摘要：针对西安地铁二号线穿越{gjj}文物——城墙北门、南门及钟楼保护区在施工期以及运营期对古建筑物的影响，提出1套城墙北门、南门及钟楼的具体有效的保护措施。对比分析了穿过城墙北门、南门及钟楼的地铁几种设计施工方案，最终采纳地铁线路双侧分绕古建筑物、隔离桩基础加固以及加固古建筑物上部结构的施工方案。利用有限元软件对处理效果分析得出，城墙北门、南门及钟楼加固后地铁影响效果减小2/3。施工期监测数据表明，古建筑物沉降位移比实际预测位移要小，沉降位移均在保护设计范围之内，论证了保护措施有效性和合理性。同时，分析了地铁运营振动对城墙影响，并提出减振措施以及减振效果分析。通过方案选取、数值分析、具体实施以及实时监测，提出并论证一套具有很强实用价值的隧道穿越古建筑物保护措施。

　　关键词：西安地铁；钟楼；城墙；保护措施

　1引言

　　西安市地铁二号线穿越{gjj}文物——城墙北门、南门及钟楼保护区。地铁施工过程中会引起地面沉降[1－4]，在运营过程中产生振动[5]都会危及城墙和钟楼的安全。为实现城市建设与古建筑的协调发展，须对地铁穿越影响范围内的城墙北门、南门区段和钟楼采取相应的措施进行保护[6]，确保在地铁修建及运营过程中钟楼及城墙的安全。

　　2区间隧道通过钟楼和城墙段的线路方案本段线路方案设计的难点及关键点在于在保证北门城墙、钟楼、南门城墙等xxxx文物的安全和稳定的前提下如何提高整个工程方案的经济性、合理性及可行性。基于此，产生了如下3处线路方案[6－8]。

　　方案1（双侧分绕方案），优点是

　　①线路避开了南、北门城楼和箭楼这一变形敏感点，对振动和变形适应能力较强

　　；②二号线与六号线距钟楼基座距离较远，施工及运营对其影响较小，同时也为保护加固措施的实施提供了更为宽裕的空间。

　　③二号线与六号线与开元商城、世纪金花等周边建筑物基础净距均大于2 m，工程实施难度低。

　　④线路技术条件好，二号线线路最小曲线半径为600 m，六号线线路最小曲线半径400 m，可有效降低施工及运营过程中的振动影响。

　　方案2（直穿方案），优点是：线路顺直，行车及运营条件好，线路长度短，有利于节省投资。缺点：线路自陇海铁路框架桥、北门城楼及箭楼正下方、钟楼、南门城楼正下方穿过，施工风险较大。方案3（双线单侧绕行方案）

　　优点是线路自瓮城东侧穿过城墙，避开了南、北门城楼及箭楼。缺点是：①线路技术条件较差，不利于行车及运营。②线路通过北门、南门、钟楼时为曲线穿越，线路穿过办公楼一栋，并且线路距钟楼距离较方案1近，对钟楼影响较大，各方案如图1所示。

　　东本段线路方案比较的聚焦点在于线路穿过北门、南门及钟楼时，应不伤及遗址主体，确保文物在施工和运营过程中安全与稳定，并兼顾降低对沿线建筑物的不利影响。以此为出发点，设计推荐方案1。

　　纵断面设计[6－8]：过钟楼段线路坡度为24‰。

　　隧道顶埋深约13.2 m。过北城墙段盾构顶埋深为14.3 m；隧道顶距北护城河底约6.1 m。过南城墙段盾构顶埋深为18.7 m；隧道顶距南护城河河底约4.6 m，如图2所示。

　　3工程措施方案总体思路分别从施工期间和运营期间两方面考对钟楼城墙进行保护。地铁对钟楼城墙的影响主要是施工期间的地面沉降和运营期间的振动。针对地面沉降就需要从选线、工法选择和施工技术方面采取措施。

　　而对于运营期间的振动，首先要从选线采取措施，再在所选线路的基础上对振源和振动传播路径、介质采取一定的工程措施：

　　①为了保护文物古迹，地铁二号线在线路设计上尽量远离钟楼基座及城墙的变形敏感区（二号线右线距钟楼基座15.4 m，左线15.7 m。南城墙段右线线路中心距瓮城城墙最近距离10.2 m，左线11.8 m。北城墙段右线线路中心距瓮城城墙最近距离10.4 m，左线10.8 m）。线路纵断面尽量加大埋深（过钟楼段隧道顶埋深约13.2 m，过北城墙段14.3 m，过南城墙段18.7 m）以避让地下8 m“文化层”和降低振动对文物的影响。

　　②区间隧道工法选择对环境影响最小、沉降控制xxx的盾构法施工。

　　③为了减少隧道施工对古城墙及钟楼的影响，预先对钟楼及城墙加固处理，以减少施工及运营过程中对钟楼及城墙的影响。

　　④地铁轨道采取无缝线路，道床采用减振效果{zh0}、国际{zxj}的钢弹簧浮置板减振道床，减少地铁运营期间对文物的影响。

　　4钟楼加固设计施工方案

　　4.1钟楼概况初建于明太祖洪武17年（1384年），原址在今广济街口，1582年迁于现址[6]。

　　由基座、楼身主体和攒顶组成，通高36 m基座为方形（图3），边长35.5 m×35.5 m，8.6 m高夯土外包砖墙，四面正中有高、宽各6 m的券洞。楼身为2层木结构，高27.4m，平面方形，面阔、进深各3间，周回廊。屋顶为重檐3滴水4角攒尖顶，覆以绿色琉璃瓦。结构重量主要由中心4根，周围12根木柱承担。木柱之间由梁连接，梁与柱为榫接。钟楼台基结构为砖表土芯，中间为以黄土为主的素填土分层夯筑而成，外包砖砌体为青砖砌筑而成。最初修筑钟楼时，先挖了较台基更宽的基槽，然后，在基槽内分层夯筑土层，构成了分层夯实的填筑土基础，基础以下就是原始堆积的黄土及残积古土壤层，下部为粉质黏土、粉土、砂土[6]。

　　4.2钟楼加固设计施工方案在钟楼基座外围8 m左右设1圈隔离桩[6－8]，桩径为1 m，间距为1.3 m。跳桩施工，桩顶设冠梁，如图４所示。

　　隔离桩伸入6号线隧道下2 m，桩顶设1 m（宽）×0.8 m（高）的冠梁，将所有的灌注桩连为整体，在盾构掘进的过程中将地面沉降槽隔断。隔离桩的目的是在盾构掘进的过程中将地面沉降槽隔断：当在钟楼的四周作1圈灌注桩并在桩顶用冠梁将所有的桩联为整体后，盾构隧道施工穿过钟楼旁边时其沉降槽只能影响到围护桩边，这样灌注桩内侧的钟楼就不会受到影响。

　　4.3盾构施工沉降数值模拟及计算结果

　　（1）沉降控制标准根据国内外资料调查结果[9－10]，考虑到地铁穿越类似建（构）筑物地面变形控制资料、数值仿真计算结果、钟楼现状及现有沉降观测资料、盾构施工沉降速率较快的因素，综合确定地铁2号线盾构施工绕穿钟楼时，采用钟楼台基地表及其顶面产生的{zd0}沉降量不超过－5 mm，局部倾斜不超过0.000 5的沉降变形控制标准。

　　（2）数值模拟计算对钟楼进行有隔离桩保护和无隔离桩保护2种工况时：预测盾构开挖引起的地表及钟楼台基的沉降，包括盾构开挖横断面地表沉降；隧道中线上方地表点沉降历程；楼台底面、顶面4个角点沉降历程，沉降计算模型网络如图5所示。根据计算结果[10]设围护桩采取加固措施时，盾构施工引起的钟楼台基地表{zd0}沉降量约-0.9mm，钟楼台基上楼体4个角点{zd0}沉降量约-1.0mm；左右线施工完成后，{zd0}局部倾斜为0.000 06，远小于标准“{zd0}沉降量不超过5 mm，局部倾斜不超过0.000 5”安全评估的沉降变形控制要求。

　　4.4地铁运营振动对钟楼影响分析及减振措施对振动传播路径在线路设计的时候就采用远离钟楼的方法，使传播路径加长，使振动波在传播过程中衰减。设计中的旋挖桩对波的传播有较强的反射和折射作用。

　　设计为了{zd0}限度的控制振源，设计采用国内外减振效果{zh0}特殊减振设计方案即钢弹簧浮置板道床来减振。钟楼保护地段的钢弹簧浮置板设置范围为[8]Y(Z)CK13+300～YCK13+530(右)ZCK13+430(左)，长约360 m。

　　（1）建筑物抗振动评估标准国家文物局在“关于《西安市城市快速轨道交通2号线通过钟楼及城墙文物保护方案》（陕文物字［2006］266号）的批复”（文物保函［2007］99号，2007年2月5日）中要求：“因地铁振动引起的钟楼、城墙（地面）的垂直振动速度允许{zd0}值建议控制在0.15～0.20 mm/s[10－13]”。

　　（2）钟楼动力响应有限元模型计算根据计算结果[10]，采取浮置板减振轨道和围护桩情况下，Z向速度相对于无围护桩情况，峰值和有效值有减，速度有效值{zd0}减少量为29.42%。

　　设计及加固方案条件下，地铁2号线70 km/h双向运行时，台基z向{zd0}振动速度计算值为0.171mm/s，钟楼柱底处{zd0}振动速度为0.144 mm/s，符合振动控制限值要求。采用浮置板轨道对降低地铁运行对钟楼影响效果较显著。

　　5城墙加固设计施工方案

　　5.1城墙概况建成于1378年[6]，xxxx文物保护单位，总长13.7 km，南北2.7 km，东西约4 km，南门区段城墙（图7）高约11.6 m，底部宽16～18 m，顶部宽12～14 m。

　　南门永宁门门洞为拱券形，通长29 m，内侧宽6.1 m，高8.8 m；南门瓮城东西长70.0 m，南北宽50.0 m，瓮城墙顶宽13.5 m，周长395 m；在瓮城北墙上方砌置有一城楼，城楼楼面宽7间（37.14 m），进深2间（15.5 m），通高32 m，楼体高19.6 m。北门区段城墙（图8）高约12 m，底部宽16～18 m，顶部宽12～14 m；北门安远门门洞为拱券形，通长30.8 m，内侧宽6.1 m，高8.2 m。北门瓮城东西长70.5 m，南北宽47.7 m，瓮城墙顶宽10.5m，周长38

9 m。北门瓮城城墙北侧为箭楼，箭楼楼面宽11间（53.35 m），进深2间（15.5 m），通高33.4 m，楼体高19.6 m。西安明城墙结构为：夯筑芯墙，外包砖，2 m厚夯土地基，见图9。

　　5.2城墙加固设计施工方案

　　5.2.1对城墙基础加固

　　（1）钻孔桩加固措施盾构施工前在城墙两侧距离8 m、在瓮城两侧距离5 m的位置打设直径1 m钻孔灌注桩[6－8]，间距1.3 m，桩长至盾构底下2 m。桩顶设冠梁，其中盾构穿越处桩长至盾构顶上1 m，如图10所示。当在城墙两侧分别作1排布置为槽形的隔离桩并用冠梁将所有的桩联为整体后，盾构施工穿过城墙时，盾构施工引起的地层隆起只能影响到灌注桩边，不会影响到城墙基础。

　　（2）袖阀管注浆加固预先对城墙地基采用袖阀管注浆加固，在围护桩范围内打设1排袖阀管注浆，间距为0.6 m×0.6m，梅花形布置，加固范围为地下3～11 m，如图11所示；浆液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力初步定为0.4～0.8 MPa，具体浆液配比和注浆压力需根据试验确定。

　　5.2.2对城墙外部的防护措施盾构通过时采用外挂钢板网对城墙进行护壁（钢板网规格为GW 3x65x2500x8000），要求尽量密贴，见图12，实时观测，如发现有砖块脱落趋势需对城墙局部注粘结胶（爱牢达XH130A胶或其它同性能胶）。通车一个月后可拆除该护网。

　　5.2.3对城门洞的防护措施为保证下穿施工时城门洞的安全，在施工前须对城门洞采取如下防护措施：在门洞内沿门洞轮廓设置1圈工字钢内支护，工字钢采用22b，纵向间距为1 000 mm，沿环向每隔1 m设1道16加强纵向联系，见图13。

　　5.3盾构施工沉降数值模拟及计算结果

　　（1）沉降控制标准根据国内外资料调查结果[8～11]，参考已建地铁穿越类似建（构）筑物地面变形控制资料，数值仿真计算资料，城墙现有沉降实测资料，综合考虑，盾构施工沉降在城墙范围可以采用地表{zd0}沉降量控制标准+5～-15 mm，局部倾斜不超过0.001的沉降变形控制标准。

　　（2）数值模拟计算根据试验段实测沉降资料修正模型参数，使模型尽可能地符合南、北门实际情况；变形计算结果见图14。根据计算结果[11]北门区段采用隔离桩与化学注浆法复合地基加固方案，加固城墙地段{zd0}沉降量由34 mm减为13 mm，沉降曲线{zd0}倾斜小于0.001。

　　加固后，北门区段沉降变形满足变形控制标准。

　　南门区段采用隔离桩与化学注浆法复合地基加固方案，加固前后城墙地段{zd0}沉降量由15 mm减为10 mm，沉降槽曲线{zd0}倾斜小于0.001。加固后，南门区段城墙沉降变形满足变形控制标准。

　　5.4地铁运营振动对城墙影响分析及减振措施

　　（1）北门城墙钢弹簧浮置板道床设置范围[8]：Y(Z)CK11+410～Y(Z)CK11+700；南门城墙钢弹簧浮置板道床设置范围：Y(Z)CK14+140～Y(Z)CK14+430。

　　（2）钟楼动力响应有限元模型计算根据计算结果（图15）

　　[11]，采取浮置板减振轨道和围护桩情况下，采用措施后，北门段城墙z向{zd0}速度计算值为0.15 mm/s，南门段城墙z向{zd0}速度计算值为0.12 mm/s。计算结果不超过0.20mm/s，符合国家文物局的限值要求。采用措施后，北门箭楼z向{zd0}速度计算值为0.20 mm/s，南门城楼z向{zd0}速度计算值为0.19 mm/s。综合考虑国内外现行标准和有关要求可知，箭楼和城楼的{zd0}速度值在允许范围之内。

　　6 沉降监测盾构下穿钟楼城墙期间监测频率3～5次/天。

　　左线盾构于2008年12月1日盾构刀盘进入城墙范围，2008年12月3日盾尾脱出城墙范围；右线盾构于2009年1月20日盾构刀盘进入城墙范围，2009年1月22日盾尾脱出城墙范围，2009年3月19日钟楼－南门盾构成功穿越钟楼。

　　通过现场监测资料表明，截至2009年5月31日监测结果钟楼台基{zd0}沉降为－1.48 mm；左线盾构穿越段城墙门洞{zd0}沉降为－2.79 mm；右线盾构穿越段城墙门洞{zd0}沉降为－6.56 mm，地表和洞内变形较小，并随着时间逐渐趋于稳定。钟楼城墙处于安全状态。对施工各阶段的监测成果进行分析发现，其变形规律与设计计算基本相符，满足了工程及周边环境的要求，确保了施工安全。

　　7结语

　　西安地铁2号线穿越城墙北门、南门及钟楼保护区在施工期以及运营期对古建筑物的有较大的影响，主要是施工期间的地面沉降和运营期间的振动。

　　对于地面沉降就需要从选线、工法选择和施工技术方面采取措施；对于运营期间的振动，从选线采取措施，在所选线路的基础上对振源和振动传播路径、介质采取一定的工程措施。通过方案选取、数值分析、具体实施以及实时监测，提出并论证1套具有很强实用价值的隧道穿越古建筑物保护措施设计方案，为以后隧道穿越古建筑保护设计施工提供一些参考作用。小，基本上可满足路基剩余沉降的要求。

　　8结论

　　根据以上分析，对黄土地区客运专线的沉降观测控制得出以下几点结论：

　　（1）黄土地区沉降完成时间较快，对荷载的敏感度较高，一般静置3～6个月沉降即可趋于稳定，设计中采取堆载预压的处理措施，可以显著加速沉降的发展，缩短路基沉降完成的周期。

　　（2）客运专线沉降控制总沉降量较小，时间-沉降曲线比较符合双曲线模型，采取双曲线（或修正双曲线法）分析法进行沉降分析比较符合实际。

　　（3）在路基中心布设沉降板对沉降进行观测，沉降观测效果好于埋设于两侧路肩观测桩的观测效果，建议采用沉降控制宜采取中心控制为主、路肩控制为辅的原则。

　　（4）路堑地段也有少量沉降发生，应结合实际情况布设沉降观测设施，尤其是路桥、填挖等过渡段地段。

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