陈爱侠1

(1.长安大学环境科学与工程学院；2.长安大学海威环境技术公司)

西安市地铁一号线与地铁二号线以地下线的形式经过西安明城墙，地铁二号线与规划建设的地铁六号线二期以地下线的形式经过钟楼保护范围。通过实测和类比分析的方法，探讨西安市地铁一号线、二号线及六号线二期工程在施工期和营运期对古建筑产生的环境影响。结果表明，地铁盾构施工会造成一定的地面不均匀沉降，其中明城墙区段地面沉降量1.87～7.50 mm，钟楼区段地面沉降量0.21～1.40 mm，分别满足文物部门要求的15 mm和5 mm的沉降指标。运营期由于线路运行对古建筑产生振动影响，其中明城墙承重结构最高处的振动速度为0.07～0.18 mm/s，钟楼台基和木结构承重结构最高处的振动速度为0.06～0.15 mm/s，满足古建筑0.15～0.20 mm/s振动标准限值。地铁项目建设对古建筑产生的环境影响可控。

地铁；环境影响；古建筑；钟楼

地铁给人们带来便利的同时，也成为新的振动源，地铁对医院、学校、居民住宅等环境敏感地段的振动影响及减振措施日益受到人们的关注。如今，许多建设地铁的城市其本身也是国家历史文化名城。考虑到客流和线网的因素，有些地铁线路不得不穿越或临近一些古建筑保护范围。古建筑由于历史悠久，其结构的抗振性能日渐衰退，可能一些小的交通振动就会对古建筑造成损坏，所以，分析评价交通振动对古建筑的影响并采取相应的减振措施十分必要。1964年Miloslav Mata最早研究了交通振动对古建筑的影响，20世纪80年代末我国才开始关注交通振动对古建筑的影响，近年来北京地铁6号线及8号线都曾做过地铁振动对古建筑的影响评估。西安地铁一号线、二号线及六号线二期穿过明城墙及钟楼保护区，鉴于列车振动会对明城墙和钟楼产生潜在影响，因此分析和监测地铁运行对明城墙和钟楼的影响，对保护明城墙和钟楼有重要意义。

我国对古建筑振动控制研究起步较晚，为了加强工业交通基础设施布局和工业振动环境中古建筑的保护，2009年1月国家住房和城乡建设部出台了《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T50452-2008 )。本研究以该规范为评估标准，对西安地铁列车振动对明城墙、钟楼的影响进行了分析，并提出减振措施。

1 工程概况

1.1 西安市地铁一号线、二号线、六号线二期简介

西安市地铁一号线西起后围寨站，东至纺织城站，全长25.36 km，共设车站19座，该项目于2013年9月通车试运营。受其影响的文物单位是西安明城墙(玉祥门和朝阳门)。

西安市地铁二号线南起韦曲南站，北至未央区北客站。线路全长26.64 km，设21座地下车站。北客站～会展中心段于2011年9月16日通车试运营，会展中心～韦曲南段于2014年06月16日通车试运营。受其影响的文物单位是西安明城墙(永宁门和安远门)和钟楼。

规划建设的西安地铁六号线二期工程西起劳动南路，东至纺织城，线路全长19.79 km，全部为地下线，共设车站15座，含一座停车场。主要受影响的是钟楼。

1.2 古建筑概况

(1)西安明城墙

西安明城墙建于明洪武三年至十一年(1370～1378年)，在唐长安城皇城和元代奉元城的基础上扩建而成。城墙平面呈长方形，面积11.50 km2，周长13.79 km，墙体高12 m，顶宽12～14 m，底宽15～18 m。城四面各开一门，每门均设有城楼、箭楼、闸楼。明城墙位于西安市中心区，现存城墙距今已有600多年历史，是国家级文物保护单位。

(2)钟楼

西安钟楼，距今已有600余年历史，是一座三重檐四角攒尖顶的木结构建筑，座落于四面各宽35.5 m，高8.6 m。基座下有十字形券洞与东南西北四条大街相通，券洞的高与宽度各为6 m，是国家级文物保护单位。钟楼的重点保护范围为楼基座四周边内；一般保护范围为楼基座四周边外延36 m内；建设控制地带范围为一般保护区域外延72 m内。

2 西安市地铁与古建筑的位置关系

2.1 西安市地铁与明城墙的位置关系

西安市地铁一号线一期工程以地下线的形式下穿西安明城墙，隧道埋深35 m(玉祥门)和37 m(朝阳门)，区段采取钢弹簧浮置板道床减振。西安市地铁二号线以左、右线距北城门洞外侧和南城门洞内侧水平距离9 m处绕行下穿，隧道埋深18.0 m(永宁门)和24.5 m(安远门)。

2.2 西安市地铁与钟楼的位置关系

西安地铁六号线二期工程将与地铁二号线于钟楼附近相交，地铁二号线、六号线二期工程与钟楼的平面位置关系如图1所示。两条线路均以地下线左、右分开绕行通过钟楼一般保护范围，其中已运营的西安市地铁二号线距钟楼基座最近距离为15.4 m；而规划待建的西安市地铁六号线二期工程从钟楼南、北两侧绕行，曲线半径350 m，绕行后回到东大街路中并行，六号线二期下穿钟楼一般保护区范围约108 m，线路距离钟楼台基角点水平距离最近约30 m。地铁二号线线路埋深为18.2 m，六号线二期工程在保护区范围内的线路埋深为24.9～29.1 m。地铁二号线、六号线二期工程与钟楼的纵剖面位置关系如图2所示。

图1 西安市地铁二号线、六号线二期工程与钟楼的平面位置关系示意图

图2 西安市地铁二号线、六号线二期工程与钟楼的纵剖面关系图

3 西安市地铁建设对古建筑的影响

3.1 西安市地铁建设对明城墙的影响

(1)地铁一号线、二号线施工对明城墙的影响

地铁项目施工期对古建筑的影响，主要来自于隧道及地下车站施工引起的地层水环境扰动和由此引起的基础不均匀沉降。因此地铁项目施工前对明城墙两侧土体采用旋喷桩和钻孔桩进行加固处理。地铁在施工过程中对各区段地面沉降长期监测，其中地铁一号线玉祥门和朝阳区段的最大沉降量分别为1.87 mm和5.63 mm；地铁二号线永宁门和安远门区段最大沉降量分别为3.09 mm和7.50 mm，均远小于国家规定的30 mm和文物部门要求的15 mm的限值要求。因此西安地铁一号线、二号线施工对明城墙未产生明显影响。

(2)地铁一号线和二号线运营期对明城墙的影响

地铁项目营运期对古建筑的影响主要来自列车运行时产生的振动，因此地铁项目经过明城墙段均采用钢弹簧浮置板道床减振。

2014年10月西安高新区中凯环境监测有限公司在地铁一号线上行线、下行线经过玉祥门和朝阳门城墙承重结构的最高处设置测点，分别统计5次有地铁和无地铁通过时的振动速度最大值，有地铁通过时振动速度为0.07～0.14 mm/s，无地铁通过时振动速度为0.05～0.10 mm/s，见表1。监测结果表明，列车通过时产生的振动速度均满足《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T5-452-2008)的规定。

表1 西安明城墙承重结构最高处最大响应速度监测结果

续表1

2012年6月机械工业勘查设计研究院对西安地铁二号线运行后明城墙(永宁门、安远门)在多种监测工况下受到的振动影响作了系统监测。地铁单独运行工况下，永宁门振动速度为0.04～0.08 mm/s，安远门振动速度为0.05～0.19 mm/s。地铁+地面交通工况下，永宁门振动速度为0.10～0.18 mm/s，安远门振动速度为0.08～0.13 mm/s。测试结果表明，均满足国家文物局要求和《古建筑防工业振动技术规范》的容许振动标准。

3.2 西安市地铁建设对钟楼的影响

(1)地铁二号线、六号线二期施工对钟楼的影响

为了减轻地铁施工对古建筑产生的不均匀沉降影响，地铁二号线在施工前对钟楼基础采用旋喷桩和钻孔桩进行加固处理。通过施工期长期监测数据分析，地铁二号线过钟楼左线最大沉降量为1.40 mm、右线最大沉降量为0.21 mm，均低于5 mm的沉降指标。说明施工前对钟楼基础加固措施和得当的施工工法有效。

六号线二期工程过钟楼方案技术难度与二号线类似，参照地铁二号线过钟楼的技术经验，二号线在通过钟楼处采取左右线分开绕行的方式，绕避了变形敏感的钟楼券门洞等部位；经过钟楼段采用不均匀沉降较小的盾构法施工，并设置钢弹簧浮置板道床减振。六号线二期采取同样盾构法施工方式，埋深在二号线之下(线路埋深24.9～29.1 m)，并通过双线绕行的方式尽量远离钟楼基座(最近距离约30 m)，施工过程对钟楼的影响在可控范围之内，可以有效减小对钟楼建筑的影响。

地铁六号线二期左、右线区间开挖引起的地面沉降范围(沉降槽)为68.8 m(单侧34.4 m)，其中距离两隧道中心线22.1 m(反弯点)范围内为地面沉降较大区，距离两隧道中心线22.1～34.4 m为沉降较小区。钟楼位于沉降较小区范围，所以地铁施工对其影响较小。

另外，西安地铁二号线修建时曾在钟楼基座外围 8m处设置了一圈钻孔灌注桩(桩径 1 m，间距 1.3 m)作为隔离柱，用来减小和隔断区间施工对钟楼基座产生的不利影响，六号线二期区间线路从南北向侧穿钟楼时，这些既有的隔离柱可将施工区间产生的地面沉降槽隔断以达到保护钟楼的目的。

(2)地铁二号线和六号线二期运营期对钟楼的影响

地铁运营期对钟楼影响主要为列车运营产生的振动对古建筑结构的影响。根据钟楼古建筑结构特征，参照《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T50452-2008)，确定钟楼建筑允许振动速度与控点位置和控制点方向如表2所示。

表2 钟楼允许振动速度与控点位置和方向

因此，因地铁振动引起的钟楼振动速度允许最大值建议控制在0.15～0.20 mm/s。

为了了解西安地铁二号线运营期振动对钟楼的影响，机械工业勘察设计研究院分别在 2011.12.18～2012.6.7 、2013.11.21～12.01、2014.03.08～03.15时间段对钟楼进行了各种工况下的振动监测，地铁单独运行工况下最大振动速度幅值为0.03～0.07 mm/s，地铁+地面交通工况下最大振动速度幅值为0.06～0.15 mm/s。

监测结果表明，地铁二号线经过钟楼各个工况下的振动速度幅值均满足国家规范《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452-2008)中的振动限值0.15～0.20 mm/s的要求。

由于地铁项目对钟楼的振动影响是综合作用产生的，由各种交通形式、不同工况和空间作用形成一种特殊源强，很难准确预测。因此北方交通大学在二号线开通运营两年半后，各种工况条件下，对钟楼振动影响进行全面监测的基础上，预测了六号线二期、二号线及现有地面交通环境振动引起钟楼水平向动力响应最大值。研究结果表明：在考虑路面车辆振动的叠加效应基础上，根据2012年和2014年测试结果评估时，最大振动响应出现在二号线、六号线上、下行四线同时运行时(时速40 km/h)，其振动量分别为0.165 mm/s和0.166 mm/s，均满足古建筑振动标准限值。说明地铁项目建设对钟楼的影响在可控范围之内。

4 结 语

西安地铁一号线、二号线在施工前对明城墙和钟楼基础均采用旋喷桩和钻孔桩加固处理。因此，地铁施工期间明城墙和钟楼区段地面沉降量分别为1.87～7.50 mm/s和0.21～1.40 mm/s，远低于文物部门要求的15 mm和5 mm的沉降指标。

为了减轻地铁列车运行对古建筑产生的振动影响，西安地铁一号线、二号线过明城墙和钟楼段均采用钢弹簧浮置板道床减振，取得了良好的减振效果。经实测，明城墙和钟楼承重结构最高处的振动速度分别为0.07～0.18 mm/s和0.06～0.15 mm/s，均满足国家规范《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452-2008)0.15～0.20 mm/s限值要求。

基于西安地铁二号线过钟楼时振动速度的监测结果，预测规划待建的六号线二期工程在采取钢弹簧浮置板道床减振的条件下，钟楼最大振动响应出现在六号线二期南、北线叠加二号线东、西线四线同时运行时，振动量最大值为0.166 mm/s，符合古建筑保护相关要求。因此，地铁项目建设对古建筑产生的影响可控。

地铁项目是一种运量大、效率高、污染小的运输方式，能大量替代地面交通，有效缓解地面交通拥堵现象，减少大气污染和噪声污染，项目建设具有明显的社会和环境效益。

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[2] 温玉君. 城市轨道交通系统的减振降噪措施[J].城市轨道交通研究, 2006,8(6): 77-79.

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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

曹艳(1989-)，女，在读硕士研究生，研究方向为环境工程(交通环境保护)。

西安市地铁建设环境保护研究(D2-YJ-022008058)。

U415.1

C

1008-3383(2015)11-0167-03