意大利比萨斜塔的纠偏

意大利比萨斜塔的纠偏 1.工程概况 意大利比萨斜塔并非是迪士尼乐园古怪的观光景点，它是建筑史上的瑰宝，是中世纪欧洲最重要的遗迹之一，即使它不倾斜。站立在神奇广场，它是由大教堂(Duomo)、钟塔(斜塔)、洗礼堂和墓地(墓场)四个主要的白色闪光的中世纪建筑物构成的综合建筑的一部分。就广场的其它建筑，钟塔象征着富裕的比萨市市民的自豪和光荣，而它本身是优美的、独特的、迷惑的。1990年，因害怕其安全性，塔对公众关闭。同年，由意大利总理组建多科学委员会来实施塔的稳定措施。这样一个对比萨、对意大利、对世界遗产的手术，其重要性是毫无疑问的。 2. 建筑说明 塔八层，高53.3m，重14,500公吨。塔的砖石地基的直径为19.6m，最大深度5.5m。塔基向南倾斜，与地面成5.5?，第七层在南面突出4.5m 。塔是用柱廊围成一个空心的圆柱体的形式建造的，圆柱体的内表面和外表面用密缝的白色大理石复面，但复面嵌缝的材料是由灰浆和石头构成，发现其中有大量的空隙。在塔的墙内盘绕着螺旋形的楼梯。第二层南边砖石结构的稳定性是问题的关键。 图1 透过塔的垂直剖面 铺底部分由三个独立层构成。A层厚约10m，由10,000年前的浅水区(环礁湖、河流和港湾)沉积的各种软质粉土沉淀物构成。B层由30,000年前沉积的非常软的灵敏海相粘土组成，厚度达40m。此断层横向非常均匀。C层是密实甚深的砂石。A层的地下水位深在1m和2m之间。塔四周甚至是地下的许多钻孔显示由于上面的塔的重量，B层的表面是盆形的。从此现象可推断出塔的平均沉降为2.5m~3.0m，铺底的土壤是非常可压缩的。 3. 建筑历史 塔的建造始于1137年8月，约到1178年工程停止时，已造了四层，完成了1/4。停工的原因不知道，但再继续建造下去，B层的土壤难以承重，塔可能会倒塌。约在1272年，建议继续建造。那时，粘土由于在塔的重压下强固(即使那时还不知道这)。约在1278年，再次停止建造，建筑已造了七层。毫无疑问，如果在此阶段将塔完工，塔会倒塌。约在1360年，铺底的粘土再次强固时，开始钟房的建造。约到1370年完成 — 距开始建造约200年。 另一个重要的历史性细节是:在1838年，建筑师Alessandro della Gherardesca在塔基周围挖了一个走道(Catino)来揭示圆柱柱础和地基台阶是否与原先设想的相同。结果是由于挖掘的地方低于地下水位，在南边有水流入，很显然，在当时塔的倾斜已超过1/4?。1995年发现GherardescA在走道的底下放了一个0.7m厚的混凝土环。 4. 倾斜历史 塔的中心线不是直的 — 它向北弯曲。为了纠正倾斜，曾在每一层用锥形的砖石块来改变塔中心线的弯曲。仔细分析砖石建筑的相对倾斜揭示了塔的倾斜历史。在第一阶段结束时，塔实际上已向北倾斜约1/4?，然后随着第四层以上的楼层的建造，开始向南移并慢慢增加，以致到1278年，第七层造好后，向南倾斜了约0.6?。1360年开始建造钟房时，已增加到了1.6?。1817年，二位英国建筑师用一铅垂线测量倾斜，那时已经是5?了。这样，钟房的建造对倾斜引起了显著的增加。先进的计算机分析显示在柔软的地毯上的模型砖上直接模拟建造塔，当到达第七层和增加钟房时，倾斜快速增加。它只能造到一定的临界高度， 不能再高，而且要注意的一点是 — 知道倾斜不稳定的现象。它正好在它的临界高度且很容易倒塌。走道的开挖再一次使得塔非常容易倒塌。 从1911年开始的精确的测量结果显示在20世纪期间，塔的倾斜每年都在不可抗拒的增加。从1930年中期，倾斜率成倍增长。1990年，倾斜率相当于每年顶部水平移动约1.5mm，加上一些对塔的干扰也导致了倾斜的明显增加。例如，1934年用灌浆方法来加固地基，结果突然向南移动了约10mm;1970年从低处的砂石中抽地下水，结果使移动增加了约12mm。这些反应确定塔的平衡是多么的敏感，塔的稳定要用怎样细致的方法。 5. 塔的稳定 国际上可接受的珍贵历史遗迹保护惯例要求要保留遗迹的本质特征，以及其历史、和不可思议性。这样，任何对塔的侵害性的介入都要保持在绝对的小，永久性稳定中有支柱或可见的支撑物是不可接受的。任何暂时的稳定措施应是非侵入性的和可逆的。 1993年下半年，通过浇筑在塔基周围可移动的后应力式混凝土环将600t的铅重放在地基的北边使地基暂时稳定。这使倾斜减小了1弧分，更重要的是减小了约10%的倾覆力矩。1995年9月，在企图用临时的土锚来替换难看的铅重结果不成功时，为了控制塔的移动，负载增加到了900t。1992年着手解决砖石问题，在第一个檐口和到第二层的间隔，在塔的周围绑了一些轻微后应力的钢腱。 图2 塔下和塔附近抽土管的位置 找到了一个不显眼只可稍微减小约0.5?倾斜的永久解决方法，但要减小砖石建筑的应力和地基的稳固。假设塔的地基处在不稳定点上，而且南边的土地稍微地动一下就可能会引起倒塌，委员会进行了激烈的讨论，可还是找不到一个直截了当减小倾斜的方法。这些用井点降水、用电渗透法强固踏北土层和用地锚加载石板压在塔北周围土层等等，没有一个是满意的。 6. 抽土研究 一种已知的抽土方法逐渐形成，这要在地基的北边的附近区域和地下安装一些抽土管。在著名的减小墨西哥城大教堂的破坏性差异沉降中曾成功地使用过此方法。但是用在一个处于倒塌点的塔上则完全又是另一件事情。我们如何能确保抽取高侧地下土而不会对塔造成不稳定,数年前，此方法用物理模型进行了初步研究，然后通过数字模型，最后进行大规模的试验。来自模型研究和数据分析的重要发现是从地基北边1/2半径处有一临界线(即，远离倾斜边)。假设在此线的北边进行地基地下抽土，显示塔的反应是肯定的。但是，如果在此线的南边抽土，它会向南移且变得不稳定，产生的不稳定性首先表现为地基南边沉降加快，接着向南边旋转。此结果是在广场北边洗礼堂直径为7m的偏心负载的试验性地基上进行大规模的抽土试验时得到的。最初是强调测量倾斜的变化，而不是绝对沉降。从临界线南边抽土会导致过分的钻探，使南边跟着试验性地基向南旋转，沉降加快。这花了6周时间来重新得到试验性地基的稳定，得到了一个有益的教训。 大规模试验的主要目的是提高抽土的钻探技术。开发的钻头是一个直径为180mm的反转的套筒，内装空茎的连续螺旋推进器(或者是阿基米德螺旋桨)。当钻杆退出形成一个洞穴，空茎处的测量探针留在适当的位置测量洞的密合性。试验显示在A层粉土中形成的洞柔和地密合，可在同一位置反复抽取，试验地基可顺利地旋转0.25?，且保持方向控制，即使土壤条件不是很均匀。非常重要的是开发了一个有效决策和执行决策的交流系统。 图3 抽土钻探操作的顺序 7. 初步的抽土 1996年8月，委员会同意从塔下进行限制性抽土，并观察其反应。由于官僚主义和的延误，直到1998年年底才真正开始准备工作。 1998年12月，在塔的第三层连接了一些暂时性的安全防护钢索，向塔北边延伸约100m，穿过两个巨大的A型架顶部的滑轮，用铅重轻轻拉紧。万一塔反向移动时，这些安全防护钢索用由铅垂拉紧来保持塔的稳定。但从没打算真正用它来向北移动塔。 由200mm直径衬套的12个钻孔在有限的6m的宽度上进行初步抽土。中心线向西边偏移1m，这是为了引导西向分量的移动。 引钻器和旋转套逐个在洞内工作，使操作很慢且很笨重，每天最多抽取2次。原先设定的最少减少倾斜20弧秒足够能证明此系统是的确有效的。最初每天只能抽取20升土。 在现场和负责抽土的工程师之间建立通讯控制系统，包括从现场来的每天2次有关塔倾斜和沉降的实时信息的传真。了观察到的反应，并对此作了评语，并提出了下次抽土指示的传真每天由负责工程师签发。 图4 防护钢索 如果塔发生了不好的反应，就采用设置的绿色、琥珀色和红色的触发设定值，这些同时也包含倾斜和沉降变化率和大小。为了避免超过严格的要求和错误的警报，对塔移动约6年的记录作了仔细的分析后设置了触发设定值。 1999年2月9日，在高度紧张的气氛下开始了第一次抽土。在开始的几天，钻孔朝地基的边缘前进时，塔没有显示出明显的反应，然后慢慢地向南旋转。2月23日，已在南边旋转了约7弧秒，突然在一天内开始朝南旋转2弧秒。仔细检查显示这与南边的沉降无关。结果来自阿尔卑斯山脉的北风和大雪使温度骤降，从以前的记录显示这通常会引起向南有小小的移动。大风过后，温度上升，塔又开始向北移动。这个小插曲说明在抽土期间要一直保持恒定的戒备状态。 图5所示的是初步抽土的结果。当到1999年6月初，向北旋转达到80弧秒，抽土停止。然后继续以递减的比率向北旋转，直到1999年7时，所有移动全部停止，三个嵌垂移除。从图中可以看到两个特性，第一，向西分量转动按计划发生;第二，在抽土期间，地基的南部边缘上升。最满意的是证实了抽土背离临界线，在南边发生了卸载。 图5 初步抽土结果 8.抽全部的土 初步抽土的成功使委员会相信在地基的整个宽度上进行全部抽土是安全的。相应地，在1999年12月和2000年1月之间，安装了间隔为0.5m的41个抽土孔，每个孔装有专用的引钻器和套筒。2000年2月21日开始全面抽土，初步抽土和全面抽土的结果如图6所示。可以看出得到了一个比初步抽土高很多的向北的转动率，如每天抽土约120升，造成每天平均约6弧秒转动。塔有一向东移动的趋势，为了控制这个趋势就必须从西边抽取比东边多20%的土。不管这个趋势的话，可看到塔会以一个相当直的路线向北。同时也让人满意的是地基的南边发生了明显的上升。 图6抽取全部土的结果 到2000年5月底，开始逐渐地移走铅锭。开始是每周2个(约18t)，2000年9月增加到每周3个，2000年10月是每周4个。取走铅锭，倾覆显著增加，但抽土继续有效地进行。 图7 钻具和41个抽土管 2001年1月16日，最后一个从后应力混凝土环中取出，接下去只是进行限定土的抽取。在2月中旬，混凝土块本身也移去。3月初，开始逐渐移去引钻器和套筒。孔用膨润土泥浆填满。最后，在5月中旬，从塔上拆除防护钢索，产生了几弧秒的向南移动。反制这个倾向，进行最后的抽土，抽取另外的少量土。2001年6月6日除去引钻器——这天塔解除了戒备看护。 图8 2001年1月16日，最后一个铅锭取走 图9 走道钻孔插入加强钢棒紧系砖石地基和 老的混凝土环 另外，为了塔倾斜减小0.5?，在砖石建筑的最高压应力部位进行了有限的加固工作，包括在大石块的空隙处灌浆，使用不锈钢加强筋加固覆盖砖面外覆层有向外弯曲危险的地方，第一个檐口和第二层楼周围环绕的钢腱用较少的嵌入在树胶的预应力钢丝替换，由Gherardesca在1838年放置在走道底部的很老的混凝土环用不锈钢加强件与塔地基牢固地相连，并用环向的后应力加固。这样，地基的有效区域明显地增加了。 9.回到将来 减小倾斜0.5?的目标，大致的观察是看不出来的，但充分地稳定了地基，明显减小了砖石地基的应力。2001年12月记录的时候，共减小了1830弧秒(包括铅垂的影响)。这个在倾斜上的减小量相当于第七层向北水平推动了约442mm。现在塔回到了1380年Gherardesca挖走道时塔突然向南倾前的状态。 一个明显的问题是这塔将来会怎样,有二种情景，一种是悲观的情景，塔将会保持一段时间的稳定，接着是以一个较小速率继续向南转动。对于这个情景，对地基再次干预之前会保持300年。另一个是乐观的情景，塔将停止继续转动，除了由于季节而引起地下水位的变动而产生较小的周期性移动外，沉降差异的影响也会对整个比广场有影响，在塔上会有反应。 10.结论 已证实比萨塔的稳定对土木工程师是一个巨大的艰难的挑战。塔建造在薄弱的高可压缩性的土层上，且倾斜年复一年不可抗拒地增加，快达到一个不稳定的倾斜状态。对南边土地有任何的扰动是非常危险的，这就排除了常规的岩土工程的处理，如加固地基和灌浆。而且砖石高度受压，有倒塌的危险。比萨塔是世界闻名的且是珍贵的，国际上公认的保护珍贵历史遗迹的惯例要求保留塔原有的特性、历史、工艺和迷惑性。因此对塔的侵入或可见的干扰要保持在绝对的小。 已证实抽土是一个增加塔稳定性极为柔和的方法，又完全符合建筑保护要求。其实施要求先进的计算机模型、大规模的发展试验、卓越的连续监测的水平和每天的通讯和控制等。2001年6月16日，把塔交回市政当局时举行了一个正式的仪式。2001年12月15日，塔正式向公众开放。 图10 移交仪式时的庆典 图11 2001年1月16日拍摄 的塔的照片