卢彬彬

（中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津300308）

0 引言

地铁施工过程中不可避免地穿越或邻近建筑，尤其是重点保护建筑。地铁建设和运营过程中若采取的施工措施和保护措施不当，有可能导致建筑发生沉降、倾斜甚至开裂，造成重大损失［1］。因此，地铁穿越建筑时需评估对建筑的影响。

针对地铁隧道施工对邻近建筑的影响，学者主要从监测数据、数值模拟及理论计算3个方面进行研究。姚爱军等人［2］结合实测数据修正Peck 公式，研究地表沉降的评价预测方法；衡朝阳等人［3］根据实测数据及Peck 修正公式提出下穿建筑评价方法；雷江松［4］通过数值模拟研究重叠隧道对地表建筑的承台及桩基的变形规律；吴贤国等人［5］结合武汉地铁研究风险评价指标，在理论上对建筑风险进行评价；黄杉等人［6］根据北京地铁测穿燕墩工程，借助有限元模拟分析施工过程，研究结构受力及变形特征。陈仁朋等人［7-8］建立三维有限元模型，模拟分析砌体结构建筑下穿地铁盾构隧道工况下建筑损伤强度和等级，并制定加固措施。

广州地铁12号线下穿广州起义烈士陵园（以下称烈士陵园）是典型的地铁区间下穿国家级保护文物的工程案例，本文通过三维建模分析地铁施工及运营对烈士陵园的影响及相关保护措施，对类似地铁线路穿越保护建筑文物工程提供参考。

1 工程概况

1.1 烈士陵园概况

广州起义烈士陵园位于广州市越秀区中山二路92号。是为纪念1927年12月在中国共产党领导下的广州起义中英勇牺牲的烈士兴建的纪念性公园。建于1954年，总面积18万m2。

1.2 地铁区间概况

广州地铁12号线为广州地铁规划“X”形对角线中西北-东南的结构，连接白云、越秀、海珠、番禺4个区。

12号线下穿烈士陵园区间为建设六马路站～烈士陵园站区间，区间左线长688.085 m，右线长682.400 m。区间隧道沿线主要穿越平原丘陵地带，尚未发现穿越断裂带不良地质构造。本区间沿线地层变化较大：区间主要位于中、微风化砂岩、砾岩地层中，局部为硬塑粉质黏土、强风化砂砾岩地层，地质纵断面详见图1。

图1 地铁区间地质纵断面Fig.1 Geological Profile of the Subway Section

1.3 烈士陵园文物保护范围

广州地铁12 号线穿越烈士陵园保护范围隧道埋深约为28～34 m，轨道交通隧道外轨中心线与园区主要文物广州公社烈士墓、血祭轩辕亭、中朝人民血谊亭、中苏人民血谊亭、叶剑英纪念牌、四烈士墓、烈士纪念碑距离分别约为47 m、46 m、93 m、127 m、148 m、191 m、201 m。为文物安全考虑，轨道交通工程施工前影响范围（3 倍隧道埋深）主要文物建筑有：广州公社烈士墓、血祭轩辕亭、中苏人民血谊亭、中朝人民血谊亭等。地铁区间与文物相对位置关系如图2所示。

图2 地铁区间与烈士陵园文物位置关系Fig.2 The Relationship between the Subway Section and the Location of the Martyrs’Cemetery

2 地铁施工对烈士陵园的影响

广州地铁12 号线建设六马路站～烈士陵园站区间隧道无法避让烈士陵园保护范围，从文物保护要求出发，需评估施工过程对烈士陵园文物的影响。

2.1 计算模型及参数

应用有限元分析，采用地层-结构模型模拟分析随着基坑开挖、隧道掘进，烈士陵园的地面变形，评估地铁施工对上部结构的影响。

考虑到轨道交通工程施工过程中可能对保护区内的文物建筑产生影响，故在有限元模拟时，模型尺寸取为350 m（长度）×180 m（宽度）×50 m（地面以下深度）。其中，地面以上高6 m，简化为三级圆台型。主墓和地层均采用3D 实体单元模拟，盾构管片采用2D 板单元模拟。烈士陵园文物三维模型如图3所示。

图3 烈士陵园文物三维模型Fig.3 Three-dimensional Model of the Cultural Relics of the Martyrs’Cemetery

2.2 文物及地表沉降分析

根据模型及边界条件进行计算，对计算结果进行分析，隧道施工完成后的烈士陵园文物沉降如图4 所示。由图4可知，沉降区域主要位于隧道附近，隧道正上方为沉降最大处，为0.17 m。周边文物沉降变形量为广州公社烈士墓0.005 7 m、血祭轩辕亭0.005 7 m、中朝人民血谊亭0 m、中苏人民血谊亭0.000 2 m、叶剑英纪念牌0.000 1 m、四烈士墓0 m，广州公社烈士墓与血祭轩辕亭之间石板台阶产生的最大沉降为0.017 5 m。

图4 隧道施工完成文物沉降Fig.4 Settlement of Cultural Relics after Tunnel Construction

以上计算结果均小于沉降设计标准20 mm 的限值，初步判断，轨道工程施工对距离较近的广州公社烈士墓及血祭轩亭等文物建筑产生影响极小，对于广州起义纪念碑、四烈士墓、中朝人民血谊亭等文物建筑基本不受地铁施工影响。

2.3 施工期间保护措施

由数值模拟结果可知，隧道施工对烈士陵园的影响极小，但数值模拟仅仅只能作为参考，实际现场施工受多方面的影响。为了确保文物安全，在施工区间需对文物采取保护措施。具体的保护措施如下：

2.3.1 实行信息化施工

轨道交通工程施工前，建立系统、完善的监测网，施工过程中对影响区范围内的建（构）筑物及隧道自身作为监测和保护的对象，特别对烈士陵园文物建筑进行24 h 自动化监测，做到实时反馈信息，做到信息化施工。

2.3.2 严格、准确控制盾构掘进参数

控制地面沉降的主要技术关键是保持盾构开挖面的稳定，及时填充隧道与地层之间的建筑空隙以及盾构的掘进参数控制。

2.3.3 保持地下水位措施

根据监测情况实时采用回灌井对地层进行适当补水，盾构隧道区间施工时，严格进行管片的拼装及防水作业，避免地下水渗漏导致水土流失，从而对周边建筑产生不利影响。

3 地铁运营对烈士陵园的影响

地铁列车在运行过程中，轮轨接触力激发振动，该振动将通过道床传给隧道，由于隧道跟土体的紧密接触，隧道的振动将直接通过土体，在地层半自由空间向各个方向传播，直到地面和建筑物的基底。列车运行振动由于轨道结构衰减后，残余的部分仍会经土层传递到地表，在一定范围内影响到文物本体。因此需评价运营阶段对烈士陵园文物的影响。

3.1 地铁振动影响分析

当文物结构所承受的振动超过一定的限度时，文物结构的安全就会受到一定程度的不良影响。

对于地铁运行时引起的振动，按照《古建筑防工业振动技术规范：GB/T 50452—2008》［9］的相关计算方法进行计算。在未考虑地铁车辆、轨道采取减振措施的情况下进行计算。由于文物结构形式为钢筋混凝土结构，其动力特性和响应的确定保守参照文献［9］中宫门的计算公式和参数进行计算。

计算地铁运营时产生的结构速度响应：

式中：Vmax为结构最大速度响应（mm/s）；Vr为基础处水平向地面振动速度（mm/s）；n为阵型叠加数；γj为 第j阶阵型参与系数；βj为第j阶阵型动力放大系数。

βj的计算公式为：

根据式⑴、式⑵，并根据文献［9］及工程中各参数的取值进行计算，得到Vmax=0.35 mm/s，满足文献［9］中规定的不大于1 mm/s的设计标准。

3.2 地铁运营减振降噪措施

为进一步对文物进行保护，对运营阶段采取减振降噪措施，具体措施如下：

3.2.1 轨道分级减振降噪措施

沿线有文物的轨道线路一般需采用道床减振措施，常见的分级减振措施有梯形轨枕、隔离式减振垫浮置板和钢弹簧浮置板。梯形轨枕和隔离式减振垫浮置板属于高等减振措施，能够实现12～15 dB的减振效果；国内目前特殊减振地段减振措施采用钢弹簧浮置板道床，它是将浮置板置于螺旋钢弹簧隔振阻尼器上，所采用的隔振器为阻尼性能较好的液体阻尼隔振器，减振性能得到较大提升，浮置板的质量设计得越大减振性能更好，减振效果可达20 dB以上，低频段减振效果更明显，适宜在振动要求极高的地段采用。钢弹簧浮置板为目前效果最好的轨道减振措施，广州地铁12 号线下穿烈士陵园保护区拟采用减震效果最好的钢弹簧浮置板。

3.2.2 轨道综合减振降噪措施

⑴线路维护保养

地铁线路平顺度和车轮圆整度直接影响地铁振级的大小，良好的轮轨条件可降低振动5～10 dB。因此在营运期加强轮轨的维护、保养，定期镟轮和打磨钢轨，以保证其良好的运行状态，减少附加振动。

⑵无缝线路

无缝线路的优点在于消除了钢轨接头，避免钢轨接头引起的振动和噪声，提高轨道平顺性，从而改善行车条件，延长轨道结构及车轮设备的使用寿命，减少养护维修工作量。本线在正线及配线的直线及曲线半径≥300 m 的整体道床地段铺设温度应力式无缝线路。

⑶钢轨涂油器的安装

钢轨涂油器在改善小半径地段的轮轨关系，减轻钢轨磨耗从而降低轮轨的振动噪声方面有显著效果。一般在正线曲线半径R≤400 m 的曲线外股钢轨内侧面安装涂油器，设置在各曲线前端（迎车方向）。

⑷扣件采用聚酯弹性垫板

地铁扣件早期一般采用氯丁橡胶垫板，在地铁隧道内主要受氧气、机械力的作用，发生物理及化学变化，导致性能下降，产生老化、失去弹性，列车振动加大等现象。热塑性聚酯弹性垫板（TPEE）具有高韧性、高回弹性、优良的耐磨性、抗弯曲疲劳性及耐老化性，推荐在本线采用。

⑸严格控制轨道设备生产、施工质量

严格控制轨道设备如扣件、道岔等制造公差，将线路不平顺消除在源头；施工期间，制订并执行严格的施工技术标准，确保轨道质量优良；运营期间，对轨道进行经常性的养护维修，以保证轨道几何状态良好。

⑹线路开通前进行钢轨预防性打磨

线路开通前进行钢轨预防性打磨，可修正钢轨制造公差和施工误差，改善轮轨接触；可消除钢轨原始瑕疵，延缓钢轨病害发生；可同时检测轨面形位，提高验收效率和工程初期精度。轨道优良的初始状态可实现运营的高品质，从源头上降低轮轨振动和噪声。

4 结论

本文以广州市地铁12 号线建设六马路站～烈士陵园站区间隧道下穿烈士陵园文物保护工程为研究对象，得到以下结论：

⑴通过数值模拟计算分析验证地铁施工对文物的影响，沉降区域主要位于隧道附近，周边文物沉降变形量均在0.005 7 m 以内，小于沉降设计标准20 mm的限值。地铁施工对距离较近的广州公社烈士墓及血祭轩亭等文物建筑的影响极小，广州起义纪念碑、四烈士墓、中朝人民血谊亭等文物建筑基本不受地铁施工影响。

⑵根据数值模拟结果，提出采用信息化施工、严格控制盾构掘进参数、保持地下水位等施工措施，确保施工安全。

⑶通过计算，地铁运营阶段结构最大水平速度响应为0.35 mm/s，满足文献［9］中不大于1 mm/s 的设计标准。

⑷根据经验及文献［9］制定运营阶段的减振降噪措施，包括轨道分级减振降噪措施和轨道综合减振降噪措施。