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【摘 要】本文简要介绍了文物监测的主要内容和技术方法，结合西安地铁二号线运营初期对重点文物（西安钟楼）的监控测量方案和保护措施，重点分析了沉降观测和倾斜观测的实施，并对具体的技术和监测结果进行了重点分析和阐述。
【关键词】文物监测 沉降观测 倾斜观测
陕西铁路工程职业技术学院基金项目《地铁运营初期的地面建筑文物监测技术应用研究》（2014-21）。
引言
鉴于地铁施工周期长、投资大、施工技术复杂、不可预见的风险因素多等原因，城市地铁的施工监控量测一直是地铁工程中的一个重要的组成部分。同时，在地下管网稠密和建（构）筑物林立的城市环境中，随着降水、基坑、隧道开挖等施工工序的进行，由于考虑到破坏施工影响区域内土体的力学平衡，对建（构）筑物、道路、管线等周边环境产生一定的影响甚至破坏，如产生裂缝、倾斜、错位、沉陷和坍塌等，尤其是重要建筑文物的监测，其安全和稳定需要进行特别监测和保护的。
在地铁运营初期，也应对地面建筑文物进行持续的变形监测。常规建筑文物的变形监测内容有：应力应变测量、倾斜测量、准直测量、水平位移测量、裂缝测量、挠度观测等。其主要观测方法有：几何水准法、液体静力水准法、微水准法、视准线法、光电导线法、前后方交会法、测量机器人法、三维激光扫描法、激光跟踪法、近景数字摄影法、GPS法、自动遥控监测法等。
下面对西安地铁二号线运营初期，国家重点保护文物钟楼的保护措施、监测方法和监测结果进行阐述分析。
案例简介与保护措施
钟楼始建于明代洪武十七年（公元1384年），因楼上悬挂一口铁钟而得名。它是我国古代遗留下来许多钟楼中形制最大、保存最完整的一座。钟楼无论从建筑规模、历史价值、艺术价值各方面衡量，都居全国同类建筑之冠，属国家重点保护文物。
西安地铁二号线地下隧道设计为左右线分别从钟楼东西两侧绕行，在设计施工时即考虑了钟楼的保护方案，比如，在施工方法工艺措施上，采用对钟楼地基土影响相对较小的盾构法施工，并对掘进速度采取限制措施；地基加固措施：结合隧道埋深、钟楼文物地基基础特点，为使地铁隧道开挖及运营过程中对地基影响降低至最小程度，对钟楼地基采取灌注桩加固，即在距钟楼基座外8m，四周布设桩径1000mm，桩长29.5m，桩间距1.4m，共139根钻孔灌注桩，并对桩底采取了二次注浆措施。这些措施的目的是在隧道施工整个过程中，要求累计沉降量控制值≤5.0mm。
钟楼场地地貌单元属于黄土梁间洼地，地基土由分层夯实的素填土、新黄土、黄土、古土壤组成。基础为分层夯实素土，基座高8.6m，均由分层夯实的素填土组成，四周外砌青砖。基座下为分层夯实，土厚6.2m-7.4m，基座外分层夯实，土厚5.8m-6.3m。
因钟楼基础为夯实素土，且具有湿陷性，局部夯实土夯实不均匀，发现有地基下沉、基座墙体开裂和中心偏移现象。1982年对钟楼进行立面摄影测量中，发现钟楼宝顶相对底层拱门中心有1.10m偏移。1983年5月煤炭航测大队对钟楼倾斜测量中，发现钟楼宝顶中心相对底层的总偏移量（西南方向）为48mm，宝顶倾斜角5'。随后对钟楼进行了勘察，钟楼主体进行长期变形监测，并对钟楼地基采取了渗水防护措施等，使钟楼变形在安全控制范围。
钟楼沉降监测
本次钟楼沉降观测利用了施工监测期间的基准点3个，沉降观测点36个，编号为1—30、A1—A6。根据相关要求，钟楼的沉降观测精度按二级变形要求施测，其精度要求每测站高差中误差≤0.5mm，附合或环线闭合差≤1.0mm。其沉降观测的基准网按国家一等水准测量要求施测，其测量精度要求相邻基准点高差中误差≤0.3mm ，每测站高差中误差≤0.07mm，往返较差、附合或环线闭合差≤0.15mm。具体布设点位布设如图1所示。
图1 西安钟楼沉降观测点布置示意图
经过观测，监测点位累积沉降量均介于1.33mm（A5号点）—–2.61mm（21号点）之间，平均累积沉降量为：-0.92mm，未超过设计允许值（下沉量≤5mm），且在整个监测期间沉降量变化值较小，说明地铁二号线在运营初期对钟楼其主体产生的沉降影响较小，在预先设定的控制值范围内。监测时间—沉降量曲线如图2所示。
图2 西安钟楼时间沉降量曲线
钟楼倾斜监测
钟楼水平位移采用二级变形测量，观测点坐标中误差应小于3mm，按照倾斜观测进行，具体方法采用前方交会法，即：在钟楼较远处的稳定区域设立两个可以通视的基准点K1、K2，钟楼西侧一层大台两转角点方向作为坐标系南北方向轴线，该线垂直方向为坐标系东西方向。
首次观测，全站仪对向精密测量K1、K2点之间距离，并以该值作为各期观测的基准计算数据。后各期观测时，对水平角α、β观测2个测回，钟楼倾斜共观测15次。观测示意图见图3。
利用前方交会，计算钟楼宝顶固定点P坐标，公式如下：
观测中，观测精度计算公式如下：
其中：m为测角中误差，DK1K2为K1、K2点间距离，ρ=206265″，α、β、γ为K1、K2、P的交会角。每期观测结束后，按上式计算钟楼顶P点坐标，并与首次观测坐标（施工监测首次值）比对，计算出P点的倾斜量、变化量、倾斜方向等。结果显示交会点每次测量的点位中误差最大为2.8mm、最小为1.3mm。具体观测结果见下表。
西安钟楼倾斜观测结果
注：X表示北方向；Y表示东方向。
结论
1.由观测结果可知，钟楼在整个观测期间，倾斜变化不大，钟楼未出现异常情况。
2.建筑文物钟楼在西安地铁二号线运营初期，虽有一定的沉降量、水平位移量，但绝对值较小，在可控范围之内，对构筑物的影响甚微，钟楼处于稳定安全状态。
3.钟楼的沉降监测与倾斜监测成果分析，在地铁修建之初对该文物采取的保护措施较为有效，在地铁运行期间，对文物的影响甚微，符合设计之初的构想，达到了监测目的。
参考文献：
[1]雷永生.西安地铁二号线下穿城墙及钟楼保护措施研究[J].岩土力学，2010（1）：223-236.
[2]包欢.大型建筑物实时形变监测系统理论及应用研究[D].解放军信息工程大学，2009，4.
[3]钟楼监测技术报告[R].机械工业勘察设计研究院，2012，9.
作者单位：陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南
【关键词】文物监测 沉降观测 倾斜观测
陕西铁路工程职业技术学院基金项目《地铁运营初期的地面建筑文物监测技术应用研究》（2014-21）。
引言
鉴于地铁施工周期长、投资大、施工技术复杂、不可预见的风险因素多等原因，城市地铁的施工监控量测一直是地铁工程中的一个重要的组成部分。同时，在地下管网稠密和建（构）筑物林立的城市环境中，随着降水、基坑、隧道开挖等施工工序的进行，由于考虑到破坏施工影响区域内土体的力学平衡，对建（构）筑物、道路、管线等周边环境产生一定的影响甚至破坏，如产生裂缝、倾斜、错位、沉陷和坍塌等，尤其是重要建筑文物的监测，其安全和稳定需要进行特别监测和保护的。
在地铁运营初期，也应对地面建筑文物进行持续的变形监测。常规建筑文物的变形监测内容有：应力应变测量、倾斜测量、准直测量、水平位移测量、裂缝测量、挠度观测等。其主要观测方法有：几何水准法、液体静力水准法、微水准法、视准线法、光电导线法、前后方交会法、测量机器人法、三维激光扫描法、激光跟踪法、近景数字摄影法、GPS法、自动遥控监测法等。
下面对西安地铁二号线运营初期，国家重点保护文物钟楼的保护措施、监测方法和监测结果进行阐述分析。
案例简介与保护措施
钟楼始建于明代洪武十七年（公元1384年），因楼上悬挂一口铁钟而得名。它是我国古代遗留下来许多钟楼中形制最大、保存最完整的一座。钟楼无论从建筑规模、历史价值、艺术价值各方面衡量，都居全国同类建筑之冠，属国家重点保护文物。
西安地铁二号线地下隧道设计为左右线分别从钟楼东西两侧绕行，在设计施工时即考虑了钟楼的保护方案，比如，在施工方法工艺措施上，采用对钟楼地基土影响相对较小的盾构法施工，并对掘进速度采取限制措施；地基加固措施：结合隧道埋深、钟楼文物地基基础特点，为使地铁隧道开挖及运营过程中对地基影响降低至最小程度，对钟楼地基采取灌注桩加固，即在距钟楼基座外8m，四周布设桩径1000mm，桩长29.5m，桩间距1.4m，共139根钻孔灌注桩，并对桩底采取了二次注浆措施。这些措施的目的是在隧道施工整个过程中，要求累计沉降量控制值≤5.0mm。
钟楼场地地貌单元属于黄土梁间洼地，地基土由分层夯实的素填土、新黄土、黄土、古土壤组成。基础为分层夯实素土，基座高8.6m，均由分层夯实的素填土组成，四周外砌青砖。基座下为分层夯实，土厚6.2m-7.4m，基座外分层夯实，土厚5.8m-6.3m。
因钟楼基础为夯实素土，且具有湿陷性，局部夯实土夯实不均匀，发现有地基下沉、基座墙体开裂和中心偏移现象。1982年对钟楼进行立面摄影测量中，发现钟楼宝顶相对底层拱门中心有1.10m偏移。1983年5月煤炭航测大队对钟楼倾斜测量中，发现钟楼宝顶中心相对底层的总偏移量（西南方向）为48mm，宝顶倾斜角5'。随后对钟楼进行了勘察，钟楼主体进行长期变形监测，并对钟楼地基采取了渗水防护措施等，使钟楼变形在安全控制范围。
钟楼沉降监测
本次钟楼沉降观测利用了施工监测期间的基准点3个，沉降观测点36个，编号为1—30、A1—A6。根据相关要求，钟楼的沉降观测精度按二级变形要求施测，其精度要求每测站高差中误差≤0.5mm，附合或环线闭合差≤1.0mm。其沉降观测的基准网按国家一等水准测量要求施测，其测量精度要求相邻基准点高差中误差≤0.3mm ，每测站高差中误差≤0.07mm，往返较差、附合或环线闭合差≤0.15mm。具体布设点位布设如图1所示。
图1 西安钟楼沉降观测点布置示意图
经过观测，监测点位累积沉降量均介于1.33mm（A5号点）—–2.61mm（21号点）之间，平均累积沉降量为：-0.92mm，未超过设计允许值（下沉量≤5mm），且在整个监测期间沉降量变化值较小，说明地铁二号线在运营初期对钟楼其主体产生的沉降影响较小，在预先设定的控制值范围内。监测时间—沉降量曲线如图2所示。
图2 西安钟楼时间沉降量曲线
钟楼倾斜监测
钟楼水平位移采用二级变形测量，观测点坐标中误差应小于3mm，按照倾斜观测进行，具体方法采用前方交会法，即：在钟楼较远处的稳定区域设立两个可以通视的基准点K1、K2，钟楼西侧一层大台两转角点方向作为坐标系南北方向轴线，该线垂直方向为坐标系东西方向。
首次观测，全站仪对向精密测量K1、K2点之间距离，并以该值作为各期观测的基准计算数据。后各期观测时，对水平角α、β观测2个测回，钟楼倾斜共观测15次。观测示意图见图3。
利用前方交会，计算钟楼宝顶固定点P坐标，公式如下：
观测中，观测精度计算公式如下：
其中：m为测角中误差，DK1K2为K1、K2点间距离，ρ=206265″，α、β、γ为K1、K2、P的交会角。每期观测结束后，按上式计算钟楼顶P点坐标，并与首次观测坐标（施工监测首次值）比对，计算出P点的倾斜量、变化量、倾斜方向等。结果显示交会点每次测量的点位中误差最大为2.8mm、最小为1.3mm。具体观测结果见下表。
西安钟楼倾斜观测结果
注：X表示北方向；Y表示东方向。
结论
1.由观测结果可知，钟楼在整个观测期间，倾斜变化不大，钟楼未出现异常情况。
2.建筑文物钟楼在西安地铁二号线运营初期，虽有一定的沉降量、水平位移量，但绝对值较小，在可控范围之内，对构筑物的影响甚微，钟楼处于稳定安全状态。
3.钟楼的沉降监测与倾斜监测成果分析，在地铁修建之初对该文物采取的保护措施较为有效，在地铁运行期间，对文物的影响甚微，符合设计之初的构想，达到了监测目的。
参考文献：
[1]雷永生.西安地铁二号线下穿城墙及钟楼保护措施研究[J].岩土力学，2010（1）：223-236.
[2]包欢.大型建筑物实时形变监测系统理论及应用研究[D].解放军信息工程大学，2009，4.
[3]钟楼监测技术报告[R].机械工业勘察设计研究院，2012，9.
作者单位：陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南