北京地鐵規劃中對舊城古建筑地基基礎的評估與保護對策研究

葉大華，王軍輝

(1.北京市規劃委員會，北京 100045; 2.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

1 概述

明清北京城是在遼、金、元時期北京城的基礎上發展起來的，是中國古代都市規劃的杰作，是歷史文化名城保護的重點地區。舊城的范圍為明清時期北京護城河及其遺址以內(含護城河及其遺址)的城市區域。剛剛結束征求公眾意見的《北京市“十二五”時期歷史文化名城保護建設規劃》明確提出:堅持舊城在歷史文化名城保護中的核心地位，擴大保護范圍和保護內容的外延，將保護理念擴展到整個北京市域。

同時，為了整體保護歷史文化名城、改善舊城內的交通狀況和基礎設施條件，從而實現舊城的可持續建設發展，需要在舊城發展軌道交通。根據北京市軌道交通建設發展規劃，已經建成的有地鐵1、2、4、5號線，在建的有地鐵6、8號線(見圖1)，未來為了進一步改善北京中心城交通問題，進一步規劃了加密的地鐵線路。然而，由于北京舊城區的歷史文化資源豐富，具有“唯一性、完整性、真實性和藝術性”，因此在規劃階段，必須要嚴格論證軌道交通建設對舊城保護的影響問題，在地鐵新線的規劃、設計、施工和運營中切實貫徹文化、環保理念，保護好舊城區的歷史文化資源和古都風貌。

為此，北京市規劃委員會組織文物、規劃、設計、建設管理、地勘、地震等相關單位共同開展“保四爭六”軌道交通線路與文物保護專題的研究工作。本部分研究充分搜集相關地質資料和國內外相關研究成果，綜合研究評價舊城保護區地鐵沿線的工程地質特征、水文地質特征，研究評估沿線地質條件與地鐵線路方案實施、歷史文化資源保護的關系，論證分析舊城區地鐵線建設對地質環境和地上文物保護區域、文物古建的影響，針對文物保護要求，提出保護措施、保護原則的建議。

圖1 北京地鐵線位與舊城保護范圍關系示意圖(2015年)

2 北京舊城歷史文化保護區

北京是一個匯集了無數名勝古跡、建筑和園林的歷史名城。特別是在舊城，集中分布了大量的各級文物保護單位，包括故宮、天壇、雍和宮、國子監、鐘鼓樓、北海、中南海等等古建筑群。2001年，北京市規劃部門會同文物部門共同組織編制了《北京舊城25片歷史文化保護區保護規劃》。舊城25片歷史文化保護區的總占地面積為10.38 km2，約占舊城總面積的17%。25片歷史文化保護區中的14片分布在舊皇城區內;7片分布在舊皇城外的內城;4片分布在外城。保護規劃在對現狀進行調研和分析的基礎上，根據不同區片的性質和特點，分別提出了保護的原則、方式和建議。2004年，北京市規劃、文物部門組織編制《北京第二批15片歷史文化保護區保護規劃》。其中舊城區內5片:皇城、北鑼鼓巷、張自忠路北、張自忠路南、法源寺。上述第一批25片和第二批15片歷史文化保護區，總占地面積約12.78 km2，占舊城面積的21%，還有60余處國家重點文物保護單位和200多處市級文物保護單位等散布其間。加上已由北京市政府批準的舊城內200多項各級文物保護單位的保護范圍及其建設控制地帶，保護與控制地區總用地面積達23.83 km2，約占舊城總用地面積的38%。

在舊城有限的空間內發展交通，最不影響舊城風貌，且有利于歷史文化保護區的方法就是采用軌道交通，將交通導入地下，以緩解地上交通的擁擠狀態。但從建設角度來看，要進行軌道交通的建設，不可避免地存在對周圍地層、包括文物古建等各類建構筑物產生施工擾動的可能。

據調查，北京舊城25片歷史文化保護區內總建筑面積約為613萬平方米。其中建筑質量好和較好的占42%左右;建筑質量一般的占41%左右;建筑質量較差和差的占17%左右。但無論建筑質量是否良好，與現代建筑相比，這些保護建筑的結構整體性往往較差、抵抗各類施工擾動的能力較低，因此需要嚴格控制施工帶來的影響。

3 北京舊城地質條件

北京平原區第四系巖相分布由山地向平原具有明顯的過渡現象。在平原與山地交界地帶多分布有卵石、圓礫、黃土或黃土混碎石構成的洪積扇、坡積裙。自山前至平原區的總巖相變化特征為:

(1)各大河流沖洪積扇頂部及上部以厚層砂土和卵、礫石地層為主;

(2)沖洪積扇中部的地層過渡為粘性土、粉土與砂土、卵礫石土互層;

(3)沖洪積扇中下部以及沖積平原區以厚層粘性土、粉土為主，層中分布有砂土層。圖2為沿長安街、貫穿城市東西的典型工程地質剖面示意圖。

圖2 北京市平原區典型地層剖面圖(沿長安街由西向東方向)

以原東城區為例，根據搜集的地層資料，東城區地面以下深度50 m內地層情況一般為:表層普遍為人工填土，人工填土以下除局部位置(湮廢的全新世河湖溝坑附近)為新近沉積土外，主要是以粘性土、砂和卵礫石層為主的第四紀交互沉積層。根據這些地層的巖性和成因特征，概化分為12大層，并采用北京城建勘測設計研究院有限責任公司的地質三維建模技術建立東城區地層概化模型，如圖3所示，并可以對各層土的巖性及相關物理力學指標進行統計分析。

根據對北京區域地下水分布特征的研究成果以及相關水文地質資料，東城區50 m深度范圍內主要分布3層地下水，地下水類型自上而下分別為上層滯水或臺地潛水、層間水和潛水～承壓水。其中層間水和潛水～承壓水在東城區普遍分布(圖4)，而上層滯水、臺地潛水僅在局部位置分布。

圖3 東城區50 m深度范圍內概化三維地質模型

圖4 東城區現狀地下水埋藏條件示意圖(層間水、潛水～承壓水)

從以上分析可以反映出北京舊城區的工程地質條件、水文地質條件還是比較復雜，需要特別重視勘察工作以及對地質條件的前期相關深入研究和論證。

4 舊城古建筑的特點及其地基工程條件

4.1 北京舊城古建筑的特點

北京舊城保護區的歷史文化資源類別多樣，既有重點的文物古建、成片的歷史文物保護區(院落和街道)，也有優秀的近現代建筑和地下埋藏文物。在新線建設過程中，對地下埋藏文物可通過考古勘探進行保護。對于古建文物，保護范圍涉及點、線、面，其建成年代不一，結構形式多樣，鑒于文物古建的特殊性，還缺少的古建地基和基礎資料，這就使現階段很難全面準確地評估古建地基基礎與新線規劃建設的關系。因此在本次研究工作中，在對各類保護性文物古建地基基礎條件分析時，將綜合規劃線位所處的工程地質單元特征，古地理、舊城區河湖溝坑的演變發展特點等加以綜合研究和評估。

4.2 北京舊城古建筑的地基工程條件

舊城區不同歷史時期文物古建筑的基礎埋深一般均較淺，一般在2 m～3 m以內，據史料記載，明代北京城垣地基坐入地面2 m深，最深處約達3 m。如圖5、圖6所示。

圖5 清代朝陽門內衙署南北角樓基礎做法

圖6 故宮御茶膳房西院墻基礎做法

舊城區大部分位于永定河沖洪積扇的脊部，人工填土層以下的第四紀天然沉積土層工程性質良好，地基承載力標準值一般都大于160 kPa～180 kPa，屬于中等～中低～低壓縮土層;全新世填埋河湖溝坑內的新近沉積土層工程性質相對較弱，但由于也經過長期的自重固結，地基承載力一般也大于120 kPa(河湖相新近沉積的淤泥質土承載力低于120 kPa)，屬于中等～中高壓縮性土層。舊城區分布的人工填土包括變質爐灰、素填土、房渣土、溝泥和垃圾等物質成份，土質很不均勻，壓縮性高，承載力低。

舊城文物古建一般主要以新近沉積土層和第四紀沉積土層作為地基持力層，可能也有的采用了人工填土地基。舊城文物古建在其基礎的營造時，一般對槽底土層進行過簡單的換土、夯實壓密等處理。地基墊層和持力土層經過長期壓密以及歷史時期地下水的往復升降變化，已經充分固結，因其自身荷載在地基當中產生的沉降已經穩定。在沒有較強的外力擾動作用(如地震、地面塌陷等)或環境影響(如鄰近施工開挖或施工降水)時，古建的地基基礎應當是穩固的。

4.3 控制減少地面沉降是保護文物古建地基基礎的關鍵

舊城在一般地鐵施工圍巖地層主要為第四紀粘性土、粉土、砂土和卵礫石土，這類地層作為建構筑物的地基土層時，承載力較高、壓縮性較低，對于一般的多層建筑是較好的地基持力土層。北京舊城區的文物古建筑一般都有上百年的歷史，古建地基承載能力滿足建筑物的要求，地基沉降也已經基本穩定。對于地鐵隧道施工來說，單位距離內地鐵結構荷重+運營期車輛動荷載僅相當于施工掘進開挖釋放的原位地層總荷載的50%左右。因此舊城區地鐵深度范圍的第四紀土層地基承載能力是完全可以滿足地鐵區間和車站的設計和運營要求的。

地鐵工程建設對地表環境影響的主要表現為:地下施工開挖造成不可避免的地層損失，隨施工進程產生地層位移并形成地面變形影響區域(沉降槽)，從而對處于變形影響范圍的地表環境設施(建構筑物)和地下管線設施的正常和安全使用帶來不利影響。

同時，舊城區文物古建基礎基本為灰土砌筑的磚石基礎，不具有抗彎、抗扭剪能力，因此對地基不均勻沉降十分敏感。如果文物古建處于地鐵隧洞引起的地表變形區域內，因施工引起的沉降超過了古建筑物本身所能夠承受的差異沉降時，即施工擾動超過了文物古建的抗干擾能力時，古建筑地基基礎可能因變形產生缺陷和安全隱患，并危及建筑物自身的安全。

因此，對于地鐵隧道工程來說，土層的承載能力并不是控制施工運營安全的關鍵因素，在地下施工開挖后，保證地層圍巖穩定性、控制減少圍巖變形(下沉或隆起的控制)，進而最終確保地面沉降和差異沉降控制在地表環境設施所允許的范圍之內，才是保證地鐵施工安全和各類地面、地下建構筑物和管線設施的安全和正常使用的關鍵所在。

5 地鐵施工產生擾動的影響區域及與文物古建關系

地鐵隧道隨著其不斷開挖推進，不可避免會造成地層位移，累計形成地表沉降。地表沉降區域習慣稱之為“沉降槽”。圖7示意性地表示了一個隧道在開挖過程中引起地表沉降槽的形態。圖8為某一典型施工時點和施工斷面以上的典型地表橫向沉降曲線形態圖。

圖7 隧道在開挖過程中引起的地表位移(Attewell，1986)

圖8 地表橫向沉降曲線

目前應用最為廣泛的計算隧道施工引起地面沉降的方法是經典的Peck公式，在該方法基礎上不斷發展完善，提出了以下計算地面任一點的沉降值(s)的公式:

式中“i”為從沉降曲線對稱中心到曲線拐點的水平距離，稱為“沉降槽寬度”。理論上，沉降槽橫向延展寬度是無限的，但是根據國內外大量地下工程實踐經驗和研究成果，一般圖8中2.5i范圍以外的地層沉降都可以忽略不計了，因此可將2.5i作為沉降槽的半寬。一般認為i和隧道軸線埋深z0之間存在以下簡單的線性關系:

式中“K”為沉降槽寬度參數。在研究中，結合北京舊城一般地層條件，選取K=0.5估算沉降槽寬度。針對地鐵沿線某些重點文物古建筑的具體情況，可以初步估算得到的施工變形影響區域與古建文物的相對距離關系。以原6號線方案為例，估算的局部施工變形擾動區范圍如圖9所示，主要國家級文物保護區附近隧道施工的影響區半徑列于表1。

圖9 初步估算的6號線隧道施工變形擾動區范圍(原規劃方案)

從表1的初步估算可見，對于歷代帝王廟(未考慮其中的影壁)、妙應寺白塔、廣濟寺、北京大學紅樓等重點古建筑，均在隧道施工引起的擾動范圍以外，按照目前北京地區地鐵施工地面沉降控制標準進行施工控制，地鐵施工對文物古建筑物的影響很小。而對于隧道直接穿越、或近距離穿越的中南海、北平圖書館、北海、團城、故宮、大高玄殿、景山、孚王府等，保護范圍可能會位于地面變形影響范圍以內，因此應對其影響進行進一步的深入評估。

6號線沿線主要國家級文物保護區附近隧道施工的影響區半徑估算(原規劃方案) 表1

6 結論與建議

(1)國內外已有的城市建設經驗證明，軌道交通的發展與舊城保護之間并不矛盾，如果規劃前期對地質條件、施工影響、運營影響等進行充分的分析論證，并采取有效措施，就能規避軌道交通建設對舊城保護區的擾動和損害。

(2)總體而言，軌道交通建設階段對文物古建的影響主要表現為引起建筑物的沉降。北京舊城保護區文物古建筑地基基礎對地基不均勻沉降較為敏感。保護文物古建地基基礎的關鍵是控制減少古建地基基礎范圍的地層位移和地面差異沉降。

(3)地鐵線路建設中，采取安全、可靠的設計、施工措施，通過加強對地面環境的實時動態監測、信息化動態施工以及提前對重大風險源進行辨識、評估和預加固處理后，施工安全、環境安全和歷史文化資源保護能夠得到協調和可持續的保障。

(4)由于北京舊城區分布有全新世掩埋的古河湖溝坑，部分地段的地表水系發育，地下管線設施密集，在軌道交通建設期間，要特別做好全線的詳細勘察工作和沿線周邊地下設施的調查工作。并應針對文保分布集中的工程特殊困難地段，組織開展專項風險評估、編制專項保護方案。

(5)舊城中地鐵線路沿線分布有多個含水層和多層地下水，應高度重視地下水的綜合控制，與工程設計、施工一體化綜合考慮，防止因地下水控制不當所造成的地面沉降和對古建筑物地基基礎工程性狀的不利影響。同時，還應充分重視地下水位長期動態變化對地下結構運營安全的影響，在保證地鐵結構安全運營的同時，有效保護好舊城區的歷史文物資源。

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