地鐵運營初期的地面建筑文物監測實施探討

姜留濤

引言

鑒于地鐵施工周期長、投資大、施工技術復雜、不可預見的風險因素多等原因，城市地鐵的施工監控量測一直是地鐵工程中的一個重要的組成部分。同時，在地下管網稠密和建(構)筑物林立的城市環境中，隨著降水、基坑、隧道開挖等施工工序的進行，由于考慮到破壞施工影響區域內土體的力學平衡，對建（構）筑物、道路、管線等周邊環境產生一定的影響甚至破壞，如產生裂縫、傾斜、錯位、沉陷和坍塌等，尤其是重要建筑文物的監測，其安全和穩定需要進行特別監測和保護的。

在地鐵運營初期，也應對地面建筑文物進行持續的變形監測。常規建筑文物的變形監測內容有：應力應變測量、傾斜測量、準直測量、水平位移測量、裂縫測量、撓度觀測等。其主要觀測方法有：幾何水準法、液體靜力水準法、微水準法、視準線法、光電導線法、前后方交會法、測量機器人法、三維激光掃描法、激光跟蹤法、近景數字攝影法、GPS法、自動遙控監測法等。

下面對西安地鐵二號線運營初期，國家重點保護文物鐘樓的保護措施、監測方法和監測結果進行闡述分析。

案例簡介與保護措施

鐘樓始建于明代洪武十七年（公元1384年），因樓上懸掛一口鐵鐘而得名。它是我國古代遺留下來許多鐘樓中形制最大、保存最完整的一座。鐘樓無論從建筑規模、歷史價值、藝術價值各方面衡量，都居全國同類建筑之冠，屬國家重點保護文物。

西安地鐵二號線地下隧道設計為左右線分別從鐘樓東西兩側繞行，在設計施工時即考慮了鐘樓的保護方案，比如，在施工方法工藝措施上，采用對鐘樓地基土影響相對較小的盾構法施工，并對掘進速度采取限制措施；地基加固措施：結合隧道埋深、鐘樓文物地基基礎特點，為使地鐵隧道開挖及運營過程中對地基影響降低至最小程度，對鐘樓地基采取灌注樁加固，即在距鐘樓基座外8m，四周布設樁徑1000mm，樁長29.5m，樁間距1.4m，共139根鉆孔灌注樁，并對樁底采取了二次注漿措施。這些措施的目的是在隧道施工整個過程中，要求累計沉降量控制值≤5.0mm。

鐘樓場地地貌單元屬于黃土梁間洼地，地基土由分層夯實的素填土、新黃土、黃土、古土壤組成。基礎為分層夯實素土，基座高8.6m，均由分層夯實的素填土組成，四周外砌青磚。基座下為分層夯實，土厚6.2m-7.4m，基座外分層夯實，土厚5.8m-6.3m。

因鐘樓基礎為夯實素土，且具有濕陷性，局部夯實土夯實不均勻，發現有地基下沉、基座墻體開裂和中心偏移現象。1982年對鐘樓進行立面攝影測量中，發現鐘樓寶頂相對底層拱門中心有1.10m偏移。1983年5月煤炭航測大隊對鐘樓傾斜測量中，發現鐘樓寶頂中心相對底層的總偏移量（西南方向）為48mm，寶頂傾斜角5'。隨后對鐘樓進行了勘察，鐘樓主體進行長期變形監測，并對鐘樓地基采取了滲水防護措施等，使鐘樓變形在安全控制范圍。

鐘樓沉降監測

本次鐘樓沉降觀測利用了施工監測期間的基準點3個，沉降觀測點36個，編號為1—30、A1—A6。根據相關要求，鐘樓的沉降觀測精度按二級變形要求施測，其精度要求每測站高差中誤差≤0.5mm，附合或環線閉合差≤1.0mm。其沉降觀測的基準網按國家一等水準測量要求施測，其測量精度要求相鄰基準點高差中誤差≤0.3mm，每測站高差中誤差≤0.07mm，往返較差、附合或環線閉合差≤0.15mm。具體布設點位布設如圖1所示。

圖1 西安鐘樓沉降觀測點布置示意圖

經過觀測，監測點位累積沉降量均介于1.33mm（A5號點）—–2.61mm（21號點）之間，平均累積沉降量為：-0.92mm，未超過設計允許值（下沉量≤5mm），且在整個監測期間沉降量變化值較小，說明地鐵二號線在運營初期對鐘樓其主體產生的沉降影響較小，在預先設定的控制值范圍內。監測時間—沉降量曲線如圖2所示。

圖2 西安鐘樓時間沉降量曲線

鐘樓傾斜監測

鐘樓水平位移采用二級變形測量，觀測點坐標中誤差應小于3mm，按照傾斜觀測進行，具體方法采用前方交會法，即：在鐘樓較遠處的穩定區域設立兩個可以通視的基準點K1、K2，鐘樓西側一層大臺兩轉角點方向作為坐標系南北方向軸線，該線垂直方向為坐標系東西方向。

首次觀測，全站儀對向精密測量K1、K2點之間距離，并以該值作為各期觀測的基準計算數據。后各期觀測時，對水平角α、β觀測2個測回，鐘樓傾斜共觀測15次。觀測示意圖見圖3。

利用前方交會，計算鐘樓寶頂固定點P坐標，公式如下：

圖3 西安鐘樓傾斜觀測示意圖

觀測中，觀測精度計算公式如下：

其中：m為測角中誤差，DK1K2為 K1、K2點間距離，ρ=206265″，α、β、γ為K1、K2、P的交會角。每期觀測結束后，按上式計算鐘樓頂P點坐標，并與首次觀測坐標（施工監測首次值）比對，計算出P點的傾斜量、變化量、傾斜方向等。結果顯示交會點每次測量的點位中誤差最大為2.8mm、最小為1.3mm。具體觀測結果見下表。

西安鐘樓傾斜觀測結果

結論

1.由觀測結果可知，鐘樓在整個觀測期間，傾斜變化不大，鐘樓未出現異常情況。

2.建筑文物鐘樓在西安地鐵二號線運營初期，雖有一定的沉降量、水平位移量，但絕對值較小，在可控范圍之內，對構筑物的影響甚微，鐘樓處于穩定安全狀態。

3.鐘樓的沉降監測與傾斜監測成果分析，在地鐵修建之初對該文物采取的保護措施較為有效，在地鐵運行期間，對文物的影響甚微，符合設計之初的構想，達到了監測目的。

[1]雷永生.西安地鐵二號線下穿城墻及鐘樓保護措施研究[J].巖土力學,2010（1）:223-236.

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