文物医院基坑开挖阶段邻近城墙沉降监测分析

张 南

（故宫博物院，北京 100009）

0 引言

紫禁城的城墙始建于明永乐十八年（1420 年），是我国历史上现存规模最大、保存最完整的皇家宫殿城墙，蕴含着丰富的历史、文化、军事信息，具有重要的考古、科学价值。近年来，故宫城墙出现大量鼓胀、裂缝、不均匀沉降等变形现象，西华门以北 200 m 处城墙的墙面曾发生较大面积的坍塌，给城墙保护敲响了警钟［1，2］。为了保护故宫城墙，目前许多学者对降雨导致城墙坍塌破坏进行了诸多研究，周乾［3］研究表明土体渗水导致城墙墙面局部下沉，周长东等人［4］的研究表明降雨强度对城墙的水平位移有很大的影响，李兵等人［5］研究了无损检测方法在城墙病害调查中的应用。

为了改善了故宫文物修复工作环境，提高了安防、技防条件，在故宫西河沿区域建设了文物医院。由于文物医院建设期间基坑开挖距离西侧古城墙较近，而且基坑开挖需要进行基坑侧壁支护和降水等措施，将会影响到古城墙安全。为了探究基坑开挖过程中故宫城墙的变形规律，通过沉降观测，取得精确可靠的沉降数据，真实地反映古城墙的沉降情况，为类似工程的监测及城墙类文物保护提供参考。

1 工程概况

1.1 文物医院项目概况

文物医院位于故宫博物院院内西北角，北邻城隍庙、南邻第一历史档案馆、西邻故宫西城墙，东临寿康宫、寿安宫西红墙。南北长约 390 m，东西宽 35 m，呈条带状南北向分布，共两层，其中实验室、修复室等布置在地上一层，档案库房、摄影室等布置在地下一层。项目用地毗邻城墙东侧，建筑物距城墙约 6 m，考虑到工程施工需要进行基坑侧壁支护和降水等措施，会影响到古城墙安全，在施工前及施工过程中，需随时关注城墙的稳固状态。所需监测城墙位于故宫博物院西北侧，即自西华门至西北角楼段城墙，长度约 400 m，上宽约 6 m，下宽约 8 m，城墙高度约 10 m。

1.2 工程地质与水文地质条件

项目用地范围内地形基本平坦，受古河流冲洪积扇影响，各地层交互沉积，场区第四系覆盖层厚度＞50 m。地面以下 10 m 范围内为填土、粉土及黏土，地面下 10～35 m 范围为卵砾石，其间夹土层的透镜体，35 m 以下为粉土及黏土。

项目用地范围内地下水类型为上层滞水，补给来源为大气降水和管线渗漏，以蒸发及径流为主要排泄方式。据水位观测资料，该场区 1959 年丰水期最高地下水位接近自然地表，标高约 45 m。参照近几年在该场地附近的勘察及施工资料，该场地近 3～5 年最高潜水水位埋深约 7 m，标高约 38 m。

1.3 基坑开挖概况

故宫西城墙基础埋深较深，且内侧地面下存在外扩的青砖及石板文物，考虑以上因素，基坑开挖基础埋深为 7.9 m。对于基坑周边地面，进行了路面硬化、排水处理，对漏水管沟采取封堵、疏排措施，严禁施工生活用水、雨水和管沟漏水渗入到基坑周边土体中。

2 城墙监测方案

2.1 监测方法

通过城墙基础东西立面沉降监测、城墙顶部水平位移、城墙东立面位移可以表述出城墙变形情况，具体原理如图1 所示。近景摄影测量和三维激光扫描法多应用于古建筑物的建模与测绘方面［6］，鉴于本次为高精度变形监测、高频率数据采集的特征，根据现场勘察，认为此两种方法的测量精度和监测频率均无法达到预期要求，因此，参照原理示意图的点位布设，采用实时在线监测与人工监测相结合的监测方案，监测数据指标控制标准如表1 所示。人工监测的方法不仅可以校验在线监测项目监测点位的变形信息数据的真实性、准确性，避免因系统误差等原因引起监测值无法真实反映变形的情况，还可以预防在线监测系统因其他因素导致采集数据异常的情况发生。人工监测过程中同时可以完成现场巡视的工作，一方面有利于检查各种监测点的稳固情况，另一方面从测量专业角度审视现场可能出现的险情，保护古城墙等建筑，及时作出调整等。

表1 仪器精度要求一览表

图1 城墙监测原理示意图

针对监测方案中涉及到的基准点、监测点的埋设，结合文物保护方面的要求，以最大程度不损坏文物为前提，以粘贴观测标志为主要方式的工作原则进行布设，达到对文物的最小损害。城墙顶部采用实时在线监测也可以减少对城墙顶部的踩踏等。

2.2 监测系统的建立

1）实时在线监测系统的建立。根据监测内容、监测手段及监测精度等相关要求，在城墙基础东西立面底部布设静力水准仪 30 台，在城墙顶部东西两侧布设在线式单轴倾斜仪 30 台。静力水准仪完成城墙基础差异沉降数据采集，倾斜仪完成城墙顶部水位位移数据采集。位置如图1 所示。

坐标及高程系统均采用独立坐标系。在线监测系统的静力水准参考基准点与人工沉降观测基准点采用同一高程基准。

2）人工监测系统的建立。对于城墙基础沉降，在城墙西侧每隔 20 m 分别布设 4 个沉降基准点安装静力水准仪，保证人工常规监测与静力水准仪基准基本一致。定期按往返路线进行基准点之间、某一基准点至建筑物上某一沉降观测点间的往返观测，每次必须进行基准点至沉降观测点点间往返引测，每次必须按照规定的几何图形路线进行沉降观测点之间的观测。

对于城墙东立面，采用距离差分法进行监测。在城墙顶部、中部及下部分别安装三排自贴式反射片，反射片间隔 20 m，如图2 所示。分别观测每个反射片到基准站距离的变化来监测城墙。利用全站仪直接测量工作基点和反射片监测点间的水平距离，在每一测站上，用正倒镜各测两测回，共 4 测回。每次观测设站在同一位置，观测值为仪器中心到变形监测标志中心的水平距离，将每次监测值与初始值进行比较得监测点水平位移变化量，观测示意图如图2 所示。

图2 反射片安装示意图

3 城墙监测结果分析与建议

3.1 数据收集

通过对故宫西城墙的沉降监测，基础沉降、东立面形变数据收集位置分别取监测两端及中间部位，如图3 所示，可以反映不同测点在基坑开挖期间城墙的变形情况，从而找到变形规律，为基坑开挖过程中对古城墙的安全及保护提供科学依据。

图3 监测数据收集位置示意图

3.2 监测结果分析

1）城墙沉降观测数据分析。城墙基础静力水准仪监测在故宫博物院文物医院基坑开挖期间，设置数据采集间隔为 5 min/次，基坑开挖完成稳定后设置数据采集间隔为 30 min/次，基坑回填完成后设置数据采集间隔为 60 min/次。

基坑开挖期间收集有效数据 145 次，测得城墙东侧累计沉降如图4 所示。1# 测点、2# 测点、3# 测点、4# 测点最大累计沉降量分别为 3.3、6.4、4.4、4.3 mm，最大变化速率为 1.1 mm/d。将实际监测数据与施工进度比较，城墙沉降累计量随着基坑开挖及地下一层的建设逐渐增大，地上一层建设期间达到了峰值，随着基坑回填逐渐放缓且趋于初始水平。人工监测城墙西侧沉降量最大沉降量为-2.7 mm，最小沉降量为 0.7 mm，最大点与最小点间差异沉降量为3.4 mm。

图4 城墙东侧累计沉降曲线

2）城墙东立面形变监测数据分析。基坑开挖期间收集有效数据 95 次，测得城墙东立面形变累计变化量如图5 所示。基坑开挖后，城墙中部 5# 测点、6# 测点、7# 测点、8# 测点最大累计变化量分别为 7.2、3.9、3.7、4.0 mm，最大变化速率为 0.75 mm/d，城墙总平均变化量为向东 3.0 mm。将实际监测数据与施工进度比较，城墙形变累计量随着基坑开挖逐渐增大，地上一层及地下一层建设期间达到了峰值，随着基坑回填逐渐变化放缓且趋于稳定。

图5 城墙东立面累计变化量

3）城墙顶部水平位移监测数据分析。城墙顶部倾角仪监测在故宫博物院文物医院基坑开挖期间，设置数据采集间隔为 5min/次，基坑开挖完成稳定后设置数据采集间隔为 30 min/次，基坑回填完成后设置数据采集间隔为 60 min/次。

基坑开挖期间收集有效数据 110 次，测得城墙顶部水平位移累计变化量如图6 所示。变化量为正时，表示向西侧移动；变化量为负时，表示向东侧移动。可见城墙变化量为向东，累计变化量最大为 9.3 mm。

图6 城墙顶部水平位移变化量

综上所述，文物医院建设期间基坑开挖阶段故宫西城墙的变形均没有超过 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》以及 GB 50479－2009《建筑基坑工程监测技术规范》等有关标准规定的警戒值。通过实际监测数据可知，基坑开挖期间，城墙基础沉降、东立面形变和顶部水平位移的累计变化规律基本一致，均为随着基坑开挖深度的加大而逐渐增大，尤其到了地上一层和地下一层的建设期间累计变化量达到最大，随着基坑回填影响逐渐减小。此外，基坑开挖直接影响到整个施工区域附近城墙的基础沉降及顶部水平位移，对城墙东立面形变的影响主要在施工区域的两端。

3.3 建议

1）为了降低施工过程对邻近城墙本体带来的安全影响，及时掌握城墙在施工过程中的变形特征，因此，在施工过程中必须对邻近城墙类文物进行信息化监测。同时，监测手段和监测点的型式都必须以不损坏文物为前提，遵循“最小干预”原则，采用实时自动监测和人工监测相结合的方式，且测量标志应稳固、安装合理，观测点的布设应做到密度适中，全面、准确反映城墙的整体变形和局部变形。

2）建设项目基坑开挖期间，尤其是在地上地下施工建设阶段，需要采取有效合理的基坑支护手段，加大对邻近城墙类建筑物的保护力度，将施工对城墙沉降及顶部位移影响最小化。此外，要加强施工区域两端附近城墙形变的保护措施，避免因基坑开挖而导致城墙类文物出现较大的形变。另一方面，应当通过反馈的监测信息，及时调整施工方案及文物的保护措施，确保邻近古建筑的安全。

3）在文物保护区监测要根据文物保护的要求，提高文物保护意识，进行文物保护知识方面的教育，树立文物保护的观念，增强保护文物的自觉性和责任感，提高对文物保护重要性的认识，采取有效措施保护文物。制订相关管理措施和方法，在现场作出标志说明，并安排专人负责现场管理，同时，加强现场监督检查。

4 结语

在文物保护区内进行基坑开挖，必须对邻近文物建筑进行信息化监测，并及时反馈，确保施工期间周边文物及古建筑的安全。采取实时自动监测和人工监测相结合的方式，可以准确反映城墙的整体变形和局部变形。随着基坑开挖，城墙基础沉降及局部变形逐渐加大，在地上地下建筑物建设期间达到了顶峰，基坑回填后变化逐渐放缓。而且，基坑开挖直接影响到整个施工区域附近城墙的基础沉降及顶部水平位移，对城墙东立面形变的影响主要在施工区域的两端。为此，需要加大基坑支护等措施的力度，避免基坑开挖期间周边文物建筑受到不良影响。