北京地鐵規(guī)劃中對舊城古建筑地基基礎(chǔ)的評估與保護對策研究

葉大華，王軍輝

(1.北京市規(guī)劃委員會，北京 100045; 2.北京市勘察設(shè)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(chǔ)上發(fā)展起來的，是中國古代都市規(guī)劃的杰作，是歷史文化名城保護的重點地區(qū)。舊城的范圍為明清時期北京護城河及其遺址以內(nèi)(含護城河及其遺址)的城市區(qū)域。剛剛結(jié)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(shè)規(guī)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(nèi)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(nèi)的交通狀況和基礎(chǔ)設(shè)施條件，從而實現(xiàn)舊城的可持續(xù)建設(shè)發(fā)展，需要在舊城發(fā)展軌道交通。根據(jù)北京市軌道交通建設(shè)發(fā)展規(guī)劃，已經(jīng)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(guī)劃了加密的地鐵線路。然而，由于北京舊城區(qū)的歷史文化資源豐富，具有“唯一性、完整性、真實性和藝術(shù)性”，因此在規(guī)劃階段，必須要嚴(yán)格論證軌道交通建設(shè)對舊城保護的影響問題，在地鐵新線的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營中切實貫徹文化、環(huán)保理念，保護好舊城區(qū)的歷史文化資源和古都風(fēng)貌。

為此，北京市規(guī)劃委員會組織文物、規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)管理、地勘、地震等相關(guān)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(guān)地質(zhì)資料和國內(nèi)外相關(guān)研究成果，綜合研究評價舊城保護區(qū)地鐵沿線的工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)特征，研究評估沿線地質(zhì)條件與地鐵線路方案實施、歷史文化資源保護的關(guān)系，論證分析舊城區(qū)地鐵線建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境和地上文物保護區(qū)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(guān)系示意圖(2015年)

2 北京舊城歷史文化保護區(qū)

北京是一個匯集了無數(shù)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(jiān)、鐘鼓樓、北海、中南海等等古建筑群。2001年，北京市規(guī)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(qū)保護規(guī)劃》。舊城25片歷史文化保護區(qū)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(qū)中的14片分布在舊皇城區(qū)內(nèi);7片分布在舊皇城外的內(nèi)城;4片分布在外城。保護規(guī)劃在對現(xiàn)狀進行調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同區(qū)片的性質(zhì)和特點，分別提出了保護的原則、方式和建議。2004年，北京市規(guī)劃、文物部門組織編制《北京第二批15片歷史文化保護區(qū)保護規(guī)劃》。其中舊城區(qū)內(nèi)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(qū)，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(zhǔn)的舊城內(nèi)200多項各級文物保護單位的保護范圍及其建設(shè)控制地帶，保護與控制地區(qū)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(nèi)發(fā)展交通，最不影響舊城風(fēng)貌，且有利于歷史文化保護區(qū)的方法就是采用軌道交通，將交通導(dǎo)入地下，以緩解地上交通的擁擠狀態(tài)。但從建設(shè)角度來看，要進行軌道交通的建設(shè)，不可避免地存在對周圍地層、包括文物古建等各類建構(gòu)筑物產(chǎn)生施工擾動的可能。

據(jù)調(diào)查，北京舊城25片歷史文化保護區(qū)內(nèi)總建筑面積約為613萬平方米。其中建筑質(zhì)量好和較好的占42%左右;建筑質(zhì)量一般的占41%左右;建筑質(zhì)量較差和差的占17%左右。但無論建筑質(zhì)量是否良好，與現(xiàn)代建筑相比，這些保護建筑的結(jié)構(gòu)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(yán)格控制施工帶來的影響。

3 北京舊城地質(zhì)條件

北京平原區(qū)第四系巖相分布由山地向平原具有明顯的過渡現(xiàn)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(gòu)成的洪積扇、坡積裙。自山前至平原區(qū)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(qū)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(zhì)剖面示意圖。

圖2 北京市平原區(qū)典型地層剖面圖(沿長安街由西向東方向)

以原東城區(qū)為例，根據(jù)搜集的地層資料，東城區(qū)地面以下深度50 m內(nèi)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(jì)交互沉積層。根據(jù)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(shè)計研究院有限責(zé)任公司的地質(zhì)三維建模技術(shù)建立東城區(qū)地層概化模型，如圖3所示，并可以對各層土的巖性及相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)進行統(tǒng)計分析。

根據(jù)對北京區(qū)域地下水分布特征的研究成果以及相關(guān)水文地質(zhì)資料，東城區(qū)50 m深度范圍內(nèi)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(qū)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(qū)50 m深度范圍內(nèi)概化三維地質(zhì)模型

圖4 東城區(qū)現(xiàn)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(qū)的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件還是比較復(fù)雜，需要特別重視勘察工作以及對地質(zhì)條件的前期相關(guān)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(qū)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(qū)(院落和街道)，也有優(yōu)秀的近現(xiàn)代建筑和地下埋藏文物。在新線建設(shè)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(jié)構(gòu)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(chǔ)資料，這就使現(xiàn)階段很難全面準(zhǔn)確地評估古建地基基礎(chǔ)與新線規(guī)劃建設(shè)的關(guān)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(chǔ)條件分析時，將綜合規(guī)劃線位所處的工程地質(zhì)單元特征，古地理、舊城區(qū)河湖溝坑的演變發(fā)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(qū)不同歷史時期文物古建筑的基礎(chǔ)埋深一般均較淺，一般在2 m～3 m以內(nèi)，據(jù)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(nèi)衙署南北角樓基礎(chǔ)做法

圖6 故宮御茶膳房西院墻基礎(chǔ)做法

舊城區(qū)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(jì)天然沉積土層工程性質(zhì)良好，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的新近沉積土層工程性質(zhì)相對較弱，但由于也經(jīng)過長期的自重固結(jié)，地基承載力一般也大于120 kPa(河湖相新近沉積的淤泥質(zhì)土承載力低于120 kPa)，屬于中等～中高壓縮性土層。舊城區(qū)分布的人工填土包括變質(zhì)爐灰、素填土、房渣土、溝泥和垃圾等物質(zhì)成份，土質(zhì)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(jì)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(chǔ)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(jīng)過長期壓密以及歷史時期地下水的往復(fù)升降變化，已經(jīng)充分固結(jié)，因其自身荷載在地基當(dāng)中產(chǎn)生的沉降已經(jīng)穩(wěn)定。在沒有較強的外力擾動作用(如地震、地面塌陷等)或環(huán)境影響(如鄰近施工開挖或施工降水)時，古建的地基基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)固的。

4.3 控制減少地面沉降是保護文物古建地基基礎(chǔ)的關(guān)鍵

舊城在一般地鐵施工圍巖地層主要為第四紀(jì)粘性土、粉土、砂土和卵礫石土，這類地層作為建構(gòu)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(qū)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(jīng)基本穩(wěn)定。對于地鐵隧道施工來說，單位距離內(nèi)地鐵結(jié)構(gòu)荷重+運營期車輛動荷載僅相當(dāng)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(qū)地鐵深度范圍的第四紀(jì)土層地基承載能力是完全可以滿足地鐵區(qū)間和車站的設(shè)計和運營要求的。

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

同時，舊城區(qū)文物古建基礎(chǔ)基本為灰土砌筑的磚石基礎(chǔ)，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(qū)域內(nèi)，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(chǔ)可能因變形產(chǎn)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(guān)鍵因素，在地下施工開挖后，保證地層圍巖穩(wěn)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(huán)境設(shè)施所允許的范圍之內(nèi)，才是保證地鐵施工安全和各類地面、地下建構(gòu)筑物和管線設(shè)施的安全和正常使用的關(guān)鍵所在。

5 地鐵施工產(chǎn)生擾動的影響區(qū)域及與文物古建關(guān)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(qū)域習(xí)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(tài)。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(tài)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(yīng)用最為廣泛的計算隧道施工引起地面沉降的方法是經(jīng)典的Peck公式，在該方法基礎(chǔ)上不斷發(fā)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(jù)國內(nèi)外大量地下工程實踐經(jīng)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(rèn)為i和隧道軸線埋深z0之間存在以下簡單的線性關(guān)系:

式中“K”為沉降槽寬度參數(shù)。在研究中，結(jié)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(qū)域與古建文物的相對距離關(guān)系。以原6號線方案為例，估算的局部施工變形擾動區(qū)范圍如圖9所示，主要國家級文物保護區(qū)附近隧道施工的影響區(qū)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(qū)范圍(原規(guī)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(yīng)寺白塔、廣濟寺、北京大學(xué)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(qū)地鐵施工地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，因此應(yīng)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(qū)附近隧道施工的影響區(qū)半徑估算(原規(guī)劃方案) 表1

6 結(jié)論與建議

(1)國內(nèi)外已有的城市建設(shè)經(jīng)驗證明，軌道交通的發(fā)展與舊城保護之間并不矛盾，如果規(guī)劃前期對地質(zhì)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(guī)避軌道交通建設(shè)對舊城保護區(qū)的擾動和損害。

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

(3)地鐵線路建設(shè)中，采取安全、可靠的設(shè)計、施工措施，通過加強對地面環(huán)境的實時動態(tài)監(jiān)測、信息化動態(tài)施工以及提前對重大風(fēng)險源進行辨識、評估和預(yù)加固處理后，施工安全、環(huán)境安全和歷史文化資源保護能夠得到協(xié)調(diào)和可持續(xù)的保障。

(4)由于北京舊城區(qū)分布有全新世掩埋的古河湖溝坑，部分地段的地表水系發(fā)育，地下管線設(shè)施密集，在軌道交通建設(shè)期間，要特別做好全線的詳細(xì)勘察工作和沿線周邊地下設(shè)施的調(diào)查工作。并應(yīng)針對文保分布集中的工程特殊困難地段，組織開展專項風(fēng)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(yīng)高度重視地下水的綜合控制，與工程設(shè)計、施工一體化綜合考慮，防止因地下水控制不當(dāng)所造成的地面沉降和對古建筑物地基基礎(chǔ)工程性狀的不利影響。同時，還應(yīng)充分重視地下水位長期動態(tài)變化對地下結(jié)構(gòu)運營安全的影響，在保證地鐵結(jié)構(gòu)安全運營的同時，有效保護好舊城區(qū)的歷史文物資源。

［1］北京市規(guī)劃委員會.北京城市總體規(guī)劃(1999－2010年).

［2］北京市規(guī)劃委員會，北京市文物局.北京舊城25片歷史文化保護區(qū)保護規(guī)劃，2001

［3］DBJ 01－501－1992.北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］張在明，孫保衛(wèi)，徐宏聲.地下水賦存狀態(tài)與滲流特征對基礎(chǔ)抗浮的影響［J］.土木工程學(xué)報，Vol.34，2001(1)，73 ～78

［5］張在明，孫保衛(wèi)，徐宏聲等人.建筑場地孔隙水壓力測試、分布規(guī)律及其對建筑地基影響的研究.北京市科委項目研究報告，北京市勘察設(shè)計研究院，1999.12

［6］北京市地質(zhì)地形勘測處(北京市勘察院前身).北京城區(qū)全新世埋藏河湖溝坑的分布及演變(含北京埋藏河湖溝坑分布略圖).北京市地質(zhì)地形勘測處資料，1977

［7］韓煊，羅文林，劉赪煒等.地鐵隧道引起地面變形的數(shù)值分析方法.北京市勘察設(shè)計研究院研究報告，2007

［8］沈小克等.東城區(qū)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)條件可行性分析報告.北京市勘察設(shè)計研究院研究報告，2009