文物醫(yī)院基坑開挖階段鄰近城墻沉降監(jiān)測分析

張 南

（故宮博物院，北京 100009）

0 引言

紫禁城的城墻始建于明永樂十八年（1420 年），是我國歷史上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最完整的皇家宮殿城墻，蘊含著豐富的歷史、文化、軍事信息，具有重要的考古、科學價值。近年來，故宮城墻出現(xiàn)大量鼓脹、裂縫、不均勻沉降等變形現(xiàn)象，西華門以北 200 m 處城墻的墻面曾發(fā)生較大面積的坍塌，給城墻保護敲響了警鐘［1，2］。為了保護故宮城墻，目前許多學者對降雨導(dǎo)致城墻坍塌破壞進行了諸多研究，周乾［3］研究表明土體滲水導(dǎo)致城墻墻面局部下沉，周長東等人［4］的研究表明降雨強度對城墻的水平位移有很大的影響，李兵等人［5］研究了無損檢測方法在城墻病害調(diào)查中的應(yīng)用。

為了改善了故宮文物修復(fù)工作環(huán)境，提高了安防、技防條件，在故宮西河沿區(qū)域建設(shè)了文物醫(yī)院。由于文物醫(yī)院建設(shè)期間基坑開挖距離西側(cè)古城墻較近，而且基坑開挖需要進行基坑側(cè)壁支護和降水等措施，將會影響到古城墻安全。為了探究基坑開挖過程中故宮城墻的變形規(guī)律，通過沉降觀測，取得精確可靠的沉降數(shù)據(jù)，真實地反映古城墻的沉降情況，為類似工程的監(jiān)測及城墻類文物保護提供參考。

1 工程概況

1.1 文物醫(yī)院項目概況

文物醫(yī)院位于故宮博物院院內(nèi)西北角，北鄰城隍廟、南鄰第一歷史檔案館、西鄰故宮西城墻，東臨壽康宮、壽安宮西紅墻。南北長約 390 m，東西寬 35 m，呈條帶狀南北向分布，共兩層，其中實驗室、修復(fù)室等布置在地上一層，檔案庫房、攝影室等布置在地下一層。項目用地毗鄰城墻東側(cè)，建筑物距城墻約 6 m，考慮到工程施工需要進行基坑側(cè)壁支護和降水等措施，會影響到古城墻安全，在施工前及施工過程中，需隨時關(guān)注城墻的穩(wěn)固狀態(tài)。所需監(jiān)測城墻位于故宮博物院西北側(cè)，即自西華門至西北角樓段城墻，長度約 400 m，上寬約 6 m，下寬約 8 m，城墻高度約 10 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

項目用地范圍內(nèi)地形基本平坦，受古河流沖洪積扇影響，各地層交互沉積，場區(qū)第四系覆蓋層厚度＞50 m。地面以下 10 m 范圍內(nèi)為填土、粉土及黏土，地面下 10～35 m 范圍為卵礫石，其間夾土層的透鏡體，35 m 以下為粉土及黏土。

項目用地范圍內(nèi)地下水類型為上層滯水，補給來源為大氣降水和管線滲漏，以蒸發(fā)及徑流為主要排泄方式。據(jù)水位觀測資料，該場區(qū) 1959 年豐水期最高地下水位接近自然地表，標高約 45 m。參照近幾年在該場地附近的勘察及施工資料，該場地近 3～5 年最高潛水水位埋深約 7 m，標高約 38 m。

1.3 基坑開挖概況

故宮西城墻基礎(chǔ)埋深較深，且內(nèi)側(cè)地面下存在外擴的青磚及石板文物，考慮以上因素，基坑開挖基礎(chǔ)埋深為 7.9 m。對于基坑周邊地面，進行了路面硬化、排水處理，對漏水管溝采取封堵、疏排措施，嚴禁施工生活用水、雨水和管溝漏水滲入到基坑周邊土體中。

2 城墻監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測方法

通過城墻基礎(chǔ)東西立面沉降監(jiān)測、城墻頂部水平位移、城墻東立面位移可以表述出城墻變形情況，具體原理如圖1 所示。近景攝影測量和三維激光掃描法多應(yīng)用于古建筑物的建模與測繪方面［6］，鑒于本次為高精度變形監(jiān)測、高頻率數(shù)據(jù)采集的特征，根據(jù)現(xiàn)場勘察，認為此兩種方法的測量精度和監(jiān)測頻率均無法達到預(yù)期要求，因此，參照原理示意圖的點位布設(shè)，采用實時在線監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測方案，監(jiān)測數(shù)據(jù)指標控制標準如表1 所示。人工監(jiān)測的方法不僅可以校驗在線監(jiān)測項目監(jiān)測點位的變形信息數(shù)據(jù)的真實性、準確性，避免因系統(tǒng)誤差等原因引起監(jiān)測值無法真實反映變形的情況，還可以預(yù)防在線監(jiān)測系統(tǒng)因其他因素導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)異常的情況發(fā)生。人工監(jiān)測過程中同時可以完成現(xiàn)場巡視的工作，一方面有利于檢查各種監(jiān)測點的穩(wěn)固情況，另一方面從測量專業(yè)角度審視現(xiàn)場可能出現(xiàn)的險情，保護古城墻等建筑，及時作出調(diào)整等。

表1 儀器精度要求一覽表

圖1 城墻監(jiān)測原理示意圖

針對監(jiān)測方案中涉及到的基準點、監(jiān)測點的埋設(shè)，結(jié)合文物保護方面的要求，以最大程度不損壞文物為前提，以粘貼觀測標志為主要方式的工作原則進行布設(shè)，達到對文物的最小損害。城墻頂部采用實時在線監(jiān)測也可以減少對城墻頂部的踩踏等。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的建立

1）實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的建立。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測手段及監(jiān)測精度等相關(guān)要求，在城墻基礎(chǔ)東西立面底部布設(shè)靜力水準儀 30 臺，在城墻頂部東西兩側(cè)布設(shè)在線式單軸傾斜儀 30 臺。靜力水準儀完成城墻基礎(chǔ)差異沉降數(shù)據(jù)采集，傾斜儀完成城墻頂部水位位移數(shù)據(jù)采集。位置如圖1 所示。

坐標及高程系統(tǒng)均采用獨立坐標系。在線監(jiān)測系統(tǒng)的靜力水準參考基準點與人工沉降觀測基準點采用同一高程基準。

2）人工監(jiān)測系統(tǒng)的建立。對于城墻基礎(chǔ)沉降，在城墻西側(cè)每隔 20 m 分別布設(shè) 4 個沉降基準點安裝靜力水準儀，保證人工常規(guī)監(jiān)測與靜力水準儀基準基本一致。定期按往返路線進行基準點之間、某一基準點至建筑物上某一沉降觀測點間的往返觀測，每次必須進行基準點至沉降觀測點點間往返引測，每次必須按照規(guī)定的幾何圖形路線進行沉降觀測點之間的觀測。

對于城墻東立面，采用距離差分法進行監(jiān)測。在城墻頂部、中部及下部分別安裝三排自貼式反射片，反射片間隔 20 m，如圖2 所示。分別觀測每個反射片到基準站距離的變化來監(jiān)測城墻。利用全站儀直接測量工作基點和反射片監(jiān)測點間的水平距離，在每一測站上，用正倒鏡各測兩測回，共 4 測回。每次觀測設(shè)站在同一位置，觀測值為儀器中心到變形監(jiān)測標志中心的水平距離，將每次監(jiān)測值與初始值進行比較得監(jiān)測點水平位移變化量，觀測示意圖如圖2 所示。

圖2 反射片安裝示意圖

3 城墻監(jiān)測結(jié)果分析與建議

3.1 數(shù)據(jù)收集

通過對故宮西城墻的沉降監(jiān)測，基礎(chǔ)沉降、東立面形變數(shù)據(jù)收集位置分別取監(jiān)測兩端及中間部位，如圖3 所示，可以反映不同測點在基坑開挖期間城墻的變形情況，從而找到變形規(guī)律，為基坑開挖過程中對古城墻的安全及保護提供科學依據(jù)。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)收集位置示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

1）城墻沉降觀測數(shù)據(jù)分析。城墻基礎(chǔ)靜力水準儀監(jiān)測在故宮博物院文物醫(yī)院基坑開挖期間，設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 5 min/次，基坑開挖完成穩(wěn)定后設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 30 min/次，基坑回填完成后設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 60 min/次。

基坑開挖期間收集有效數(shù)據(jù) 145 次，測得城墻東側(cè)累計沉降如圖4 所示。1# 測點、2# 測點、3# 測點、4# 測點最大累計沉降量分別為 3.3、6.4、4.4、4.3 mm，最大變化速率為 1.1 mm/d。將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工進度比較，城墻沉降累計量隨著基坑開挖及地下一層的建設(shè)逐漸增大，地上一層建設(shè)期間達到了峰值，隨著基坑回填逐漸放緩且趨于初始水平。人工監(jiān)測城墻西側(cè)沉降量最大沉降量為-2.7 mm，最小沉降量為 0.7 mm，最大點與最小點間差異沉降量為3.4 mm。

圖4 城墻東側(cè)累計沉降曲線

2）城墻東立面形變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。基坑開挖期間收集有效數(shù)據(jù) 95 次，測得城墻東立面形變累計變化量如圖5 所示。基坑開挖后，城墻中部 5# 測點、6# 測點、7# 測點、8# 測點最大累計變化量分別為 7.2、3.9、3.7、4.0 mm，最大變化速率為 0.75 mm/d，城墻總平均變化量為向東 3.0 mm。將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工進度比較，城墻形變累計量隨著基坑開挖逐漸增大，地上一層及地下一層建設(shè)期間達到了峰值，隨著基坑回填逐漸變化放緩且趨于穩(wěn)定。

圖5 城墻東立面累計變化量

3）城墻頂部水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。城墻頂部傾角儀監(jiān)測在故宮博物院文物醫(yī)院基坑開挖期間，設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 5min/次，基坑開挖完成穩(wěn)定后設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 30 min/次，基坑回填完成后設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為 60 min/次。

基坑開挖期間收集有效數(shù)據(jù) 110 次，測得城墻頂部水平位移累計變化量如圖6 所示。變化量為正時，表示向西側(cè)移動；變化量為負時，表示向東側(cè)移動。可見城墻變化量為向東，累計變化量最大為 9.3 mm。

圖6 城墻頂部水平位移變化量

綜上所述，文物醫(yī)院建設(shè)期間基坑開挖階段故宮西城墻的變形均沒有超過 GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》以及 GB 50479－2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等有關(guān)標準規(guī)定的警戒值。通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，基坑開挖期間，城墻基礎(chǔ)沉降、東立面形變和頂部水平位移的累計變化規(guī)律基本一致，均為隨著基坑開挖深度的加大而逐漸增大，尤其到了地上一層和地下一層的建設(shè)期間累計變化量達到最大，隨著基坑回填影響逐漸減小。此外，基坑開挖直接影響到整個施工區(qū)域附近城墻的基礎(chǔ)沉降及頂部水平位移，對城墻東立面形變的影響主要在施工區(qū)域的兩端。

3.3 建議

1）為了降低施工過程對鄰近城墻本體帶來的安全影響，及時掌握城墻在施工過程中的變形特征，因此，在施工過程中必須對鄰近城墻類文物進行信息化監(jiān)測。同時，監(jiān)測手段和監(jiān)測點的型式都必須以不損壞文物為前提，遵循“最小干預(yù)”原則，采用實時自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的方式，且測量標志應(yīng)穩(wěn)固、安裝合理，觀測點的布設(shè)應(yīng)做到密度適中，全面、準確反映城墻的整體變形和局部變形。

2）建設(shè)項目基坑開挖期間，尤其是在地上地下施工建設(shè)階段，需要采取有效合理的基坑支護手段，加大對鄰近城墻類建筑物的保護力度，將施工對城墻沉降及頂部位移影響最小化。此外，要加強施工區(qū)域兩端附近城墻形變的保護措施，避免因基坑開挖而導(dǎo)致城墻類文物出現(xiàn)較大的形變。另一方面，應(yīng)當通過反饋的監(jiān)測信息，及時調(diào)整施工方案及文物的保護措施，確保鄰近古建筑的安全。

3）在文物保護區(qū)監(jiān)測要根據(jù)文物保護的要求，提高文物保護意識，進行文物保護知識方面的教育，樹立文物保護的觀念，增強保護文物的自覺性和責任感，提高對文物保護重要性的認識，采取有效措施保護文物。制訂相關(guān)管理措施和方法，在現(xiàn)場作出標志說明，并安排專人負責現(xiàn)場管理，同時，加強現(xiàn)場監(jiān)督檢查。

4 結(jié)語

在文物保護區(qū)內(nèi)進行基坑開挖，必須對鄰近文物建筑進行信息化監(jiān)測，并及時反饋，確保施工期間周邊文物及古建筑的安全。采取實時自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的方式，可以準確反映城墻的整體變形和局部變形。隨著基坑開挖，城墻基礎(chǔ)沉降及局部變形逐漸加大，在地上地下建筑物建設(shè)期間達到了頂峰，基坑回填后變化逐漸放緩。而且，基坑開挖直接影響到整個施工區(qū)域附近城墻的基礎(chǔ)沉降及頂部水平位移，對城墻東立面形變的影響主要在施工區(qū)域的兩端。為此，需要加大基坑支護等措施的力度，避免基坑開挖期間周邊文物建筑受到不良影響。