（交通运输工程专业论文）南京明城墙段深基坑开挖技术及变形特性研究.pdf

中文摘要 城市地下空间开发秘嘉层建筑的建设，产生了大量深基垸工程，其娥攘和深度不断 增加。城市中的深基坑工程一般都处在密集的建筑群中，施工场地狭窄，有些工程的纂 础紧邻已有建筑物或构筑物的基础。南京明城墙是人类建筑宝库中的一份珍贵的遗产， 我们必须很好地保护这些艺术瑰宝。南京明城城墙是世界上现存最长、最完好的古城墙， 南京正在为之申请联合国科教文组织的世器文化遗产项嚣，保护好它有十分重要的意 义。在南京明城墙边这群环境中豹深基坑工程，如果应用瑗有基坑工程的设计理论( 强 度控制殴计) 和常规施工技术已经雉以满足保护基坑周围环境的要求。虽然近年来许多 学者和工程技术人员已经在基坑工程设计的变形控制方面作了很多研究，但在寻找基坑 开挖过程中有关基坑支护结构变形、周围地层位移和邻近明城墙变形三者之间关系的规 律方酝仍然存在很多要解决的问题。 本文从古城墙保护的角度，蓊眼于控制工程施工对古城墙环境的影响。本文将基坑、 支护结构及周边建筑物( 明城墙) 放在一个系统中进行研究。运用工程软件g e o s l o p e ， 对典型明城墙地区工程地质条件下，特殊深基坑工程环境中深基坑开挖的全过程进行了 数傻模拟分橱。模拟分据了邻近明城墙在不同距离的条件下，在涤基坑工程开挖过程中 邻近明城墙的变形、支护结构交形以及基境外地层沉降的发展变化规律，褥到了对鞠城 墙边深基坑工程设计和施工有工程实际意义的一些结论。由于现阶段有关深基坑开挖过 程中近邻明城墙变形的研究较少，本课题的研究成果还将对今后相关的数值模拟分析及 其它磅究具有参考价值。 关键词：深基坑开挖；南京明城墙；数值模拟；变形；沉降 a b s t r a c t a st h ee x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c ea n dt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h r i s e i nu r b a n ，al a r g en u m b e ro fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sh a v ea p p e a r e d1 a t e l y i t ss c a l ea n dd e p t hi n c r e a s ec o n s t a n t l y u r b a nd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sa r e g e n e r a l l ys u r r o u n d e dw i t hd e n s eb u i l d i n g s s ot h e i rw o r k i n gs p a c ei sv e r yn a r r o w ， e s p e c i a l l yw h e nt h e ya r ec l o s et ot h ef o u n d a t i o n so fa d j a c e n tb u i l d i n g so r s t r u c t u r e s n a n j i n ga n c i e n tw a l li sp r e c i o u sc u l t u r a lh e r i t a g eo fh u m a nb e i n g w e s h o u l dp r o t e c tt h e s et r e a s u r ef i n e l y t h ew a l lo fn a n j i n gi st h el o n g e s ta n dm o s t p e r f e c te x i s t i n gw a l li nt h ew o r l d n a n j i n gi sa p p l y i n gf o rh e r i t a g ei t e mo fw o r l d c u l t u r eo fu n o e s 工ti sv e r yi m p o r t a n tt op r o t e c ti t a p p l y i n gt h et r a d i t i o n a l d e s i g nt h e o r y ( s t r e n g t h c o n t r o l l i n gd e s i g n ) a n dr o u t i n ec o n s t r u c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ， t h e r ei sa ni n e v i t a b l ed i f f i c u l t ya b o u tp r o t e c t i n gs u r r o u n d i n gb u i l d i n g so r s t r u c t u r e si nc o n s t r u c t i o n m a n ys c h o l a r s ，e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sh a v ea l r e a d y w o r k e dal o ti nt h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o l l i n gd e s i g no fd e e pf o u n d a t i o n e x c a v a t i o n sr e c e n t y e a r s ，h o w e v e r ，d i f f i c u l t yr e m a i n st ob es o l v e di n c o r r e l a t i o na m o n gt h ed e f o r m a t i o no ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，s o i ld e f o r m a t i o n a r o u n dt h ee x c a v a t i o n sa n dt h ed i s p l a c e m e n t so f a dj a c e n ts t r u c t u r e s d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n s ，b r a c i n gs t r u c t u r e sa n da dj a c e n ts t r u c t u r e sa r e s t u d i e da s a ni n t e g r a t e ds y s t e mi nt h i sp a p e r t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h e t y p i c a ld e e pf o u n d a t i o n e x c a v a t i o nw h i c h i su n d e rt h et y p i c a lg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fn a nj i n ga n c i e n tw a l la r e ai ss i m u l a t e dw i t ht h ea i do fs c a l e s o f t w a r e g e o l o p e s oi st h ee x c a v a t i n gp r o c e s so ft h ed e e pf o u n d a t i o n e x c a v a t i o ni nd i f f e r e n ts u p p o r t s w ef i n dt h el a wo fd i s p l a c e m e n t so fb r a c i n g s t r u c t u r e s ，s u r r o u n d i n gs o i ls e t t l e m e n t s ，d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta n da b s o l u t e s e t t l e m e n t so fa d j a c e n ts t r u c t u r e s t h a tm a ya p p e a ri nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o n b ys t e p s f i n a l l y ， t h ec o n c l u s i o n st h a ta r ev a l u a b l ef o rd e s i g n i n ga n d c o n s t r u c t i o no fd e e pf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n ga r ef o u n d c o n s i d e r i n gt h ea b s e n c e o ft h es t u d ya b o u tt h ed i s p l a c e m e n t so ft h ea d j a c e n ts t r u c t u r e sd u r i n gt h e e x c a v a t i n gp r o c e s so fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n s ， t h er e s u l tc a nb eu s e da s r e f e r e n c ef o rt h ep e l e v a n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ；n a n j i n ga n c i e n tw a l l ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d i s p l a c e m e n t； s e t t l e m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声l 圳魇呈交的学位论文是我个人在导娜指导下进行的谚究工作及墩得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，电不包含为获德东藤大学或其它教育枧构的学位或证书丽使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了落意。 研究生签名： 条j 5 ：五日期：盈丛乒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中誊科学技术信息磋究所、国家霭书馆有权 鬟努本人质送交学位论文豹 复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容穗一致。除在保密期内的僳密论文外，允许论文被查阅帮借舞，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：叠堡纽，导师签名 扫u 譬。q 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 经济的发展和人口的快速增长，迫切需要躺决普遍存在的城市人口膨胀、交通拥挤 等一系列环境瓣题。将街面交通转移到地下，能够j 夫速大量地输送颁客，极大地缓解缄 市的交通拥挤问题，如今，地下工程已日益成为现代化城市交通运输设施的重要组成部 分。而且随着城市的发展，还需要兴建其它许多类型的隧道，例如城市下水管道，通讯 电缆等隧道，这些隧道断面一般不大，多是浅埋暗挖施工。3 由于这些隧道开挖施工中 不可避免地弓| 起纛度不同的坑周土体应力的释放和地下承流动，导致周围造层垃移造成 周围建筑物、地下管线、建筑设施的变形。 近年来，城市地下空间开发和高层建筑的建设，产生了大量深基础工程，其中有许 多工程靠近古城墙甚至需要从古城墙下穿过。当进行这些深基础工程的施工时，虽然许 多工程对施工方案遴 亍了多次论证，尽量注意减少拖工的影购程度，但地下漯基础工程 施工引起的遗面变形葡损坏吉城墙的现象仍时有发生。对于这种环境中的深基坑工程， 应用现有基础工程的设计理论( 强度控制设计) 和常规施工技术已经难以满足保护古城 墙环境的要求。因此为了有效地保护古城墙，必须更加严格地控制这些深基础施工造成 的不利影响，这就要求我们对与古城墙有关的深基础问题以及相关的保护措旌进行专门 豹研究。 另外深基坑开挖、打桩、施工降水、强夯、注浆、各种施工方法的土性改良畎及丽 填，都会对周围土体稳定性造成黧大影响，从而引发附近古城墙的安全问题，这些问题 也需要进步的研究。 我疆的历史文l 七遗产操护磋究兴起于7 0 年代末，8 0 年代初开始重襁这领域。8 0 年代以来，国内建设进入高速发展时期，对予历史文化名藏传统城市建筑环境的更新邪 延续造成了巨大的压力。在许多历史文化城市，传统建筑环境遭到彻底破坏，尤其是7 0 年代北京城墙大规模拆除后，全豳争相效仿。面对历史性城市传统文化风貌的丧失和城 市特色的泯灭，有关专家急切呼吁，“在| 目城熨新改造中，应充分重视城对；中的重要历 史风貌魏带和景臻地带的绦护和控制，突出景观特征和文化两涵。“2 1 困诧，在城市现代 化进展中，如何正确处理保护历史文化名城与现代化建设的关系，保持其民族、地区的 文化特质，使其在城市高速发展中不致失落“自我”，并在适应环境中获得新的升华， 这是我潮当前面临的严峻课题，如何能在历史文物保护与现代城市快速发展两者之间架 起一遴桥梁来，培育离根植予传统文化积自然风土中的现代化城市，是# 常值得探索豹 发展方向。 南京明城墙每年嗷引着数百万中外游人，有着极高的历史遗存价值和社会价值。但 是，由于战争的破坏、自然灾害和城市建设的需要，明城墙的修复与保护已经显得十分 重要。丽且南京市致麻将投资1 6 6 亿元用3 年时间，完成明城墙的修复保护工作。” 随蔫城市建设的需要已有公路和隧遴穿越集庆门、中由门、玄武f 等城壤段，为监如侮 处理好城市建设与城墙的关系，就需要进行系统的研究。 1 1 1 纂坑支护研究现状 关于基坑周围地表的沉降计算，前人撤过些的研究。以下是国内外对基坑支护结 构变形、基坑两边撼层变影强及建筑物变形豹研究现状豹蹙总结： 较有影响的是1 9 6 9 年佩克( p e c k ) 通过工程实测统计得出的一套与土饿及开挖深度 有关的地表沉降估算方法“；日本的道路工程规范中也给出了计算基坑开挖时的地表 沉降方法“3 。 查童三! 三堂婴主兰些堡墨 1 9 9 8 年俞建霖，赵荣欣，龚晓南发表论文软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研 究，文中用有鞭元法首先就软土地基基坑开挖过程中，影铜周围圭也表最大沉降量的几 个因素进行了系统的分析；还分析了基坑被动加固区的深度和宽度变化对基坑变形的影 响。 1 9 9 9 年清华大学的张明聚，宋二祥等，用三维有限元方法对土钉支护下基坑的变形 进行了模拟，其中对基坑外地表沉降规律以及对地层沉降的预测作了一些研究”1 。 1 9 9 9 年，孙钧院士在市区纂坑开挖旌工的环境土工问题一文中通过按环境土力 学学科的原理与上海市近年来广为流行的“时空效应”方法，对基坑问题作分析探讨， 并对土层沉降、变形进行理论预测”。 张尚根、陈志龙、曹继勇，在1 9 9 9 年发表的深基坑周围地表沉降分析中提出了 按正态分布密度函数计算软土地区深基坑开挖中，由支护结构变位引起周围她表沉降值 的公式，同时给出了保护周围环境，减少地表沉降的具体措施。3 。 陈华根、董装鑫1 9 9 9 年，在长春科技大学学报上发表了基坑施工时地面沉降的分 析与估箨，作者对基坑同边地搽沉降益测作了总体性分析。提出用三次样条往葑线拟合 法获得地面沉降函数，然后比较函数的相似性，建立地面沉降网络，由此可求得地面各 点的沉降值，从而克服测点的局限性，达到对基坑周边地匿沉降进行全恧分板的匿的。 1 9 9 9 年刘长文、陈僚凡、李旭东，在考虑空间效应的深基坑周围地表沉降分析 中，采用考虑空间效应的土压力计算公式，结合有限单元法，用正态分布曲线拟合地表 沉降曲线，对深基坑周围地表沉降量进行预测，分拆了空间效应在遴行深基坑周围地表 沉降量计算时的必要性”。 2 0 0 1 年3 月，简艳春在其河海大学硕士学位论文中对软士基坑变形估算及其影响因 素进行趣圩究。作者应用有限元分 厅了一系列软基坑工程典型实例，根据计算结果如实 测值提出了软土蒸坑墙后地表沉降的概化分布曲线。按照地层损失法思路，推导了由支 护墙侧向变形值求解墙后地表沉降的适用公式“。 2 1 年5 月，张莲兹在其成都理工学院搏士学位论文中运用有限差分法模拟了基垸 降水引起的沉降变形时空规律。对降水g l 起的沉降进行了研究，提出了沉降变形的降水 最优化设计概念，该文主要关注的是周围地层的沉降“。 2 0 0 1 年，宰金珉、梅国雄对洎松曲线的特征及蒸在沉降预测中的应用作了研究。“。 在国外，对建筑物变形的研究涉及到很多方面，如在地震作用下，正在开挖的基坑 对近邻建筑物变形的影响“；隧道开挖后对建筑物沉降变形的影响；深基坑开挖后对建 筑物的整接影响研究的少一些，在各辩条 牛下豹深綦坑开挖对支护结构变形麴影响“” 以及对支护结构后地层位移影响的研究较多，数值模拟研究中其主要使用有限元方法 l 1 8 】 基坑变形蠛象：基垅的变形蔻由于基坑内体的挖除，打破了岗瓣土体缀寒的平衡 所造成的。其变形可以分为围护结构变形、基坑底部的隆起以及周围区域地表的沉降与 水平位移三部分。基坑的典型变形形态如图卜1 所示。 长期工程实践豹观测发现，地表沉降主要有两静分布形式，图卜l a 和图卜l b 为三角 形，图l l c 和图1 1 d 为凹槽形。图卜1 a 的情况主要发生在悬储式围护结构；图l 一1 b 发生 在地层软弱而且墙体的八土深度不长时；圈卜1 c 和圈卜1 d 则主要发生在没有良好的支 撵，舔疑困护结构捶入较好土层或露护结构足够长辩。 在基坑开挖过程中周围地表还同时伴随着水平位移，这种水平位移的大小随距基坑 边的距离不同而翼，使得周围的保护对象可能受到水平拉伸或压缩作用。 第一章绪论 霜对霭。1 疆卜1 基坑变形模式嘲 纂坑变形枧理：基境变形包括国护墙的变形、坑底隆超及基坑周围地层移动。基坑 周围地层移动跫基坑工程交形拄翻设计中的首要问题。施毖移动机理包括围护墙的变形 机理和坑底隆起变形机理。 蒸坑开挖过程是基坑开挖碰上卸荷的过程，由于卸荮丽g l 起垅底土体产生以向上为 主的1 立移，同时也弓| 起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平向位移以及因此而产生 的墙外侧土体的位移。可以认为，基坑开挖引起周围地层移动的主爱原因是坑底的土体 隆起和嗣护墙的位移。 坑底土体隆起 坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。在开挖深度不大时， 坑底士体在卸蔼后发生囊壹的弹性隆起。当围护壤底下为潺孔良好的原状土或注浆搬鼷 土体时，围护墙随土体溜弹而抬高。坑底弹性隆越的特征是坑底中部隆起最高，而且坑 底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本不会引起围护墙外侧土体向坑内移 动。醚着开挖深度增麓，基坑内外的露高差不黪增大，当毋挖到定涤度，基坑痰外 土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移 动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的槊性区，并引起地丽 凌跸。 围护墙结构体变形 嗣护墙墙体变形从水平向改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑 开始开挖后，强护壤馒开始受力变形。在基坑内侧卸去原有的土压力时，在壤强侧则受 到主动土压力，丽在坑底的墙内侧则受到全部或部分的被动土压力。由于总是开挖在前， 支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。 挖到设诗坑斌撂高时，壤体最大位移发生在j 竞底殛f l 2 m 处。围护壤的位移使墙体主 动压力区和被动压力区的土体发生位移。墙外侧主动压力隧的土体向坑内水平位移，使 背后土体水平应力减小，以致剪力增大，出现塑性区。而在基坑开挖面以下的墙内侧被 动压力区的主体向坑两水平位移，佼坑赋主体加大水平向应力，以致境底土体剪应力壤 大而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区，而围护墙水平位移 与围护墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围的关系，则可大体示于图1 2 。 从蚕中霹看出，罐体位移量小时，墙倒臻醒最大沉降量约为墙体位移的7 0 或更小，由 于墙体位移小，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护墙处沉降量很小， 沉降范围小于2 倍开挖深度；而当墙体位移量大时，地面最大沉降量就与墙体位移量相 等，& 时墙夕 铡与钵渊，沉降范圈大于4 倍开挖深度。壤体变形不仅使努侧发生地滋 损失而引起地面沉降，而且使墙外侧塑性区扩大，因而增加了墙外土体向坑内的位移和 相应的坑内隆起( 见图卜3 、图卜4 ) 。 东南大学硕上学位论文 一- h r 一一7 j # l 口。= 1 4 s v m “ l 、 曲 b ) 圈卜2 粘性土中基坑围护墙及地表变形情况( 引岛基坑：明鼙手册) a ) 墙体位移，j 、：b ) 嫡体位移大 6 一墙体最大位移；s n 地面最大沉降： 图卜3 加支撑颈应力莓墙体上水平土体应力变化预测( 引自基坑工程手册) 下支撑加预应力之前的t 压力 下支撑加预应力之后的土压力 图卜4 有无及时加支撑预庶力时墒体及地面变形的对比( 引自基坑： 程手册) i 未及时加支撑预应力 i i 一及时加支撑预应力 围护墙结构体的变形与基底隆起是引起基坑附近地表沉陷的主要原因，因此，控制 这三部分的变形量，尤其是减少嗣护墙结梅的水平位移，是保证周围古城墙等建筑物安 全性、保证地下管网及交通道路设施正常使用的熏要措施。 通过对研究现状的总结，可以看出研究主要集中在基坑变形和周围地表降量方面。 下藤慰与这两方疆相关的一些研究成果做下总结： ( 1 ) 开挖结束时周围地表的沉降。稠应理论为地表沉降机理，有关这方面的研究较 多，成果也较多，提出了各种具体形式的计算公式。 ( 2 ) 开挖结束后一段孵闰趱困地表沉降。楣应理论为的国结、流变。成果较少， 蒴 了| d 1 塑二要堕堡 主要是一些经验公式，如刘建航院士提出的时空效应的双曲线方程。 ( 3 ) 优化一些对沉酶有影稠的设计参数。如支护结梅豹刚度、支撑结构雕瘦、支撑 点位霹对沉降的影响，相应理论为结构优化设计。有关这些研究很少。中航勘测院的秦 四清对支撑结构刚度有过定性探讨：对支护结构的刚度和撑点的位置的影响作了一些研 究，有凡种支护结构的优化程序。被动送土体妇猢的彩晌方面浙江大学的壬砍、丽济大 学熊巨华做过数值模拟，有若干结论，但是总的来说研究较少。 ( 4 ) 施工参数度变形的影响。如无支撑暴露、坑底暴鳝时间、支撑的预应力。裁两 种参数的研究在上海地区有一些经验参数，后者在规范中有一些褶关建议。 ( 5 ) 监测报警值。变形总量控制主要是地表的沉降机理方面的研究：变形速率控制主 要涉及到土的圈结和流变，虽然上海等地区已取得一些经验，但仍有德做进一步研究。 综合国内夕 豹研究发现，以前和正在做的主要工作是对基坑支护结构变形和基坑周 围地农沉降的研究，对建筑物变形的研究，主要集中在对其观测数据的处理上，如用灰 色理论等对建筑物沉降发展进往预测等。其研究手段是数德方法和非数值方法的结合。 在特殊工程环境状况下，蒸坑支护缩构、土体和周边吉城墙及其它构筑物之间的共 同作用；古城墙的变形以及在开挖过程中建筑结构的内在反应，现在这些方面的进行的 研究很少。在这种情况下，本文选择了隧道深基坑开挖对近邻古城墙变形影响的研究作 为研究课题。 1 1 2 古城墙的研究现状 正像城堡代表着中世纪遁欧的城市风格，天守阁是近檄基本武家城市城下贬的 标志一样，古老中国的历史城市是以城墙为主要特征的。城墙是历史的产物，它真实施 记载了历史文化的变迁。为了保存人类宝贵的历史文化遗产，还必须制定一些共同遵守 的原则和规章嚣度。1 9 6 4 年在戚尼斯通过的威尼斯宪章( 全稼保护文物建筑及历 史地段的国际宪章) 是保护文物建筑及历史地段的国际原则，是对以前文物保护观点 的总结。它第一次系统地提出了现代文物保护的潺本原则。现在它所倡导的保护原则已 成为谗多学者和国家的共识。 在国外，罗马皇帝哈德理安在罗马占领不列颠期间，命令驻军在公元1 2 2 年一1 3 6 年建成了英国哈德理安墙，东起泰恩河上的纽卡司尔，西迄海索尔威湾，墙宽6 8 英 尺( 1 8 3 2 ，4 4 米) ，赢1 5 英尺( 4 。5 7 米) ，全长7 3 荚翌( 1 1 7 公爨) ，用2 5 0 0 万块整 齐石块垒成。公元一世纪由古罗马人在莱茵河和多瑙河之间修建的德国长城，长5 8 4 公 里，是国外最早修筑的长城。 城壤作为一种防御设施早已有之。从考古发掘来看，早在公元翦1 7 世纪的商伐， 城墙就己存在了。有代表性的是商代中期的郑州商城，该城墙困成长方形，南北边长1 7 0 0 米，东西边长1 8 7 0 米，墙基最宽处3 2 米，现在残留最高5 米，系用黄土采用分段版筑 法逐段夯筑蔼戏，每段3 8 米左右，夯层厚8 1 0 厘米，夯窝密蒙。先用臻型板夯土 筑成城桓主体，内侧又有斜行夯土支撑城墙主体，提高城墙的坚固性。 古代明城墙在它的保存过程中，经历了几百年、甚至千年以上的漫长岁月，经受着 各种各群的破坏，这些破坏爨素主要有弱萃中：一秘是人为的破坏，一种是自然力的破塥。 自然力的破坏，包括物质自然的老化作用，以及风、雨、火、雷、地震、白蚁等的危害， 是古城墙出现裂缝等损坏的主要原因。攀附在城墙上生长的树木等植物，对城墙的自身 稳固危害极大，是酸环城蟪防承层的元豳之一，防水层且被破坯，遇到连日阴藤，墙 内渗水，城墙鼓胀脱皮，就会有坍塌的危险。人为的破坏，使得中阑古代许多优秀的建 筑物遭到损毁。1 9 3 7 年抗战期间，中山门遭日军炮击倒塌，后虽经检修，但随着时光流 遂，城f 1 出现了较为严重的水体渗漏、墙体倾糖卸下錾现象。至今，中由门缝段缄墙e 仍密布着在抗日战争期间的、早以风化的弹孔，瓴至新中国建立以后，人民政府公布了 一系列的文物保护法令，相继成立了管理机构，这种人为的破坏因索，刊基本杜绝。 1 9 2 8 年随着北京一步步地向琥代化缄枣迈遘，北京城翡的去聱存废闯题越发引起争 东南大学硕士学位论义 议。就在“拆城筑路派”和“保护城墙派”相持不下之际，留学美国专攻市政的白教庸 在其所著市政述要( 上海商务印书馆1 9 8 2 年舨) 一书中专设篇j 京城墙改善计 划，系统阐述了自己关于北京城墙在发展现代化城市的背景下如何加以保护和利用的 总体构想。到了5 0 年代，以著名的建筑设讨大师粱思成先生为代表的建筑及城市规划 学者提出了北京城墙保护构想。以城墙为背景豹古城僳护研究驭“乾京城薅豹存凌阔 题”、“南京古城保护”、“西安古城保护”、“平遥古城保护”论文也较多，其中从保护研 究到规划实施都较为成功的个例是已登陆世界历史文化遗产的平遥古城。 南京明城墙作为明代初期建都的产物和象征，对今天南京吉都形象的强化和塑造， 具有无法估餐的、不町替代的突出价值和地位。 围绕着维修和保护南京明城墙，近2 0 年来，圈家和南京市委、市政府缀织有关部f l ， 不仅为保护、维修城壤投入了巨量资金，同时还髑定了一系列的相关法规霸规划。其中 有：南京市人民政府关于保护城墙的通告、南京市文物古迹保护管理方法、南京 市人民政府关于保护城墙的通知、南京文物保护条例、南京城墙保护管理办法咀 及南京明城墙风光带规戈篱。从法律和法规上，为绦护、管理南京明城墙这一历史 文化遗产创造了先决条件。南京明城墙风光带规划分保护与控制规划、开发与利用规划 两大部分。南京明城墙风光带的保护与控制规划的核心，是一套立体的三个层次的保护 体系。借助这套体系，对明城墙现存段落及其周潮的环境实行全方位的、有效的保护与 控制。第一层是城墙的保护，篇二层是环境保护，第三层是景观视野保护。 1 2 本文研究的背景、目的与意义 古城墙是国家i 级保护建筑物，保护古城墙的目的，主要是保存古代劳动人民在建 筑、工程、艺术方西的成就。古代明城墙在它的保存过纛中，经历了几百年、甚至千年 阻+ l 的漫长岁月，经受着各种各样的破坏，这些破坏因素主要有两种：一种是人为的破 坏，一种是自然力的破坏。 以吉建筑学家、考吉学家、文物学家为主的一撬学者从文物的角度，为如何毫不走 样地将吉建筑的全部信息流传下来，进行了长期、大量的研究工作，提出了古建筑维护、 修复理论，并对一批文物建筑进行了实施。从城市规划、城市景观的角度也概括地提出 了许多保护城墙的战略方针。相比之下，从岩土王程方殛，服从予城市援划的要求，如 何受好的，雯太限度地保护城墙的原貌的工作开展的还远远不够。为了更好地保护和建 设好明城墙风光带，改善南京的城市环境、提升城市形象，本文以集庆门隧道基坑工程 为研究背景，隧道深蒺坑工程对瞬城墙驰影响，以及摆关的保护搂慈进行充分的分柝和 研究。 在靠近古城墙的隧道深基础工程施工中，虽然已尽燮注意减少施工的影响程度，但 也下隧道深熬础旋工引起的地援变形焉损坏地谖古城墙现象时有发生。如南京玄武溯隧 道在中央路以东模范马路延长线上的玄武区后大树根街道办处穿越明城墙。该段城墙顶 标高十2 4 3 6 m ，城墙东侧原地面标高+ l o 7 m ，西侧原地耐标高1 6 4 3 m ，为土台，隧道 蕊淄渴设计路面标高十l1 0 m 左右。为如何使隧邀安全穿过缄琏著搜霖城墙的结构和外形 都刁i 发生变化，各级领导和工程技术人员都高度重视。但由于城墙的特殊现状，最后明 城墙还是出现了局部倒塌，不得不拆除明城墙后，再恢复城墙。对于这种特殊环境中的 深基坑工程，如果应用现有基硝工程瓣设诗理论( 强度控镄没嚣) 郄常翘旌王技术已经难 以满足保护古城墙环境的要求。在实际工程中基坑支护结构除满足强度要求外，还应控 制其变形，基坑的设计也应从传统的强度控制转变为变形控制，以免对周边古城墙造成 破坏。 以往人们很少系统地研究上述受施工扰动影响土的工程性质变化及周围建筑特性 的改变。长期以来，人们利用传统的土力学理论与方法，以天然状态的原状土为研究对 象，进行有关物理力学特懂瓣骚究，著将其结莱蹇接用于上述受施工扰动影嚷的体强 幕孽绪论 度、变形与稳定性问题，这显然不符合由施工过程所引起的周围土体的应力状态改变、 结构豹变化、主体的变形、失稳与破坏的发展过程，所以往往造成许多岩土工程的失稳 与破坏，给工程建设与周围建筑带来很大危害。对于古城墙的保护工作，不能单从修缮 一个方面解决，丽应做好可能会造成古城墙破坏的工程等的前期综合预防工作，做到防 患于来然。 1 3 研究思路与技术路线 ( 1 ) 收集大量的明城墙的历史和现状有关资料，进行实地勘查。对典型地段( 玄武 湖、集庆门、中山门) 的明城墙段进行现场勘察，分析城墙纂础、城墙结构情况，对现 存城墙的安全状况进行评价。 ( 2 ) 以南京市集庆门隧道鏊坑工程为研究背景，通过完成该隧道基坑支护工程设 计，对明城墙边的深基坑支护技术进行研究。 ( 3 ) 采用数值模拟方法，应明g e o s l o p e 工程软件，对集庆门隧i 薤基坑附近明城墙 段基坑开挖过程进行模拟，找出开挖过程中支护结构变形对处于不同距离豹明城墙的影 响的规律。 ( 4 ) 对基坑开挖阶段支护结构的位移、应力以及明城罐的沉降遴行实测磷究，并与 理论计算结果谶行比较和分析研究。 ( 5 ) 对明城墙成功的保护措施进行归纳总结，同时也对工程中出现的问题和不足进 行分韦慝。 东南大学硕士学位论文 第二章南京明城墙的调查 南京明城墙的修建，自1 3 6 6 年( 元至正二十六年) 秋八月“改筑应天府城”起至 1 3 8 6 年( 明洪武十九年) 冬十二月“新筑后湖城”止，前后达二十一年之久，其修建工 程大致可分为前后两个阶段。前一阶段自1 3 6 6 年至1 3 7 0 年以改建“应天府城”为主。 改建部分包括对南唐遗留的旧城进行整修、拓宽和加高。后一阶段自1 3 7 1 年( 洪武四 年) 至1 3 8 6 年( 洪武十九年) 以新筑为主，即把原来部分与新建部分连接起来，形成 规模宏大的都城。正因为这座都城存在改建部分与新建部分、前一阶段与后一阶段的区 别，所以在每段城墙存在用料和加固方面，也出现了石砌、砖砌或砖石合砌等各种不同 的情况。在后一阶段中，利用前代( 主要是南宋) 江防要塞城垣加高加厚并沿大小起伏 的丘陵山地扩建都城。 2 1 城墙建造历史 南京明城墙从内到外由宫城、皇城、京城、外郭四重城墙构成。数百年的沧桑，宫 城、皇城、外廓三圈城墙已毁坏殆尽，惟有高大的京城墙，除城门等木构建筑不复存在， 城墙依然屹立。所以，现在通常所称的“南京城墙”、“南京明城墙”即指京城墙。如 2 1 古明城墙图所示。 南京城的修建可以分成四个阶段。第一阶段是在钟山的西南麓新筑皇城和改筑南唐 以来的金陵旧城；第二阶段是自旧城的西北端沿外秦淮河向北筑新城墙直到龙江关( 今 下关) ；第三阶段是建造聚宝、三山、通济各主要城门，以及玄武湖旁城墙和各主要街 道；第四阶段是建造外郭城。 宫城和皇城：迁三山填燕雀 宫城，俗称“紫禁城”，为都城核心，偏于南京京城的东隅，有御河环绕。即今明 故宫一带。13 6 6 年，也就是明朝建国的前两年，朱元璋下令开始兴建皇城和扩建应天府 城。刘伯温等所勘定的宫城位置，虽然位于钟山的“龙头”之前，符合封建迷信的要求， 但是，由于这一带是前湖( 燕雀湖) 的湖身所在，地势十分低洼，朱元璋只好调集几十 万民工来填平此湖。由于填湖需要大量的土石，故南京民间有“迁三山填燕雀”的传说。 经过艰巨的填湖工程，地基问题才算基本解决。为了避免地基下沉，当时曾经采取 了在城墙下部铺垫巨石，以及在宫殿下面打进密集的木桩，并铺砌砖石结构的大型下水 道等措施。然而，到了朱元璋晚年的时候，宫殿地基的下沉现象就很严重。整个皇宫的 地势，显出南高而北低，今午朝门以南一带较高，以北则较低。 明朝的南京宫城，南北长达2 5 公里，东西宽达2 公里，平面呈长方形，坐北朝南， 分前朝三大殿和后廷六宫两部分。在宫城城垣上开筑城门有午门、左掖门、右掖门、东 华门、西华门和玄武门。 皇城是护卫宫城的最近的一道城垣。城垣上开筑城门有洪武门、长安左门、长安右 门、东安门、西安门、北安门。 皇城和宫城以及所囊括的建筑合称为皇宫。皇宫依照礼记五门三殿的旧制，由 外向内依次为洪武门、承天门、端门、午门、奉天门，五门之后为“奉天殿、华盖殿、 谨身殿”三大殿皇城南面的正门叫“洪武门”，在今光华门内稍北处，然后是一 条纵贯南北的宽广御道，称为“千步廊”。御道的东面，分布着吏部、户部、礼部、兵 部和工部等中央高级行政机构( 只有刑部在太平门外) 。御道的西面则是最高的军事机 构“五军都督府”的所在地。御道中部偏北是“外五龙桥”，桥北就是承天门和端 门，今光华门内御道街中段的外五龙桥，还是明代初年的原物，不过桥栏杆是后加的。 承天门和端门相当于北京故宫的天安门和端门，接着就是宫城( 紫禁城) 的正门“午 笙三量塑燮些塑坌塑 门”。午门的主要部分现在还矗立在御道街的北端，俗称为午朝门。此门目前保留有5 个城门洞，只是城楼早已坍毁，仅存石柱础，东、西两座角楼的城基也于早年被拆。门 北还保存有一座“内五龙桥”，是明代的原物。在承天门、端门和午门一线以东，建有 祭把朱元璋祖先的“太庙”；此线以西，还有祭把主宰封建国家命运之神的“社稷坛”。 这同北京故宫天安门的东面有太庙( 今劳动人民文化宫) ，西面有社稷坛( 今中山公园) 的情况是完全一样的。 2 1 古明城墙图 京城：依山形水，形制独特 皇城的外围，还筑有一道都城的城墙以加强防卫。这部分都城的东南角，在通济门 附近与宋元时期的旧金陵城相接。南面的正门叫“正阳门”，就是现在的光华门。从正 阳门经过洪武门、承天门、端门、午门、奉天门和三大殿，一直到北安门，都位于一条 正南北的中轴线上。东面的正门是朝阳门，位于现在中山门的稍南处，与东华门、西华 东南大学砍士学位论文 门和玄津桥( 在今逸仙桥稍南处) 等，也同在一，条正东西的横轴线上。北面的正门是 现在的太平门，当年主宰刑杀大权的“三法司”刑部、都察院和大理寺，就位于太 平门外的玄武湖滨，俗称为“天牢”。 皇城兴修完毕后，朱元璋就着手向北拓宽都城。但是，在开始时他还拿不定主意， 究竟是沿着玄武湖南岸的覆舟山和鸡笼山麓的六朝建康城北墙向西筑呢，还是沿着玄武 湖的西岸向北筑? 从现存的遗迹看来，起先他是倾向于利用建康城北墙向西延伸到鼓楼 和清凉山一带的。因为今鸡鸣寺后俗称为六朝“台城”的一段城墙，已在明代进行过加 固和改筑，并在鸡笼山的北麓中断。如果按照这一方案，明初的都城就只有今城的2 3 大小。事实证明，朱元璋后来废弃了这一方案，而沿湖向北筑城，这可能予更多地考虑 了巩固江防的需要。但是，这个方案的工程量很大，沿线都是山岗丘陵和人烟稀少的地 方。大概是先通过秦淮河的入江孔道，将建筑材料从水路运到汉西门( 今汉中门稍南) 和龙江关一带，再分段兴筑，并且充分利用了沿线的黄土丘陵，以增加城墙的高度。最 后分别自神策门( 今和平门) 向南，自今鸡鸣寺后解放门向北筑“后湖城”，这部分是 利用了六朝时的“十里长堤”，从而完成了“应天府城”的全部工程。 这座作为明代初年都城之用的应天府城，城周长度号称9 6 里，据有关部门实测为 6 7 3 5 华里( 3 3 6 7 6 公里) ，是明清时代我国最大的一座城池。即使与同一时期世界范 围内的大城相比，也是首屈一指的，要超过城周2 9 5 公里的巴黎城。 外郭：黄土丘陵土城头 传说朱元璋造好应天府城以后，就带着他的儿子们登上钟山观察都城的形势。他们 发现宫城离开钟山太近，如在山上架炮，皇宫很容易被击中，而且还有一些重要制高点， 如南面的雨花台和北面的幕府山留在城外，对城防非常不利。于是，朱元璋又于洪武二 十三年( 公元1 3 9 0 年) 下令建造外郭城。 这座外郭城主要是利用应天府城外围的黄土丘陵筑成，只在一些防守薄弱地段加砌 一部分城墙并开设城门1 6 座，所以俗称“土城头”。它的周长号称1 8 0 里，实际上只 有1 2 0 华里( 6 0 公里) 左右，各段砖筑的部分加起来约4 0 华里( 2 0 公里) 左右。 外郭呈菱形，最北城门为观音门、最东为麒麟门、最南为夹岗门，西边的外郭城垣 未合围，留下南北两豁口分别延伸至长江边。 从东郊的麒麟门起，向北经过仙鹤门、姚坊门( 今尧化门) 、观音门、佛宁门、上 元门，直到江边的外金川门；从麒麟门往南，经过沧波门、高桥门、上方门、夹岗门、 凤台门、大小安德门、大小驯象门、江东门和栅栏门，也止于江边，其中外金川门和栅 栏门是晚明所开的。这就是一般所说的南京有“外城门十八”。现在，这座外城已于早 年被毁，但人们仍然使用这些城门的名称来作为当地的地名。 2 2 南京明城墙的现状 城墙现存2 1 3 5 公里，仍然是我国最大的一座砖城，并被定为全国重点文物保护单 位。现存南京明城墙为应天府城即京城，城门计有1 3 座，水关两座。城墙上还有垛口 1 3 6 1 6 个，窝铺2 0 0 座，以供军事防守之用。在城的中央还建有钟楼和鼓楼。如图2 2 现存明城墙图所示。 这1 3 座城门的上部，都建有高耸的城楼，而以聚宝门最为雄伟。聚宝、三山和通 济三座城门各有城墙四道，每两道之间的空间称为“瓮城”，可作为战时的防守之用。 聚宝门是这些城门中最坚固的一个，城楼以下部分基本保存完整，而且有所谓“藏军 洞”的特殊设施。“藏军洞”实际上就是里端封闭的砖券门洞，在战时可供兵士休息和 用来存放军事物资。这种“藏军洞”在聚宝门最南一道的城墙上计有两层共1 3 个，左 右两侧的城墙下部又各有7 个，加起来有2 7 个。据说，每洞可容纳兵士1 0 0 人以上， 共可藏兵达3 0 0 0 人以上。这种设施在我国古代的其他大城中是极为少见的。每座城门 都有内外两道门，外面一道是从城头上放下来的“千斤闸”，具有坚固的防御作用；里 第二覃明城墙的介绍 面一道则是木质再加铁皮做成的两扇大门。在平时，行人车马都从城门洞里通过。 南京明城墙的防、排水系统科学适用，功能包括城垣自身防、排水和对城区的防、 排水两部分。城墙填层上部，采用桐油、石灰、黄土拌合的灰浆封顶夯实，厚约1 2 米，在其上面和沿墙体两侧直至墙根用灰浆砌筑5 1 0 余层城砖；墙体顶面设置了石质 排水明沟，在其明沟约5 0 米距离设置石质出水槽将水排出墙体。城区的防、排水系统， 主要是利用城墙底部设置的水关、涵闸。在秦淮河出、入口处分别建有东水关和西水关， 水关设有闸门3 道，前后2 道为木闸门，中间设铁栅门以防潜水入城之敌。东水关内侧 还设有3 3 座瓮洞，分为3 层( 上面两层为藏兵洞) ，下层( 中洞可通船) 通水。此外，还 设有金川河闸、玄武湖的“通心水坝”( 即武庙闸) 、前湖的半山园闸与琵琶湖的琵琶闸 等多处涵闸。这些涵闸，设有铜、铁管和铜水闸，只能进水不可进人，设计巧妙、结构 合理。 经近年抢救性修复，现在明城墙的完好总长度已经达到2 3 7 4 3 公里。南京市委、 市政府还不惜拨出重金，先后建成了以古城墙为背景、护城河为依托的“月牙湖公园”， 建造了能够传递历史信息的“水西门遗址广场”和以瓮城、城墙为主题的新建筑群体 “汉中门市民休闲广场”等。 图2 2 现存明城墙图 东南大学硕士学位论文 南京城的城墙高度一般在1 4 米到2 1 米之间，城基的宽度为1 4 米左右，顶部的宽 度在4 米到9 米之间。大部分的城墙都先用花岗岩或石灰岩的条石做基础，上面再用大 砖垒砌内外两壁和顶部，内外壁之间常用碎砖、砾石和黄土层层夯实。城墙顶部和内外 两壁的砖缝里，都浇灌一种“夹浆”。这种夹浆用石灰、糯米汁( 或高粱汁) 或再加桐 油掺和而成，凝固后粘着力很强，使城墙能够经久不坏。墙顶用砖铺成地面并砌成“雉 堞”( 指城墙顶部靠外一侧的锯齿状矮墙) ，并有石制的泄水槽以排出雨水。城基部分 每隔一定距离也设有排水