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摘要：随着我国城市轨道交通的迅猛发展，越来越多的地铁车站及隧道紧邻或位于重要的建筑物下方。地铁站施工过程中会引起地面沉降等变形，在投入运营过程中产生振动，都会对邻近的建筑物等正常使用和安全造成不同程度的影响。
关键词：地铁站；文物建筑；影响
随着城市轨道交通的快速发展，明挖法施工地铁车站的应用越来越多。一般情况下地铁车站位于城市的中心区域，车站周围的环境较为复杂，基坑开挖时势必对周围建筑物特别是对文物建筑产生不利影响。如何通过系统的监测保证建筑物的安全，成为一个越来越重要和复杂的课题。国家级、省级文物保护建筑与一般建筑物相比，沉降控制、倾斜控制的要求更为苛刻。因此，有必要针对性的研究对文物级保护建筑的相关保护和控制措施。
一、地铁盾构施工对城墙影响
该地铁二号线通过城墙区段采用盾构施工工艺，必须对施工过程中引起的地面隆起和沉降对重要文物建筑的影响进行科学地评估，制定出合理的变形控制标准。南门区段城墙高约11.6m，北门区段城墙高约12m。
1、沉降变形控制标准确定。依据评估报告，进行地基变形对城墙影响的有限元仿真分析。建立有限元数值仿真模型，将隧道-地基一建筑物作为同一个分析系统纳入到模型中，在地铁掘进过程中地表产生沉降槽时城墙变形和应力状态，进而推导得出城墙所处的屈曲状态，计算推测出城墙达到极限状态时，对应的沉降槽曲线特征，由该沉降槽得到的最大沉降量就是由有限元模型计算出的城墙在地铁盾构施工中变形极限值。城墙南、北门保护范围内地表变形必须保证在该变形极限值范围内，并考虑到城墙的重要文物价值，提出具有较高安全储备的变形控制标准，计算结果表明，当地表变形量控制在一20一+5mm时，城墙处于相对安全状态。
2、地铁施工引起城墙沉降的数值模拟计算分析。采用FLAC3D软件进行沉降三维数值模拟计算，该软件在模拟支护体方面提供了梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元，适用于隧道开挖等岩土工程问题，并能方便地模拟加固单元，已经成功应用于多处地铁工程变形预测与加固研究。分工况计算不同绕行半径、不同埋深、不同加固方案的沉降变形，以确定最优施工方案，结果表明：南门区段地表最大沉降值为lOmm，城墙最大沉降值为4mm；沉降槽宽度约为30m，沉降槽曲线最大倾斜小于0．001，在采取绕行、加大埋深(南门保护段隧道顶埋深17．4—18．5m)和对南、北门区段城墙地基进行加固保护等综合处理措施后，城墙南门区段地铁盾构施工引起的南门区段城墙和地表最大变形计算值及倾斜均在变形控制标准之内，满足变形控制标准的要求。城墙北门区段三维计算结果表明，采用加固措施后，城墙北门区段地铁盾构施工引起的北门区段城墙地表最大变形计算值及倾斜也均在变形控制标准之内，满足变形控制标准的要求。
2、变形监测结果。现场监测地铁盾构施工引起的城墙南、北门城墙变形介于一9．99一+1．21mm之间，地表变形介于一7．78一+3．31 mm之间，均在变形控制标准范围内，实现了预定目标，其中城墙南门沉降量及沉降等值线；且城墙墙体裂缝宽度增加量为0．1—0．5mm。为评估理论计算结果的科学性和准确性，用实测结果去校正计算模型参数，将计算值与实测值对比分析，实测值与计算值基本一致。
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二、地铁运营振动对钟楼的影响研究
地铁运营产生的振动对钟楼的动力响应是一个非常复杂的课题，涉及轨道交通工程、岩土工程、结构工程和环境工程等多个学科，与机车参数、地铁的运行速度、轨道结构形式、隧道的结构形式、传播土层的工程地质条件、传播距离、基础埋置形式及建筑物自身的动力特性等诸多因素有关M1。采用仿真计算的方法，建立了整体三维动力有限元模型，模拟了不同工况下地铁运营引起钟楼的振动响应，综合评估不同因素对钟楼振动响应的影响。
钟楼由台基、楼身主体和攒顶三部分构成。建筑台基为正方形，高8．6m，边长35．5m，砖表土芯，钟楼主体为穿斗式木结构，结构重量主要由中心4根、周围12根木柱承担。
1、振源动荷载计算。通过振源的动力学计算得到的刚弹簧浮置板式道床和普通道床的振动响应，分析振源特征，作为地铁隧道一地基一钟楼系统动力分析模型的输入条件，并为道床的减振设计提供依据。简单的浮置板模型可视为由浮置板的质量、弹簧刚度和阻尼系数组成的单自由度振动系统，但是实际上车辆、轨道和浮置板是一个耦合的振动系统，所以，有必要对系统整体进行动力分析。根据多年来国内外车辆动力学和轨道动力学的研究成果，
采用连续分布参数轨道模型而不采用简化的等效集中参数轨道模型更适合于复杂问题的定量分析。通过建立车辆．轨道一浮置板动力学仿真模型，输入地铁车辆、轨道等参数，得出了不同工况下，作用在浮置板隔振弹簧下的仰拱反力时程曲线和频谱曲线。该计算结果可作为整体动力计算的输入条件。
2、振动监测成果。地铁二号线运行后，对位于线路上的国家重点文物保护单位——城墙和钟楼完成了多次系统的振动监测旧1。监测对象包括：1)地铁隧道内的钢弹簧浮置板道床段和普通道床段；2)城墙、钟楼台基和木结构。监测工况包括路面交通+地铁运行综合工况、地铁单独运行工况、单独路面交通工况等多种工况。
为研究地铁单独运行对钟楼产生的振动响应，在凌晨2：OO～4：00路面交通最稀少的时候，在上、下行线调度两辆客车匀速通过钟楼来配合振动监测。监测结果表明：
(1)相比普通轨道，钢弹簧浮置板传到隧道壁上的振动大大减小，隧道壁水平向振动加速度幅值减小了76％，垂直向振动加速度幅值减小了73％。
(2)钟楼水平向振动实际监测结果与理论计算值高度吻合，本次研究所用的动力计算模型和各种参数是科学合理的。
3、文物监测及风险管理。在地铁各个阶段均须对所涉及的文物保护单位和车站基坑制定完善的监测方案，重点监测其沉降、倾斜、裂缝发展等情况，并制定预警值、报警值和控制值，及时反馈监测信息，同时制定施工应急预案，做到信息化施工。地铁工程采用信息化设计和施工。现场监控量测是监视周围地层稳定、判断支护结构设计是否合理、施工方法是否正确的重要手段，监控量测工作必须按要求贯穿地铁建设和运营全过程。主要监测项目包括: 基坑及地表沉降; 文物建筑沉降、倾斜、裂缝。
对该地铁二号线建设中已完成的地铁盾构施工和运营振动对城墙及钟楼影响的研究成果进行了简要的总结，对城墙和钟楼进行了多次系统的振动监测。振动监测结果验证了在该项目中所采用的研究方法和得到的理论成果，研究成果和在实施中积累的宝贵经验可为后期开工的地铁乃至其他地区地铁建设提供借鉴经验。
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论文作者:崔梦磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/19
标签：城墙论文; 地铁论文; 钟楼论文; 区段论文; 盾构论文; 隧道论文; 工况论文; 《防护工程》2018年第26期论文;