地鐵盾構隧道下穿古城墻變形規律預測與施工安全防控技術

曹 振 張 寧，3 楊 鋒

（1.西安市地下鐵道有限責任公司，710018，西安；2.中鐵十五局集團有限公司，200070，上海；3.西安科技大學，710054，西安∥第一作者，高級工程師）

1 工程概況

西安市地鐵2號線安遠門至北大街區間隧道下穿西安北門城墻，該處盾構隧道埋深約15.0m。

北門城墻主要包括城門及甕城、城門樓等。甕城南北長為52.5 m，東西寬為48.5 m。城墻頂寬14.5 m，底部寬20 m，高12 m。城墻外圍砌磚圍護，內為夯實填土。城墻下設0.3 m 厚的條石基礎，其下為1 m 厚的灰土墊層，再下為2 m 厚的素填土。城墻外部為散體材料砌筑，內部為夯填土層，內外層之間為不同材料不同時期的構筑物，內外層之間沒有結構上的連接關系。古城墻采用的建筑材料和建筑形式使其對變形特別敏感，地基極小的變形都有可能對其造成永久的破壞。西安城墻的重點保護范圍為明城墻13.7 km 以及4個城門樓，一般保護范圍城墻外側至護城河外沿，城墻內側20 m 內。該區域地表分布有厚薄不均全新統人工填土），其下為上更新統風積）新黃土（局部為飽和軟黃土）及殘積）古土壤，再下為中更新統風積（）老黃土、沖積）粉質黏土、粉土、細砂及中砂等。在該區間段的地下水主要賦存于中、上更新統黃土、古土壤及粉質黏土中的砂土、粉土夾層中，含水層的厚度大于50 m，地下水埋深為7.5～8.5 m。

北門城墻與地鐵隧道的關系平面圖如圖1所示。

1.1 盾構下穿古城墻的兩種可采用的施工方法

地鐵盾構下穿古城墻施工過程中，基礎變形是最嚴重的施工災害。如果采用常規的盾構施工方案將引起很大的施工變形，無法保證施工過程中古城墻安全，因此需要優化施工方案。

利用FLAC 軟件計算預測盾構下穿古城墻施工變形規律時，分2種不同的工法計算盾構下穿城墻施工引起的古城墻變形，并進行對比分析，說明古城墻在2種不同工況下的變形特性，以確定合理的施工方案，保證古城墻的安全。

工法一：采用常規的施工方法。即根據正常的盾構施工參數、土倉壓力、注漿量等參數施工，并進行地表沉降監測、城墻沉降監測和傾斜監測。

圖1 地鐵隧道與北門城墻平面關系圖

工法二：采用盾構施工前預加固法。在距城墻兩側5 m 位置處采用直徑為1.0m、樁距為1.4 m 的鉆孔灌注樁進行加固，樁間采用冠梁連接；對城墻門洞采用鋼拱架進行加固。加固后再進行盾構施工，并進行地表沉降監測、城墻沉降監測和傾斜監測。

1.2 盾構下穿城墻施工應急預案

在穿越過程中一旦出現不可預見因素而引起基礎沉降、傾斜超過預警值，采取如下應急預案：

在距城墻2 m 位置采用注漿方案，具體施工參數如下：用鉆機鉆Φ130 mm 孔，埋設直徑Φ108 mm、壁厚5 mm 的無縫鋼管，由1排豎直管，2排斜管組成，沿古城墻走向，間距為1 m，呈梅花形布置，橫向間距0.5 m。插入角度為分別為30°、60°、90°，長度根據實際情況來確定，漿液采用雙液注漿（水泥、水玻璃漿液）。

2 盾構下穿古城墻施工FLAC3D建模

2.1 盾構下穿城墻施工模擬區域簡化

該區間段地鐵隧道以R＝400 m 下穿北門城墻，然后繼續以R＝400 m 的半徑旁穿城墻，地鐵隧道下穿區域部分城墻基礎的寬度為20 m，根據圣維南原理可知，盾構下穿城墻區域長度與繞行半徑比值很小，故可將曲線段簡化為直線。

2.2 盾構下穿城墻FLAC3D模型與單元劃分

從圖2可知，該模擬區域為對稱模型，現選取右半部分作為模擬對象，進行FLAC3D 建模。經現場調查可知，城墻上有游客，地表道路上有車輛運行，故在城墻表面處施加5 kN／m2，地表處施加20 kN／m2，該模型共有70 936個單元、78 699個節點。

2.3 盾構下穿城墻FLAC3D計算參數

根據該區間段的巖土工程勘察報告，經換算可得到FLAC3D模型計算所需的參數如表1及表2所示。

圖2 盾構下穿北門城墻FLAC3D 模型圖

表1 盾構下穿城墻FLAC3D模擬計算參數表

表2 盾構下穿城墻FLAC3D模擬管片、等代層計算參數表

3 盾構下穿城墻施工變形規律FLAC3D預測結果

為了分析2種不同工況下盾構下穿引起的地表及城墻情況，現選取典型斷面的位移云圖及位移曲線進行對比分析。

3.1 地表變形對比分析

沿Y＝10 m 處位移云圖及位移曲線對比圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 2種不同工況下沿Y＝10 m 處位移云圖對比圖

對圖3a）和b）進行對比分析可知，工況一條件下進行施工時，施工后隧道拱頂的最大沉降值為88.5 mm，隧道拱底的最大隆起值為47.04 mm；而采用工況二進行施工時，隧道拱頂的最大沉降值為18.95 mm，隧道拱底的最大隆起值為13.02 mm。采用工況二進行施工時，隧道周圍的地層位移量明顯減小，隧道上方的地表地層位移量也明顯減小。

圖4 2種不同工況下沿Y＝10 m 處位移曲線對比圖

從圖4的2種不同工況下位移曲線對比來看，工況二施工后的地表沉降槽寬度明顯小于工況一施工后的地表沉降槽寬度。同時工況一施工后地表的最大沉降值位于隧道軸線正上方，最大沉降值為34.70 mm，在隧道軸線±15 m 范圍內地表的沉降值均超過了其變形允許值（10 mm）；而采用工況二進行施工時，地表最大沉降值為6.89 mm，地表最大變形值均在變形允許范圍之內。

3.2 城墻變形對比分析

為了研究盾構下穿城墻施工盾構對城墻的變形影響，現對2種不同工況下盾構施工對城門洞中間平面處位移云圖及位移曲線進行對比分析。現選取以下典型斷面處的位移云圖及沉降監測曲線進行對比。沿Y＝35m 處城墻位移云圖對比圖如圖5所示，位移曲線對比圖如圖6所示。

對圖5分析可得，由圖5a）可知，工況一條件下施工后該斷面城墻最大變形量為11.75 mm，東邊城門洞周圍區域的變形量最大，該區域及西邊城門洞的變形量均超出了10 mm。對圖5b）分析可知，在工況二條件下施工時，施工后該斷面的城墻最大變形量為3.95 mm，變形量均小于10 mm。

圖5 2種不同工況下沿Y＝35 m 處城墻位移云圖對比圖

圖6 兩種不同工況下沿Y＝35 m 處位移曲線對比圖

從圖6中位移曲線來看，工況一條件下盾構施工城墻地表最大沉降值為11.53 mm，沿X軸方向坐標介于53～67 m 期間的城墻地表沉降值大于10 mm；工況二條件下施工時，城墻地表最大沉降值為3.86 mm，城墻地表變形值均在10 mm 之內。綜上所述，在工況一條件下施工時，城墻部分變形將超出其變形允許值，該條件下施工將導致城墻發生破壞，而在工況二條件下施工時，城墻的變形均在變形允許范圍之內，可保證城墻的安全。

4 盾構下穿古城墻施工災害防控技術

4.1 盾構施工技術措施

（1）嚴格控制土壓力，確保土壓平衡，在土壓平衡狀態下均速通過。

（2）及時注漿減少地層損失，并且嚴格控制同步注漿量和注漿壓力，注入量一般為理論盾尾空隙量的150%～200%。注漿壓力一般稍微大于隧道底部的土壓力。

（3）采用二次注漿輔助施工法，進一步加固因開挖松動的土層，防止松動現象向上擴展。

（4）嚴格控制同步注漿及二次注漿的漿液質量、注漿量、注漿壓力、速度等，防止注漿引起土體隆起。施工過程中在地上地下進行跟蹤監測，并結合反饋數據及時調整施工參數。

（5）盾構掘進前準備支頂加固材料、注漿材料、搶險機具設備、車輛、警戒標識物等備用。

（6）在盾構到達城墻影響范圍前，選擇開挖面自穩性較好的地段對盾構機進行全面檢修，以減少在下穿城墻段停機檢修風險。

（7）在盾構下穿城墻前，對盾構在鄰近區間段的施工參數進行總結分析，確定出合理的盾構施工參數，這些參數主要含：盾構掘進土壓、掘進速度、同步注漿壓力、注漿量等，從而得出盾構下穿古城墻時的最佳通過參數，保證古城墻的安全。

4.2 盾構下穿明城墻基礎變形控制措施

在盾構穿越城墻前在距離城墻兩側5 m 位置打設直徑1 m 鉆孔灌注樁，樁心間距1.4 m，共設204根。樁長分兩種：盾構線路兩側樁長至盾構底下3 m；盾構穿越處樁長至盾構頂1.5 m，樁間采用冠梁連接。在沿左右側門洞腳各預設4排袖閥管，共計88根，沿墻寬方向間距為2 m、外插角5°、管長10 m。此加固方法使城墻基座周圍的土體形成統一整體，不易變形。

4.3 北城門洞的保護措施

為確保下穿施工時城門洞的安全，施工前在門洞內沿門洞輪廓設置一圈I22d工字鋼內支護，縱向間距為1 000 mm；在工字鋼背后貼近門洞壁全斷面鋪設3 mm 厚鋼板，并沿洞門環向設置槽鋼加強縱向聯系，間距為1 000 mm，加強整體穩定。城墻門洞加固方案示意圖如圖7所示。

圖7 城墻門洞加固方案示意圖

4.4 盾構下穿明城墻施工變形監測

（1）在城墻上布置監測點。在城墻腳下兩側埋設位移監測點和在城墻頂上兩側埋設沉降、傾斜監測點，每天設置專人觀測城墻外觀和監測點情況并做好原始記錄。

（2）為了滿足測量精度，選用精密的水準儀及配套的銦鋼尺進行觀測。基準點和沉降點采用國家二等水準測量的技術要求施測，觀測時專人負責，每次觀測線路相同。

（3）監測頻率視施工進度及沉降速度而定，當出現較大或不均勻沉降時應加大監測頻率。

（4）通過監控量測，及時將信息反饋給設計與施工作業面，以采取措施優化盾構施工參數。

（5）變形控制標準：地表變形最大沉降值為15 mm，最大隆起值為5 mm；城墻變形最大沉降值為10 mm，最大隆起值為3 mm；最大傾斜斜率為3‰。

4.5 盾構下穿城墻施工典型斷面現場變形監測與預測對比

為了檢驗盾構下穿城墻施工措施的有效性，在盾構施工過程中對地表及城墻的變形展開監測，并將典型斷面的實測沉降曲線與預測曲線進行對比。

4.5.1 地表沉降變形

地表典型斷面預測沉降曲線與實測沉降曲線對比圖如圖8所示。

對圖9分析可得，從4個地表典型斷面的實測沉降曲線與預測沉降曲線的對比情況來看，預測沉降曲線與實測沉降曲線在趨勢上能較好地吻合，但實測值均比預測值大。因地表有車輛運行，在數值模擬時將地面的車輛荷載按靜載來考慮，而實際上車輛的荷載為動載，動載的作用效果比靜載的作用效果大，故導致實測沉降值比預測沉降值大。從實測的沉降值來看，地表最大變形位于Y＝10 m 斷面處，最大沉降值為11.31 mm，均在地表變形允許范圍之內。Y＝33 m 斷面和Y＝53 m 斷面處在鉆孔灌注樁加固區域范圍內，對城墻基礎起到了隔離作用，這2個監測斷面的沉降值均在變形允許范圍之內。綜合上述分析，預測沉降曲線能與實測沉降曲線較好地吻合，能較好地預測出盾構下穿城墻施工時地表的沉降趨勢。實測沉降值均在其變形允許范圍之內，表明變形控制措施是有效的。

4.5.2 城墻典型斷面沉降變形

城墻典型斷面預測沉降曲線與預測沉降曲線對比圖如圖9所示。

圖8 地表典型斷面預測與實測沉降曲線對比圖

圖9 城墻典型斷面預測與實測沉降曲線對比圖

從圖可知，沿Y＝35 m 斷面處位于城墻上部最南側，沿Y＝51 m 斷面處于城墻上部最北側。從圖中可以看出，預測沉降曲線能較好地和預測沉降曲線相吻合，實測沉降曲線在沿X軸方向坐標介于30～75 m 之間比預測沉降值大，其余部分能較好地吻合。兩斷面中沉降值最大處均位于X＝58 m 附近，即位于兩城門洞的中間處，最大沉降值為4.63 mm，沉降值均在其變形允許值范圍之內。

4.5.3 城墻沿隧道軸線方向沉降

城墻沿隧道軸線方向沉降監測結果如圖10所示。從圖10可知，城墻沿X＝46 m 處位于沿隧道軸線方向城墻上部最外側，距隧道軸線16 m，而X＝40 m 位于距沿隧道軸線方向城墻最東側距離6 m，距離隧道軸線距離22 m。從圖中2個監測斷面的沉降曲線來看，距隧道軸線越近變形越大，城墻距隧道軸線最小距離為16 m，該斷面最大沉降值為1.18 mm，在變形允許范圍之內。證明在距城墻基礎5 m 處采用直徑1.0m、間距1.4 m 的鉆孔灌注樁進行加固，可以有效地減小沉降的沉降變形，保證城墻的安全。

圖10 沿隧道軸線方向城墻沉降監測

4.5.4 城墻傾斜監測

在盾構下穿城墻施工過程中對城墻的傾斜進行監測。根據現場的監測結果可知，城墻沿Y＝35 m斷面處最大傾斜斜率為0.038‰，傾斜斜率較大者主要集中在城門洞附近區域；城墻沿Y＝51 m 斷面處最大傾斜斜率為0.389‰。遠小于其允許傾斜斜率3‰；沿隧道軸線方向的城墻墻體主要是因為盾構施工導致地表沉降變形使城墻墻體產生沿X軸方向的傾斜。盾構施工后距隧道軸線16 m 處城墻斷面的最大傾斜斜率為0.092‰，遠小于其允許傾斜斜率3‰。從傾斜斜率的大小來看，離城門洞距離越遠，城墻墻體的傾斜斜率越小。

綜上所述，在盾構施工前在距城墻基礎5 m 處采用直徑1.0m、間距1.4 m 的鉆孔灌注樁對城墻基礎進行預加固，同時對城門洞采用工字鋼及鋼板進行臨時支護后，在進行盾構下穿北門城墻施工，可以有效地減小城墻基礎及城墻上部結構的沉降變形、傾斜變形，從而保證城墻的安全。

5 結語

本文采用FLAC3D 軟件計算預測了2種不同工況時盾構下穿明城墻施工的城墻變形值。研究結果表明，在未對城墻進行預加固時，城墻變形量將超出了其變形允許值，最終導致其破壞；而采取加固措施后再進行施工可有效地保證城墻變形在允許范圍之內。提出的盾構下穿城墻施工的施工災害防控技術措施及變形控制措施合理可行。目前西安地鐵2號線已經建成并投入試運營，目前運營正常，表明本文的研究成果是可靠的。

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