兰州轨道交通1号线侧穿白衣寺保护措施研究

杨华中，王利霞

（兰州交通大学，甘肃兰州 730070）

0 引言

兰州轨道交通1号线侧穿省级文物——白衣寺保护区。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]都会危及白衣寺塔的安全。为实现城市建设与古建筑的协调发展，须对轨道交通穿越影响范围内白衣寺保护区内铁柱宫、菩萨殿、多子塔进行数值计算分析，以确定盾构施工及轨道交通运营过程对白衣寺影响程度，确保在盾构施工及轨道交通运营过程中省级文物白衣寺的安全。

1 区间隧道通过白衣寺塔的设计方案

1.1 平面设计方案

兰州市轨道交通1号线基本沿庆阳路敷设，从市博物馆门前以地下形式穿过白衣寺文物保护范围及建设控制地带见图1。

图1 轨道交通1号线与白衣寺关系图

白衣寺保护范围：南以铁柱宫南侧台基为基点平行延伸12 m至人行道立缘石一线为界；北以多子塔塔基北台基为基点平行延伸32 m至市博物馆办公大楼南墙墙基一线为界；以白衣寺塔南北中轴线为基点向东平行延伸19.1 m至东展厅东墙墙基一线为界；西以中轴线为基点向西平行延伸23 m至西展厅西墙墙基一线为界。建设控制地带以保护范围为准，向东、南、西、北各延伸10 m为建设控制地带。

1.2 纵断面设计方案

设计控制因素：白衣寺塔，属省级保护文物，采用的建筑材料及建筑形式使其对地表变形十分敏感。因此在通过文物时应在保证线路运营条件前提下适当加大线路埋深。因为隧道埋深越大就越容易形成自然拱，从而减小对上部建筑物的影响。

纵断面设计：过白衣寺塔段线路坡度为5‰，隧道顶埋深约15.2 m,见图2、图3。

2 工程措施方案总体思路

分别从施工期间和运营期间两个方面考对文物古建筑进行保护。轨道交通对文物古建筑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）1号线线路平面最大限度绕避白衣寺塔，纵断面最大限度地加大线路埋深；（2）区间隧道工法选择对环境影响最小、沉降控制最有效的盾构法施工；（3）轨道交通轨道采取无缝线路，道床采用减振效果最好、国际最先进的钢弹簧浮置板减振道床；（4）对白衣寺采取隔离桩、袖阀管注浆等加固措施，以减少施工及运营过程中对铁柱宫、菩萨殿及多子塔的影响。

图2 白衣寺塔区段工程地质纵剖面图

图3 白衣寺塔区段工程地质横剖面图

3 白衣寺加固设计施工方案

3.1 白衣寺概况

白衣寺内重点文物保护单位有铁柱宫、菩萨殿及多子塔，其中以多子塔最为闻名，多子塔位于庆阳路东段街北的居民区中，因塔建在白衣寺中而得名。白衣寺内原绘有白衣大士像，尊奉白衣菩萨。寺初建于明崇祯四年（公元1631年），后经多次战乱，只有寺塔保存至今。多子塔为实心砖塔，高约30 m。塔基呈错牙式方形，长、宽各7 m，高2.8 m，四面镌刻花卉图案。塔身下部呈覆钵状，高约8 m，最大处直径为6 m。正南与塔基连接处开佛龛，龛内原供有三佛像，现已无存。塔身上半部为八角形锥体，高18.5 m，共做密檐12层，层数为偶数，在国内罕内见。每层每面各开佛龛1个，内各塑佛像1尊，共计96尊；每层每角悬挂风铃1个，共计96个，塔刹高约1 m，形若宝瓶，以镀铜的金属做成，见图4。

图4 白衣寺塔立面

3.2 白衣寺加固设计施工方案

目前国内外隧道施工控制地面沉降最好的就是采用盾构法进行施工，虽然盾构法施工是控制地面沉降最好的施工方法，但是地面沉降还是不可避免。为保证文物古建筑的安全，采取如下加固措施:（1）袖阀管跟踪补偿注浆加固，预先在铁柱宫基础边埋袖阀管（见图5），在围护桩范围外打设2排袖阀管注浆，间距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，加固范围为地面一下3～11 m，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。（2）隔离桩加固方案，对于盾构掘进引起的地面沉降采用在铁柱宫外围设一排旋挖桩隔断地层沉降槽，旋挖桩直径0.8 m，桩间距1.4 m，桩的长度在铁柱宫处深入到2号线区间隧道下2 m，桩沿铁柱宫基座外围布置，在桩顶设0.8 m（宽）×0.8 m（高）的冠梁（见图6），将所有的灌注桩连为整体。旋挖桩具有较大的刚度，在盾构掘进的过程中将地面沉降槽隔断。

当在铁柱宫的外网作一排灌注桩并在桩顶用冠梁将所有的桩联为整体后，盾构隧道施工穿过铁柱宫旁边时其沉降槽只能影响到围护桩边。这样灌注桩内侧的铁柱宫、菩萨殿、多子塔就不会受到影响。

4 盾构施工沉降数值模拟及计算结果

4.1 沉降控制标准

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）[6]及国内外资料调查结果[7]，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、兰州城市轨道交通1号线影响范围内古建筑现状及盾构施工沉降速率较快的因素，综合确定1号线盾构施工绕穿古建筑时，对省级文物保护单位古建筑采用古建筑基础地表及其顶面产生的最大沉降量不超过+5～-15 mm，局部倾斜不超过0.001的沉降变形控制标准。

4.2 数值模拟计算及结果

对白衣寺塔进行有隔离桩保护和无隔离桩保护两种工况，模拟盾构开挖引起的地表及铁柱宫、市博物馆大殿和白衣寺塔台基的沉降，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。

采用大型分析软件MIDAS/GTS对白衣寺塔建立模型进行计算。模型尺寸为120 m×110 m×41 m。模型网格轴测见图7。

图7 沉降模型网格轴测图

根据计算结果设隔离桩采取加固措施时，盾构施工引起的铁柱宫基础沉降量最大为0.093 mm，四个监测角点的不均匀沉降最大差值为0.102 mm，最大局部倾斜0.000 007；市博物馆基础沉降量最大为0.213 mm，六个检测角点的不均匀沉降最大差值为0.192 mm，最大局部倾斜0.000 01；白衣寺塔基础最大沉降量为0.062 mm，局部倾斜0.000 01；远低于标准“最大沉降量不超过+5～-15 mm，局部倾斜不超过0.001”安全评估的沉降变形控制要求，见图8。

5 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尽量远离白衣寺的方法，使传播路径加长，使振动波在传播过程中衰减。设计为了最大限度的控制振源，设计采用国内外减振效果最好特殊减振设计方案即钢弹簧浮置板道床来减振。白衣寺文物保护地段钢弹簧浮置板道床设置范围为Y(Z)AK17+680～Y(Z)AK17+850，长约 340 m。

5.1 评价指标

衡量建筑物所受到的影响常用物理量振动速度和振动频率.因为振动速度和振动频率与建筑物的破坏有着直接的关系,能直接反映建筑物的破坏烈度及结构对振动响应时的能量大小,在建筑物的振动中起着决定性作用。许多国家制定了建筑物振动控制标准,但各国标准相差较大。

图8 沉降监测点布置图

根据《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）的要求：省级文物保护单位古建筑木结构水平方向的容许振动速度为0.25 mm/s（Vp＜4 600 m/s）,省级文物保护单位古建筑砖结构水平方向的容许振动速度为 0.27 mm/s（Vp＜1 600 m/s）。

5.2 白衣寺动力响应有限元模型计算

采用动力有限元数值分析计算方法,利用大型分析软件MIDAS/GTS分别建立白衣寺塔模型进行计算.模型尺寸为230 m×120 m×41 m。模型网格轴测见图9。

图9 振动模型网格轴测图

通过模拟地铁列车荷载源强(含减振轨道和不减振轨道)和地层及结构动态模型的分析研究,分别取上部结构顶点作为评估点来预测其振动响应,见图10。

图10 振动监测点布置图

根据计算结果可知，列车车速为80 km/h相向运行,当轨道采用普通短枕式整体道床，列车振动对铁柱宫的影响较大，最大水平速为0.267 mm/s，监测点1、2、3的振动速度大于规范要求容许振动速度，须采用减振措施。采用浮置板减振轨道对列车振动引起的白衣寺塔区域上部结构顶点水平速度有效值有明显减少,其中木结构最大减少量达到50.0%，砖结构最大减少量达到65.0%，各监测点最大水平速度为0.231 mm/s满足控制标准的要求。采用浮置板轨道对降低列车运行对白衣寺影响交显著。

6 结语

兰州轨道交通1号线侧穿白衣寺塔，在1号线施工及运营时都会对白衣寺塔有较大的影响，主要是施工期间地面的沉降与运行时的振动。对于地面沉降除了从选线、工法选择和施工技术方面采取措施外，还应采用隔离桩进行加固；对于运营期间的振动，从选线采取措施，还应采用钢弹簧浮置道板来降低列车运行振动影响。通过数值分析论证了一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。目前兰州无投入运营的轨道交通线路，因此地铁振源强度及其在兰州地层中的传播应进一步研究。建议兰州市轨道交通1号线施工及运营时建立监测网，搜集相关数据。为后续轨道交通线路的相关评价奠定基础。

[1]GB50157-2003,地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.

[2]TB10003-2005,铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[3]李凭雨.地铁隧道区间开挖诱发的地表沉降对北京古建筑影响研究[D].北京:北京工业大学,2007.

[4]魏纲.盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测[J].岩土力学,2007,28(11):2375-2379.

[5]闫维明,张祎,等.地铁运营诱发振动实测及传播规律[J].北京工业大学学报,2006,32(2):149-154.

[6]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[7]机械工业勘察设计研究院.西安地铁二号线盾构施工沉降与运行振动对钟楼影响安全评估报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,北京交通大学,2008.

[8]梁 波,蔡 英.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析[J].铁道学报,1999,21(2):84-88.

[9]GB/T 50452-2008,古建筑防工业振动技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.