蘭州軌道交通1號線側穿白衣寺保護措施研究

楊華中，王利霞

（蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070）

0 引言

蘭州軌道交通1號線側穿省級文物——白衣寺保護區。地鐵施工過程中會引起地面沉降[1-4]，在運營過程中產生振動[5]都會危及白衣寺塔的安全。為實現城市建設與古建筑的協調發展，須對軌道交通穿越影響范圍內白衣寺保護區內鐵柱宮、菩薩殿、多子塔進行數值計算分析，以確定盾構施工及軌道交通運營過程對白衣寺影響程度，確保在盾構施工及軌道交通運營過程中省級文物白衣寺的安全。

1 區間隧道通過白衣寺塔的設計方案

1.1 平面設計方案

蘭州市軌道交通1號線基本沿慶陽路敷設，從市博物館門前以地下形式穿過白衣寺文物保護范圍及建設控制地帶見圖1。

圖1 軌道交通1號線與白衣寺關系圖

白衣寺保護范圍：南以鐵柱宮南側臺基為基點平行延伸12 m至人行道立緣石一線為界；北以多子塔塔基北臺基為基點平行延伸32 m至市博物館辦公大樓南墻墻基一線為界；以白衣寺塔南北中軸線為基點向東平行延伸19.1 m至東展廳東墻墻基一線為界；西以中軸線為基點向西平行延伸23 m至西展廳西墻墻基一線為界。建設控制地帶以保護范圍為準，向東、南、西、北各延伸10 m為建設控制地帶。

1.2 縱斷面設計方案

設計控制因素：白衣寺塔，屬省級保護文物，采用的建筑材料及建筑形式使其對地表變形十分敏感。因此在通過文物時應在保證線路運營條件前提下適當加大線路埋深。因為隧道埋深越大就越容易形成自然拱，從而減小對上部建筑物的影響。

縱斷面設計：過白衣寺塔段線路坡度為5‰，隧道頂埋深約15.2 m,見圖2、圖3。

2 工程措施方案總體思路

分別從施工期間和運營期間兩個方面考對文物古建筑進行保護。軌道交通對文物古建筑的影響主要是施工期間的地面沉降和運營期間的振動。針對地面沉降就需要從選線、工法選擇和施工技術方面采取措施。而對于運營期間的振動，首先要從選線采取措施，再在所選線路的基礎上對振源和振動傳播路徑、介質采取一定的工程措施：（1）1號線線路平面最大限度繞避白衣寺塔，縱斷面最大限度地加大線路埋深；（2）區間隧道工法選擇對環境影響最小、沉降控制最有效的盾構法施工；（3）軌道交通軌道采取無縫線路，道床采用減振效果最好、國際最先進的鋼彈簧浮置板減振道床；（4）對白衣寺采取隔離樁、袖閥管注漿等加固措施，以減少施工及運營過程中對鐵柱宮、菩薩殿及多子塔的影響。

圖2 白衣寺塔區段工程地質縱剖面圖

圖3 白衣寺塔區段工程地質橫剖面圖

3 白衣寺加固設計施工方案

3.1 白衣寺概況

白衣寺內重點文物保護單位有鐵柱宮、菩薩殿及多子塔，其中以多子塔最為聞名，多子塔位于慶陽路東段街北的居民區中，因塔建在白衣寺中而得名。白衣寺內原繪有白衣大士像，尊奉白衣菩薩。寺初建于明崇禎四年（公元1631年），后經多次戰亂，只有寺塔保存至今。多子塔為實心磚塔，高約30 m。塔基呈錯牙式方形，長、寬各7 m，高2.8 m，四面鐫刻花卉圖案。塔身下部呈覆缽狀，高約8 m，最大處直徑為6 m。正南與塔基連接處開佛龕，龕內原供有三佛像，現已無存。塔身上半部為八角形錐體，高18.5 m，共做密檐12層，層數為偶數，在國內罕內見。每層每面各開佛龕1個，內各塑佛像1尊，共計96尊；每層每角懸掛風鈴1個，共計96個，塔剎高約1 m，形若寶瓶，以鍍銅的金屬做成，見圖4。

圖4 白衣寺塔立面

3.2 白衣寺加固設計施工方案

目前國內外隧道施工控制地面沉降最好的就是采用盾構法進行施工，雖然盾構法施工是控制地面沉降最好的施工方法，但是地面沉降還是不可避免。為保證文物古建筑的安全，采取如下加固措施:（1）袖閥管跟蹤補償注漿加固，預先在鐵柱宮基礎邊埋袖閥管（見圖5），在圍護樁范圍外打設2排袖閥管注漿，間距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，加固范圍為地面一下3～11 m，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力初步定為0.4～0.8 MPa，具體漿液配比和注漿壓力需根據試驗確定。（2）隔離樁加固方案，對于盾構掘進引起的地面沉降采用在鐵柱宮外圍設一排旋挖樁隔斷地層沉降槽，旋挖樁直徑0.8 m，樁間距1.4 m，樁的長度在鐵柱宮處深入到2號線區間隧道下2 m，樁沿鐵柱宮基座外圍布置，在樁頂設0.8 m（寬）×0.8 m（高）的冠梁（見圖6），將所有的灌注樁連為整體。旋挖樁具有較大的剛度，在盾構掘進的過程中將地面沉降槽隔斷。

當在鐵柱宮的外網作一排灌注樁并在樁頂用冠梁將所有的樁聯為整體后，盾構隧道施工穿過鐵柱宮旁邊時其沉降槽只能影響到圍護樁邊。這樣灌注樁內側的鐵柱宮、菩薩殿、多子塔就不會受到影響。

4 盾構施工沉降數值模擬及計算結果

4.1 沉降控制標準

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）[6]及國內外資料調查結果[7]，考慮到地鐵穿越類似建（構）筑物地面變形控制資料、數值仿真計算結果、蘭州城市軌道交通1號線影響范圍內古建筑現狀及盾構施工沉降速率較快的因素，綜合確定1號線盾構施工繞穿古建筑時，對省級文物保護單位古建筑采用古建筑基礎地表及其頂面產生的最大沉降量不超過+5～-15 mm，局部傾斜不超過0.001的沉降變形控制標準。

4.2 數值模擬計算及結果

對白衣寺塔進行有隔離樁保護和無隔離樁保護兩種工況，模擬盾構開挖引起的地表及鐵柱宮、市博物館大殿和白衣寺塔臺基的沉降，包括盾構開挖橫斷面地表沉降；隧道中線上方地表點沉降歷程。

采用大型分析軟件MIDAS/GTS對白衣寺塔建立模型進行計算。模型尺寸為120 m×110 m×41 m。模型網格軸測見圖7。

圖7 沉降模型網格軸測圖

根據計算結果設隔離樁采取加固措施時，盾構施工引起的鐵柱宮基礎沉降量最大為0.093 mm，四個監測角點的不均勻沉降最大差值為0.102 mm，最大局部傾斜0.000 007；市博物館基礎沉降量最大為0.213 mm，六個檢測角點的不均勻沉降最大差值為0.192 mm，最大局部傾斜0.000 01；白衣寺塔基礎最大沉降量為0.062 mm，局部傾斜0.000 01；遠低于標準“最大沉降量不超過+5～-15 mm，局部傾斜不超過0.001”安全評估的沉降變形控制要求，見圖8。

5 地鐵運營振動對鐘樓影響分析及減振措施

對振動傳播路徑在線路設計的時候就采用盡量遠離白衣寺的方法，使傳播路徑加長，使振動波在傳播過程中衰減。設計為了最大限度的控制振源，設計采用國內外減振效果最好特殊減振設計方案即鋼彈簧浮置板道床來減振。白衣寺文物保護地段鋼彈簧浮置板道床設置范圍為Y(Z)AK17+680～Y(Z)AK17+850，長約 340 m。

5.1 評價指標

衡量建筑物所受到的影響常用物理量振動速度和振動頻率.因為振動速度和振動頻率與建筑物的破壞有著直接的關系,能直接反映建筑物的破壞烈度及結構對振動響應時的能量大小,在建筑物的振動中起著決定性作用。許多國家制定了建筑物振動控制標準,但各國標準相差較大。

圖8 沉降監測點布置圖

根據《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）的要求：省級文物保護單位古建筑木結構水平方向的容許振動速度為0.25 mm/s（Vp＜4 600 m/s）,省級文物保護單位古建筑磚結構水平方向的容許振動速度為 0.27 mm/s（Vp＜1 600 m/s）。

5.2 白衣寺動力響應有限元模型計算

采用動力有限元數值分析計算方法,利用大型分析軟件MIDAS/GTS分別建立白衣寺塔模型進行計算.模型尺寸為230 m×120 m×41 m。模型網格軸測見圖9。

圖9 振動模型網格軸測圖

通過模擬地鐵列車荷載源強(含減振軌道和不減振軌道)和地層及結構動態模型的分析研究,分別取上部結構頂點作為評估點來預測其振動響應,見圖10。

圖10 振動監測點布置圖

根據計算結果可知，列車車速為80 km/h相向運行,當軌道采用普通短枕式整體道床，列車振動對鐵柱宮的影響較大，最大水平速為0.267 mm/s，監測點1、2、3的振動速度大于規范要求容許振動速度，須采用減振措施。采用浮置板減振軌道對列車振動引起的白衣寺塔區域上部結構頂點水平速度有效值有明顯減少,其中木結構最大減少量達到50.0%，磚結構最大減少量達到65.0%，各監測點最大水平速度為0.231 mm/s滿足控制標準的要求。采用浮置板軌道對降低列車運行對白衣寺影響交顯著。

6 結語

蘭州軌道交通1號線側穿白衣寺塔，在1號線施工及運營時都會對白衣寺塔有較大的影響，主要是施工期間地面的沉降與運行時的振動。對于地面沉降除了從選線、工法選擇和施工技術方面采取措施外，還應采用隔離樁進行加固；對于運營期間的振動，從選線采取措施，還應采用鋼彈簧浮置道板來降低列車運行振動影響。通過數值分析論證了一套具有很強實用價值的隧道穿越古建筑物保護措施設計方案，為以后隧道穿越古建筑保護設計施工提供一些參考作用。目前蘭州無投入運營的軌道交通線路，因此地鐵振源強度及其在蘭州地層中的傳播應進一步研究。建議蘭州市軌道交通1號線施工及運營時建立監測網，搜集相關數據。為后續軌道交通線路的相關評價奠定基礎。

[1]GB50157-2003,地鐵設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[2]TB10003-2005,鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[3]李憑雨.地鐵隧道區間開挖誘發的地表沉降對北京古建筑影響研究[D].北京:北京工業大學,2007.

[4]魏綱.盾構施工中土體損失引起的地面沉降預測[J].巖土力學,2007,28(11):2375-2379.

[5]閆維明,張祎,等.地鐵運營誘發振動實測及傳播規律[J].北京工業大學學報,2006,32(2):149-154.

[6]GB50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[7]機械工業勘察設計研究院.西安地鐵二號線盾構施工沉降與運行振動對鐘樓影響安全評估報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,北京交通大學,2008.

[8]梁 波,蔡 英.不平順條件下高速鐵路路基的動力分析[J].鐵道學報,1999,21(2):84-88.

[9]GB/T 50452-2008,古建筑防工業振動技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.