西安地铁二号线建设对钟楼古建筑影响.pdf

书书书 收稿日期 ２ ０ １ ３  ０ ２  ２ ０ 基金项目国家自然科学基金资助项目（ １ １ ０ ０ ２ １ ０ ８ ， ５ １ １ ７ ９ １ ５ ３ ） 。 作者简介张承客， 男， 博士生， 研究方向为地下工程及岩体动力学。Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｃ ｋ ９ ２ ７ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 。 李宁， 男， 教授， 博导， 研究方向为地下洞室、 边坡稳定性分析及冻土力学。Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌ ｎ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ＠ｘ ａ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。 文章编号 １ ０ ０ ６  ４ ７ １ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３  ０ ２ ６ ６  ０ ７ 西安地铁二号线建设对钟楼古建筑影响 张承客１，李宁１ ， ２ （ １ ． 西安理工大学 岩土工程研究所， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ８ ； ２ ． 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ） 摘要地铁盾构施工对土层的扰动将导致周围地表及地面古建筑的不均匀沉降， 建立其控制标准 是国内隧道工程遇到的研究课题之一。针对西安地铁二号线绕穿西安钟楼古建筑问题， 建立能够 反映钟楼台基青砖及砖土之间接缝和上部木结构的有限元数值模型， 采用输入位移边界荷载方法 来模拟盾构施工对钟楼古建筑的影响， 同时分析了有无隔离排桩下钟楼关键部位沉降量、 沉降差、 局部倾斜、 应力大小及上部木结构构件的内力， 并依此确定地层沉降控制标准， 为地下开挖经过钟 楼等含有木质结构古建筑的相似工程提供参考。 关键词西安地铁；钟楼古建筑；沉降控制；数值分析 中图分类号Ｕ ２ ３ １ ． ３ 文献标志码Ａ Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆ Ｘ ｉ ’ ａ ｎＳ ｕ ｂ ｗ ａ ｙＬ ｉ ｎ ｅＮ ｏ ． ２Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎＢ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒＡ ｎ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ Ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｚ Ｈ Ａ Ｎ ＧＣ ｈ ｅ ｎ ｇ ｋ ｅ １，Ｌ Ｉ Ｎ ｉ ｎ ｇ１ ， ２ （ １ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅｏ ｆ Ｇ ｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ７ １ ０ ０ ４ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅＫ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｆ ｒ ｏ ｚ ｅ ｎＳ ｏ ｉ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｃ ｏ ｌ ｄａ ｎ ｄＡ ｒ ｉ ｄＲ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎＥ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＲ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＡ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ７ ３ ０ ０ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｓ ｏ ｉ ｌ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄｂ ｙｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ  ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｎｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｙｌ ｅ ａ ｄｔ ｏ ｔ ｈ ｅｕ ｎ ｅ ｖ ｅ ｎｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｎ ｄｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ，ｓ ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｓ ｅ ｎ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｍ ｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ．Ｗｉ ｔ ｈａ ｎａ ｉ ｍａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｏ ｆ Ｘ ｉ ’ ａ ｎｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙ Ｎ 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不均匀沉降时， 易从这些薄弱部位产生裂缝， 从而导 致青砖发生错动； 上部木结构变形若产生不协调， 则 可能发生结构失稳。故研究西安地铁的盾构施工及 运行对钟楼古建筑物的影响显得非常有必要， 同时 对如何更佳保护钟楼也可提供一些参考意见。 对地铁建设对钟楼影响的研究主要有 地铁绕 穿钟楼时采用的施工方法及加固保护措施［ １  ４ ］， 王 文斌等［ ５ ］就隧道盾构施工对钟楼的影响进行了数 值模拟预测， 王鑫［ ６ ］考虑了地铁单洞和双洞开挖下 对钟楼影响的有限元分析。但以上的研究均没有考 虑钟楼台基的青砖之间及砖土之间接缝， 也未对上 部台基和上部木结构进行分析。 本文建立了综合考虑隧道和钟楼地基、 台基、 上 部木结构的有限元数值模型， 运用奥地利数值仿真 分析系统 Ｆ Ｉ Ｎ Ａ Ｌ ［ ７ ］， 研究钟楼在地铁盾构施工时地 表发生不同量值的地面沉降下其内部关键部位应力 和沉降及结构安全性态， 为地铁施工引起的地面沉 降的控制建立标准。 １ 工程地质条件及土层岩性 西安钟楼所处地貌部位属于盆地内冲积平原与 黄土台塬之间的过渡地带， 称为“ 黄土梁洼” 。地铁 绕穿钟楼区段内主要影响的地层是第四系人工筑填 土、 风积黄土、 残积古土壤及冲积粉质粘土、 粉土、 砂 土等。 钟楼台基结构为砖表土芯， 中间为以黄土为主 的素填土分层夯筑而成， 外包砖砌体为青砖砌筑而 成。地基土层上部为第四系全新统人工填土， 中部 为中上更新统风积黄土及残积古土壤， 下部为中更 新统冲积粉质粘土、 粉土、 砂土， 具体参见图 １的台 基及地基土层剖面图。 ２ 数值分析模型及试验条件 钟楼始建于明洪武十七年（ １ ３ ８ ４年） ， 距今已有 近 ６ ３ ０年的历史， 是一座重檐三滴水四角攒尖木结 构的建筑， 台基为方形， 边长 ３ ５ ． ５ｍ ， 高８ ． ６ｍ ， 用青 砖白灰砌筑而成， 四面正中有高、 宽各６ｍ的券洞以 连通四街。基座之上为木质结构的整体， 楼身主体 高 ２ ７ ． ４ｍ ， 楼为二层木结构， 平面方形， 面阔、 进深 各二间， 周回廊， 拈尖顶构架采用抹角梁和井口枋， 彻上明造。钟楼属于国家级的重要保护文物， 年代 久远， 抗变形能力较差， 无论是由于施工时造成的影 响还是后期运营过程中的影响都将是不可忽视的。 图 １ 钟楼台基及地基土层剖面图 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｌ ａ ｎ ｅｏ ｆ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ． １ 分析剖面选取 本文以地铁绕穿钟楼为研究对象， 所分析的剖 面位置及地铁与钟楼的平面布置如图 ２所示， 隔离 排桩布置位置及范围见图 ２中所标示的围绕钟楼带 状部位。 图 ２ 地铁绕钟楼布置及分析断面位置图 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｅｐ ｌ ａ ｎｏ ｆ ｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙａ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄＢ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ． ２ 地层及钟楼台基、 木结构物理力学参数 钟楼台基（ 包括正中券洞外包） 为 ４ ５ｃ ｍ２ ２ ｃ ｍ １ ０ｃ ｍ的青砖构成外墙， 室内试验得到青砖抗 拉强度０ ． ４～ ０ ． ８Ｍ Ｐ ａ ， 抗压强度１ ０～ １ ８Ｍ Ｐ ａ 。钟楼 青砖参数按照Ⅳ ～ Ⅴ类围岩的经验值取值。具体参 数见表 １ 。 ２ ． ３ 钟楼台基砌体及上部木结构分析模型 钟楼台基中青砖采用三角形六节点（ Ｌ Ｓ Ｔ ） 等参 实体单元模拟， 考虑 Ｍ ｏ ｈ ｒ  Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ屈服准则判断砖 砌体的塑性屈服状态。隧道衬砌管片采用二维曲梁 ７６２ 张承客， 等 西安地铁二号线建设对钟楼古建筑影响 单元（ Ｂ Ｅ Ａ Ｍ ６ ） 模拟， 考虑弹性本构模型。 钟楼台基青砖之间（ 其接缝材料采用白灰） 、 砖 土之间接触面的模拟和反映， 采用 Ｆ Ｉ Ｎ Ａ Ｌ有限元分 析程序独有的 Ｃ Ｏ Ｊ Ｏ单元， 单元的模型如图 ３所示， 单元参数分别为灰缝和砖土界面的 ｃ 、 φ值， 具体取 值见表 １ 。这种单元考虑接触面的固定、 滑动、 张开 三种接触条件， 收敛迅速， 能很好模拟具有初始裂缝 和无 初 始 裂 缝 两 物 体 间 的 摩 擦 滑 动、 张 开 和 闭合［ ８  １ ０ ］。 表 １ 钟楼地层、 材料及界面物理力学参数表 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｔ ｈ ｅｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｓ ｏ ｉ ｌ ａ ｎ ｄｂ ｒ ｉ ｃ ｋ 层名（ 号） 力学参数 弹性 模量 Ｅ ０／ Ｍ Ｐ ａ 泊松比 μ 天然容 重 γ ／ （ ｋ Ｎ／ ｍ ３） 抗剪 强度 ｃ ／ ｋ Ｐ ａ φ ／ （ ） 平均 厚度／ ｍ 城砖１１０ ０ ０ ． ０ ０ ． ２ ０１ ９ ． ０ １５ ０ ０ ． ０ ２ ７ ． ００ ． ３ 芯墙土３ （ 加权平均） ７ ． ００ ． ２ ７１ ９ ． ３１ ８ ． ０１ ２ ． ０８ 素填土４４ ． ５０ ． ２ ８１ ８ ． ２１ ６ ． ０８ ． ０８ 黄土５５ ． ００ ． ３ ０１ ９ ． ０１ ７ ． ０１ ０ ． ０４ 古土壤６７ ． ００ ． ２ ９１ ９ ． ８２ ２ ． ０８ ． ０２ 黄土７８ ． ００ ． ２ ７２ ０ ． ０２ ８ ． ０１ ２ ． ０５ 粉质粘土８１ ０ ． ００ ． ２ ７２ ０ ． ３２ ２ ． ０１ ２ ． ０４ 粉质粘土９１ １ ． ００ ． ２ ８２ ０ ． ０２ ４ ． ０１ ０ ． ０１ ７ 钟楼上 部木材 １ ５５ ０ ０－２ ０ ． ０－－－ 灰缝－－－８ ０ ０ ． ０２ ０ ． ０－ 砖土界面－－－０～ １ ２１ ０ ． ０－ 图 ３ 青砖、 砖土之间接触单元 Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｂ ｒ ｉ ｃ ｋ  ｂ ｒ ｉ ｃ ｋ ａ ｎ ｄｂ ｒ ｉ ｃ ｋ  ｓ ｏ ｉ ｌ 钟楼主体属穿斗式木结构， 主要由中心 ４根、 周 围 １ ２根圆柱承重， 柱下端通过柱脚石搁在砖土基础 上， 上端则分别延伸到各自对应的屋顶处。圆柱之 间由具有较大高跨比的梁连接， 梁与柱榫头结合。 本文对上部木结构建模时简化成框架结构［ １ １ ］， 简图见图 ４ 。主要考虑中心 ４根内金柱、 周围 １ ２根 外金柱及连接彼此的较大高跨比的连接构件梁， 梁 与柱榫头结合， 其它一些辅助构件在模型中未予考 虑。模型中取一柱列， 忽略次要构件的影响。取木 材为松木， 木材的材料参数见表 １ 。分析中将顶部 屋面、 重檐荷载等等效成节点力附加于各立柱顶端， 而忽略其相应于质量影响小得多的刚度效应。 图 ４ 钟楼上部木结构计算简图 Ｆ ｉ ｇ ． ４ Ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｗ ｏ ｏ ｄ ｅ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ２ ． ４ 钟楼分析剖面有限元模型 本文研究选取穿过钟楼内、 外金柱沿着东西方 向的典型分析剖面， 因分析剖面对称性的特点， 在模 型建立过程中仅考虑右线地铁盾构施工对钟楼古建 筑物的影响。模型的边界尺寸 上部取至钟楼顶部， 考虑到地铁隧道的尺寸效应， 左边界取 ５倍洞径， 右 边界取至距钟楼台基 ３倍洞径， 下边界取为盾构隧 道 ３倍洞径， 模型简图如图 ５所示。 图 ５ 分析剖面模型简图 Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｔ ｈ ｅｐ ｌ ａ ｎｏ ｆ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎＦ Ｅ Ｍｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ２ ． ５ 盾构施工对地层及钟楼影响模拟 本文考虑到具体地铁盾构施工过程模拟的复杂 性， 对钟楼古建筑物基础采用施加位移边界荷载的 办法来模拟盾构施工引起的不同量值地面沉降对钟 ８６２ 西安理工大学学报（ ２ ０ １ ３ ） 第 ２ ９卷第 ３期 楼古建筑物的影响［ １ ２ ］。 实际地铁工程中， 人们一般是利用 Ｐ ｅ ｃ ｋ曲线来 预测天然地表沉降［ １ ３ ］， 本文假定钟楼基础在盾构施 工作用下地面沉降也符合 Ｐ ｅ ｃ ｋ 曲线形态， 地面沉降 曲线表示为 ｓ ｘ＝ｓ ｍ ａ ｘｅ ｘ ｐ （ －ｘ ２ ２ ｉ ２） （ １ ） 式中， ｓ 为地面任一点的沉降值； ｓ ｍ ａ ｘ为地面沉降的最 大值， 位于沉降曲线的对称中心上（ 对应于隧道轴 线位置） ； ｘ 为从沉降曲线中心到所计算点的距离； ｉ 为从沉降曲线对称中心到沉降曲线拐点的距离。 本文针对地铁盾构施工引起的不同地面沉降值 及其范围， 将地面沉降槽深度为 ５ 、 １ ０ 、 １ ５ 、 １ ７ 、 ２ ０ 、 ２ ５ 、 ３ ０ 、 ３ ５ 、 ４ ０ｍ ｍ时分别进行模拟分析（ 其中１ ７ｍ ｍ 为根据试验段得到的地铁盾构施工引起的地表 沉降量） 。 根据公式（ １ ） 计算沉降曲线， 并根据沉降曲线 施加位移边界荷载， 研究钟楼地基隔离前后（ 隔离 方式 在盾构隧道和钟楼基础之间设置隔离排桩， 桩 间距 １ ． ３ｍ ） 在不同的地基沉降值下各关键部位的 沉降量、 沉降差、 局部倾斜及拉应力， 分析钟楼古建 筑的稳定和安全情况。 根据国家文物局和文物保护司的要求， 盾构通 过后钟楼台基最大沉降控制值不大于 ５ｍ ｍ ， 钟楼倾 斜控制不大于 ０ ． ５ ‰。 ３ 地铁施工对钟楼影响分析 ３ ． １ 不考虑钟楼地基加固 ３ ． １ ． １ 钟楼台基沉降分析 图 ６标示出钟楼台基和上部木结构的关键部 位。在地铁隧道中心上方不同最大沉降值下， 钟楼 台基各关键部位的沉降值见表 ２ ， 其中最大沉降值 为 １ ７ｍ ｍ时的地面沉降槽矢量图见图 ７ 。 图 ６ 钟楼关键部位示意图 Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｔ ｈ ｅｐ ｌ ａ ｎｏ ｆ ｂ ｅ ｌ ｌ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ 从图 ７可以看出， 地面最大沉降量发生在隧洞 轴线正上方， 沉降槽的右侧反弯点距离隧道轴线约 为 １ ３ ． ０ｍ ， 该点相对于隧道轴线部位的局部倾斜随 着沉降量的增大而有一定幅度的增大。地面最大沉 降量为 １ ７ ． ０ｍ ｍ时， 在右侧反弯点处地基（ Ｏ Ａ段） 局部倾斜为 ０ ． ８ ‰。当地表最大沉降达到 ２ ５ｍ ｍ 时， 右侧反弯点局部倾斜为 １ ． ２ ‰， 钟楼倾斜为 ０ ． ２ ‰， 钟楼台基最大沉降值为 ５ ． ６ ８ｍ ｍ ， 超过 ５ｍ ｍ 。 表 ２ 不同沉降槽深度下钟楼台基关键部位沉降值 Ｔ ａ ｂ ． ２ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 关键点 不同沉降量（ ｍ ｍ ） 下沉降值／ ｍ ｍ － ５－ １ ０ － １ ５ － １ ７ － ２ ０ － ２ ５ － ３ ０ － ３ ５ － ４ ０ Ａ－ １ ． １ ４ － ２ ． ２ ８ － ３ ． ４ １ － ４ ． １ ０ － ４ ． ５ ５ － ５ ． ６ ８ － ６ ． ８ １ － ７ ． ９ ５ － ９ ． ０ ８ Ｂ－ ０ ． ２ ５ － ０ ． ４ ９ － ０ ． ７ ４ － ０ ． ８ ７ － ０ ． ９ ８ － １ ． ２ ３ － １ ． ４ ７ － １ ． ７ ２ － １ ． ９ ６ Ｃ－ ０ ． １ １ － ０ ． ２ １ － ０ ． ３ １ － ０ ． ３ ７ － ０ ． ４ ２ － ０ ． ５ ２ － ０ ． ６ ３ － ０ ． ７ ３ － ０ ． ８ ４ Ｄ０ ． ２ ２ ０ ． ４ ４ ０ ． ６ ６ ０ ． ７ ９ ０ ． ８ ９ １ ． １ １ １ ． ３ ２ １ ． ５ ５ １ ． ７ ６ Ｅ－ ０ ． ５ ３ － １ ． ０ ６ － １ ． ５ ９ － １ ． ８ ８ － ２ ． １ ２ － ２ ． ６ ５ － ３ ． １ ７ － ３ ． ７ ０ － ４ ． ２ ２ Ｆ－ ０ ． ３ ３ － ０ ． ６ ７ － １ ． ０ ０ － １ ． １ ８ － １ ． ３ ３ － １ ． ６ ６ － １ ． ９ ９ － ２ ． ３ ２ － ２ ． ６ ５ Ｇ－ ０ ． １ １ － ０ ． ２ ３ － ０ ． ３ ４ － ０ ． ４ ０ － ０ ． ４ ５ － ０ ． ５ ７ － ０ ． ６ ８ － ０ ． ７ ９ － ０ ． ９ １ Ｈ０ ． ０ １ ０ ． ０ ２ ０ ． ０ ４ ０ ． ０ ５ ０ ． ０ ５ ０ ． ０ ６ ０ ． ０ ７ ０ ． ０ ８ ０ ． １ ０ 图 ７ 钟楼基础沉降槽矢量图 Ｆ ｉ ｇ ． ７ Ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｏ ｆ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ３ ． １ ． ２ 钟楼台基应力状态分析 图 ８ 钟楼台基关键部位应力在不同最大沉降下的变化曲线 Ｆ ｉ ｇ ． ８ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ９６２ 张承客， 等 西安地铁二号线建设对钟楼古建筑影响 表 ３ 不同沉降槽深度下钟楼台基关键部位应力值 Ｔ ａ ｂ ． ３ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 关键部位 不同沉降量（ ｍ ｍ ） 下应力值／ ｋ Ｐ ａ － ５－ １ ０－ １ ５－ １ ７－ ２ ０－ ２ ５－ ３ ０－ ３ ５－ ４ ０ 券形门洞 ａ０ ． ８４１ ２ ． １２ ０ ． １２ ６ ． ３４ ２ ． ７５ ９ ． ７７ ７９ ７ ． ７ ｂ－ １ １ ． ２－ １ １ ． ６－ １ ２－ １ ２ ． ３－ １ ２ ． ４－ １ ２ ． ９－ １ ３ ． ３－ １ ３ ． ７－ １ ２ ． ２ ｃ－ １ ３－ １ ２ ． ８－ １ ２ ． ７－ １ ２ ． ６－ １ ２ ． ５－ １ ２ ． ４－ １ ２ ． ２－ １ ２－ ９ ． ４ ｄ１ ． ７１ ． ７１ ． ８１ ． ８１ ． ８１ ． ８１ ． ８１ ． ８１ ． ６ 台基西侧ｅ－ ９ １ ． ５－ ７ ７ ． ５－ ６ １ ． ７－ ５ ０ ． ９－ ４ ３ ． １－ ２ ０ ． ６６ ． ８３ ９ ． ７８ ７ ． ９ 台基顶部ｆ－ ５ ． ７６ ． ５１ ８ ． ８２ ６ ． ５３ １ ． ０４ ３ ． ２５ ５ ． ４６ ７ ． ６８ ６ ． ５ 注 表中符号“＋ ” 表示应力为拉应力， “－ ” 表示压应力。 从表 ３和图 ８可看出， 随着沉降槽深度的增大， 钟楼台基关键部位拉应力快速增大或者从压应力转 变为拉应力， 钟楼台基拉应力主要发生在券形门洞 洞顶、 台基墙角及台基顶部部位， 这些部位可能成为 台基表面裂缝出现的部位。 当地面沉降槽深度为 ４ ０ ． ０ｍ ｍ时， 最大拉应力 不超过 １ ０ ０ｋ Ｐ ａ ， 发生在券形门洞顶拱（ ａ 点） ， 未超 过青砖之间接缝材料的极限抗拉强度［ σ ｍ ａ ｘ］＝ ０ ． ２ ～ ０ ． ４Ｍ Ｐ ａ 。 ３ ． １ ． ３ 钟楼上部木结构构件内力状态分析 在不同沉降槽深度下钟楼上部木结构构件所受 的内力状态见表 ４ 。 表 ４ 不同沉降槽深度下钟楼上部木结构构件内力值 Ｔ ａ ｂ ． ４ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｗ ｏ ｏ ｄ ｅ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ａ ｌ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 构件内力 （ 矩） 断面／ ｍ ｍ 不同沉降量（ ｍ ｍ ） 下内力值 － ５－ １ ０－ １ ５－ １ ７－ ２ ０－ ２ ５－ ３ ０－ ３ ５－ ４ ０ Ｚ １／ ｋ Ｎ Φ ５ ５ ０－ ０ ． １ ０ ． ８１ ． ６２ ． １２ ． ５３ ． ４４ ． ２５ ． １６ ． ０ Ｚ ２（ ／ ｋ Ｎ Φ ７ ０ ０－ １ ． ２ － ２ ． ４－ ３ ． ５－ ４ ． ２－ ４ ． ７－ ５ ． ９－ ７ ． ０－ ８ ． ２－ ９ ． ３ Ｌ １／ ｋ Ｎ ｍ ５ ０ ０ ７ ０ ０－ １ ． ８－ ３ ． ６－ ５ ． ４－ ６ ． ３－ ７ ． １－ ９ ． ０－ １ ０ ． ６－ １ ２ ． ５－ １ ４ ． １ Ｌ ２／ ｋ Ｎ ｍ ５ ０ ０ ７ ０ ０－ １ ． １－ ２ ． ２－ ３ ． ４－ ４ ． ０－ ４ ． ５－ ５ ． ７－ ６ ． ８－ ８ ． ０－ ９ ． ０ Ｌ ３／ ｋ Ｎ ｍ ５ ５ ０ ４ ０ ０－ ０ ． ６－ １ ． １－ １ ． ６－ １ ． ９－ ２ ． ２－ ２ ． ７－ ３ ． ２－ ３ ． ８－ ４ ． ２ Ｌ ４／ ｋ Ｎ ｍ ５ ５ ０ ４ ８ ００ ． ３０ ． ５０ ． ８０ ． ９１ ． １１ ． ４１ ． ６１ ． ９２ ． １ 注 构件 Ｚ １、 Ｚ２考虑柱的轴力， Ｌ１、 Ｌ２、 Ｌ３、 Ｌ４考虑梁的弯矩值。轴力以“＋” 为拉， “－” 为压； 弯矩以“＋” 表梁下部受拉， “－ ” 表梁上部受拉， 下同。 表中钟楼木结构各构件内力随着沉降槽深度的 增大均有所增大。当地面沉降槽深度为 ４ ０ ． ０ｍ ｍ 时， 柱中最大轴力（ 拉） 不超过 ６ ． ０ｋ Ｎ ， 拉应力不超 过 ２ ５ ． ０ｋ Ｐ ａ ， 位于 Ｚ １中； 最大轴力（ 压） 不超过 １ ０ ． ０ ｋ Ｎ ， 位于 Ｚ ２中。梁中弯矩最大不超过 １ ５ ． ０ｋ Ｎ ｍ ， 梁下部所受拉应力不超过 ３ ５ ０ｋ Ｐ ａ ， 位于 Ｌ １中。不 会拉断或剪坏上部木柱和木梁。 当钟楼地基未考虑加固时， 按钟楼台基最大沉 降控制值不大于 ５ｍ ｍ的要求进行控制时， 地铁隧 道上方地表最大沉降量应控制在 ２ ０ｍ ｍ以内。 ３ ． ２ 考虑钟楼地基加固后 加固方法 在盾构隧道和钟楼基础之间设置隔 离排桩， 桩间距 １ ． ３ｍ ， 桩尖进入地层下部粉质黏土 ２ｍ ， 跳桩施工， 在桩间施工旋喷封闭。桩顶设冠梁。 ３ ． ２ ． １ 钟楼台基沉降分析 表 ５ 加固后不同沉降槽深度下关键部位沉降值 Ｔ ａ ｂ ． ５ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ 关键点 不同沉降量（ ｍ ｍ ） 下沉降值／ ｍ ｍ － ５－ １ ０ － １ ５ － １ ７ － ２ ０ － ２ ５ － ３ ０ － ３ ５ － ４ ０ Ａ－ ０ ． ９ ３ － １ ． ８ ５ － ２ ． ７ ８ － ３ ． ３ ９ － ３ ． ７ ０ － ４ ． ６ ３ － ５ ． ５ ５ － ６ ． ４ ８ － ７ ． ４ １ Ｂ－ ０ ． ２ ４ － ０ ． ４ ８ － ０ ． ７ １ － ０ ． ８ ４ － ０ ． ９ ５ － １ ． １ ９ － １ ． ４ ３ － １ ． ６ ６ － １ ． ９ ０ Ｃ－ ０ ． ０ ９ － ０ ． １ ８ － ０ ． ２ ７ － ０ ． ３ ２ － ０ ． ３ ６ － ０ ． ４ ６ － ０ ． ５ ５ － ０ ． ６ ４ － ０ ． ７ ３ Ｄ０ ． ２ ０ ０ ． ４ １ ０ ． ６ １ ０ ． ７ ３ ０ ． ８ １ １ ． ０ １ １ ． ２ ２ １ ． ４ ２ １ ． ６ ２ Ｅ－ ０ ． ４ ６ － ０ ． ９ ２ － １ ． ３ ８ － １ ． ６ ５ － １ ． ８ ３ － ２ ． ２ ９ － ２ ． ７ ５ － ３ ． ２ １ － ３ ． ６ ７ Ｆ－ ０ ． ３ ０ － ０ ． ６ ０ － ０ ． ９ １ － １ ． ０ ７ － １ ． ２ １ － １ ． ５ １ － １ ． ８ １ － ２ ． １ １ － ２ ． ４ ２ Ｇ－ ０ ． １ ０ － ０ ． １ ９ － ０ ． ２ ９ － ０ ． ３ ４ － ０ ． ３ ８ － ０ ． ４ ８ － ０ ． ５ ７ － ０ ． ６ ７ － ０ ． ７ ７ Ｈ０ ． ０ １ ０ ． ０ ２ ０ ． ０ ４ ０ ． ０ ５ ０ ． ０ ５ ０ ． ０ ６ ０ ． ０ ７ ０ ． ０ ９ ０ ． １ ０ ０７２ 西安理工大学学报（ ２ ０ １ ３ ） 第 ２ ９卷第 ３期 图 ９ 考虑加固后钟楼基础沉降槽矢量图 Ｆ ｉ ｇ ． ９ Ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｏ ｆ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 从表 ５和图 ９可以看出， 沉降槽的左侧反弯点 距离隧道轴线约为 １ ３ ． ５ｍ ， 该点相对于隧道轴线部 位的局部倾斜随着沉降量的增大而有一定幅度的增 大； 右侧距离隧道轴线为 ７ ． ２ｍ ， 位于隔离排桩处。 地面最大沉降量为 ２ ０ ． ０ｍ ｍ时， 左侧 Ｏ Ｂ段局部倾 斜为 ０ ． ９ ‰， 右侧 Ｏ Ａ段局部倾斜为 １ ． ５ ‰， 钟楼台 基最大沉降不超过 ４ｍ ｍ ， 钟楼倾斜为 ０ ． １ ２ ‰， 反映 了隔离排桩等加固措施发挥了明显的作用。 ３ ． ２ ． ２ 钟楼台基应力状态分析 图 １ ０在考虑钟楼地基加固的情况下， 钟楼台基 各关 键 部 位 拉 应 力 减 小 明 显， 量 值 减 小 幅 度 有 ５ ０ ％。 城墙关键部位拉应力位于在券形门洞洞顶、 台 基顶部部位。当沉降量为 ４ ０ ． ０ｍ ｍ时， 最大拉应力 不超过 ３ ０ｋ Ｐ ａ ， 发生在台基顶部部位（ ｆ 点） ， 仅为未 加固工况下的３ ０ ％， 小于极限抗拉强度［ σ ｍ ａ ｘ］＝ ０ ． ２ ～ ０ ． ４Ｍ Ｐ ａ 。台基墙角（ ｅ 点） 均为压应力， 最大值不 超过 １ ２ ０ｋ Ｐ ａ 。 图 １ ０ 加固后关键部位应力在不同最大沉降下的变化曲线 Ｆ ｉ ｇ ． １ ０ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｋ ｅ ｙｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ３ ． ２ ． ３ 钟楼上部木结构构件内力状态分析 在不同沉降槽深度下钟楼上部木结构构件所受 的内力状态及安全性态如表 ６所示。 表 ６ 加固后不同沉降槽深度下上部木结构构件内力值 Ｔ ａ ｂ ． ６ Ｂ ｅ ｌ ｌ Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ｗ ｏ ｏ ｄ ｅ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ａ ｌ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ 构件内力 （ 矩） 断面／ ｍ ｍ 不同沉降量（ ｍ ｍ ） 下内力值 － ５－ １ ０－ １ ５－ １ ７－ ２ ０－ ２ ５－ ３ ０－ ３ ５－ ４ ０ Ｚ １／ ｋ Ｎ Φ ５ ５ ０－ ０ ． ４ ０ ． １０ ． ７１ ． ０１ ． １１ ． ７２ ． ３２ ． ８３ ． ３ Ｚ ２／ ｋ Ｎ Φ ７ ０ ０－ ０ ． ７ － １ ． ４－ ２ ． １－ ２ ． ４－ ２ ． ６－ ３ ． ４－ ４ ． １－ ４ ． ８－ ５ ． ４ Ｌ １／ ｋ Ｎ ｍ ５ ０ ０ ７ ０ ０－ １ ． １－ ２ ． ２－ ３ ． ３－ ４ ． １－ ４ ． ２－ ５ ． ３－ ６ ． ４－ ７ ． ６－ ８ ． ５ Ｌ ２／ ｋ Ｎ ｍ ５ ０ ０ ７ ０ ０－ ０ ． ６－ １ ． １－ １ ． ８－ ２ ． ０－ ２ ． ２－ ２ ． ８－ ３ ． ５－ ４ ． １－ ４ ． ５ Ｌ ３／ ｋ Ｎ ｍ ５ ５ ０ ４ ０ ０－ ０ ． ４－ ０ ． ７－ １ ． １－ １ ． ３－ １ ． ３－ １ ． ７－ ２ ． ０－ ２ ． ４－ ２ ． ７ Ｌ ４／ ｋ Ｎ ｍ ５ ５ ０ ４ ８ ００ ． １０ ． ３０ ． ４０ ． ５０ ． ５０ ． ７０ ． ８１ ． ０１ ． ０ 从表 ６可以看出， 在考虑钟楼地基加固的情况 下， 钟楼上部木结构各构件所受内力减小明显， 量值 减小幅度为 ３ ０ ％。当地面沉降槽深度为 ４ ０ ． ０ｍ ｍ 时， 柱中最大轴力（ 拉） 不超过 ４ ． ０ｋ Ｎ ， 拉应力不超 过 １ ５ ． ０ｋ Ｐ ａ ， 位于 Ｚ １中； 最大轴力（ 压） 不超过 ６ ． ０ ｋ Ｎ ， 位于 Ｚ ２中。梁中弯矩最大不超过 ９ ． ０ｋ Ｎ ｍ ， 梁下部所受拉应力不超过 ２ １ ０ｋ Ｐ ａ ， 位于 Ｌ １中。不 会拉断或剪坏上部木柱和木梁。 目前地铁二号线从西安北站到会展中心已开通