西安地鐵4號線盾構下穿古城墻保護技術措施研究

朱啟東+文保軍+王 磊+鄒 鑫

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西安地鐵4號線盾構下穿古城墻保護技術措施研究

朱啟東+文保軍+王 磊+鄒 鑫

摘 要：以西安地鐵4號線盾構隧道下穿和平門城墻工程為背景，通過對以往西安地鐵下穿城墻成功經驗總結，利用有限元軟件建立三維空間模型，對地層、古城墻沉降進行有限元模擬分析，預判出古城墻及附近地面的沉降值，制定出城墻加固措施和保護方案。施工過程中沉降監測數據表明，模擬分析結果符合盾構施工期間地層和城墻沉降的基本規律，采取的技術措施和設計方案科學合理，可作為今后類似工程的參考。

關鍵詞：盾構下穿古城墻；數值模擬；保護措施中圖分類號：U452

朱啟東：中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，工學碩士，工程師，陜西西安710054

1　工程概況

西安地鐵4號線盾構隧道下穿古城門和平門，和平門區段范圍內城墻高約12 m，頂寬15 m，底寬18 m，城墻基礎采用埋深2 m 磚砌條形基礎，古城墻結構形式為夯筑芯墻+外包磚，隧道埋深為18.2 m，拱頂到城墻基底最小凈距約16.2 m。盾構隧道穿越的地層是西安地區常見的古土壤、老黃土及粉質粘土層。為確保施工期間古城墻的安全，采用對地面沉降控制較好的盾構法施工，盾構隧道斷面為圓形結構。盾構施工期間在城墻范圍地表最大沉降量控制標準為 +5～-15 mm，局部傾斜控制標準為1‰，如圖1、圖2所示。

圖1　和平門門洞

圖2　隧道下穿和平門門洞及城墻平面位置關系圖

2　有限元模型及參數

2.1有限元模型

盾構隧道下穿和平門城墻施工時將會導致地層位移，從而引起城墻變形和應力變化。利用 MIDAS GTS有限元軟件建立地層-結構三維空間模型，考察盾構下穿施工對城墻的影響情況。三維有限元空間模型如圖3所示，模型寬100 m，高35.2 m，隧道埋深18 m，線間距28 m，為了減小邊界效應的影響，左右邊界取為32 m，約5倍洞徑。

圖3　城墻地層三維有限元模型

對城墻的模擬主要包括城墻夯土、城墻磚、門洞中隔墻、門洞基礎、門洞拱結構等方面。

（1）城墻磚模擬。城墻磚位于城墻外表面，此處采用板單元模擬，如圖4所示。

圖4　城墻磚模擬單元

（2）城墻夯土模擬。城墻夯土為城墻的主體，位于兩側城墻磚之間，城墻夯土自重荷載是盾構掘進過程中最主要的地表超載，對盾構掘進控制有著重要影響，此處采用實體單元模擬，如圖5所示。

圖5　城墻夯土模擬單元

（3）門洞拱結構及中隔墻模擬。門洞拱結構上的荷載來自城墻自身，模型中采用三維板單元來模擬門洞拱結構。中隔墻的主要作用在于將門洞拱結構承受的荷載通過中隔墻下方的樁基礎分散到地層中去，模型中采用三維實體單元來模擬，如圖6所示。

圖6　門洞拱及中隔墻模擬單元

（4）城墻基礎的模擬。調查表明，門洞隔墻下方基礎為磚砌條形基礎，條形基礎加固地層的作用主要體現為群體效應，故采用整體模擬的方法來代替城墻基礎的模擬，如圖7所示。模型中采用實體單元來整體模擬城墻基礎加固地層效應。

圖7　中隔墻基礎模擬單元

2.2計算參數

選取西安地鐵4號線和平門—大差市站區間YDK14+768.374處進行三維有限元分析，地層土性參數見表1。

3　有限元模擬計算結果分析

3.1計算工況及計算點選取

3.1.1計算工況

根據盾構機的不同位置，本次研究共考慮了左線隧道貫通（工況1）和雙線隧道貫通（工況2）2種工況，見圖8。

表1　地層土性參數表

圖8　計算工況

3.1.2計算點選取

依據盾構施工中監測控制點的布置原則，選取較為關鍵的盾構隧道正上方地表處及城墻基礎處作為沉降計算點。城墻基礎沉降計算點5個 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ（其中Ⅰ、Ⅱ 兩點位于左線隧道上方左右兩側，Ⅳ、Ⅴ兩點位于右線隧道上方左右兩側）；地表沉降計算點2個 Ⅵ、Ⅶ，見圖9。

圖9　計算點布置示意圖

3.2計算工況1

3.2.1地表及地層沉降

在工況1條件下，左線盾構隧道完全貫通，地表及地層沉降的分布情況如圖10所示。可以看出，由于左線盾構隧道的施工，地層的沉降從地表到隧道頂部是逐漸增大的，在隧道頂部達到最大37.0 mm；左線隧道上方地表 Ⅵ 點處最大沉降8.8 mm，右線隧道上方地表 Ⅶ 點處最大沉降1.2 mm，沉降主要發生在左線上方。

圖10　工況1地表及地層沉降分布（單位：m）

3.2.2城墻基礎沉降

圖11　工況1城墻基礎沉降云圖（單位：m）

城墻基礎沉降的分布情況如圖11所示。可以看出，淺基礎的城墻受到盾構隧道施工影響明顯，城墻基礎沉降點Ⅰ點處最大沉降3.9 mm ，Ⅱ點處最大沉降5.2 mm，Ⅲ點處最大沉降5.2 mm，Ⅳ點處最大沉降3.6 mm、Ⅴ點處最大沉降小于1.0 mm。城墻基礎最大沉降Ⅱ點處沿隧道縱向城墻基礎最大局部傾斜率約0.52‰。

3.3計算工況2

3.3.1地表及地層沉降

在工況2情況下，左右隧道全部貫通，地表及地層沉降的分布情況如圖12所示。可以看出，受到右線盾構隧道二次施工的影響，及2條隧道線間距較大，地層橫斷面上引起了一個“W”型沉降槽，左右隧道上方地層沉降也是由地表到隧道頂部逐漸增大，左線隧道頂地層沉降37.0 mm，右線隧道頂地層沉降37.2 mm。左線隧道上方地表Ⅵ點處最大沉降9.2 mm，右線隧道上方地表Ⅶ點處最大沉降9.5 mm，可見工況2左右隧道全部貫通情況下，右線隧道上方的地表沉降大于左線隧道上方地表沉降。

圖12　工況2地表及地層沉降分布（單位：m）

3.3.2城墻基礎沉降

城墻基礎沉降的分布情況如圖13所示。可以看出，淺基礎的城墻受到盾構隧道施工影響明顯，城墻基礎Ⅰ點處最大沉降5.4 mm，Ⅱ點處最大沉降7.7 mm，Ⅲ點處最大沉降8.7 mm，Ⅳ點處最大沉降7.3 mm，Ⅴ點處最大沉降4.1 mm。城墻基礎最大沉降點Ⅲ點處沿隧道縱向城墻基礎最大局部傾斜率約0.87‰。

圖13　工況2城墻基礎沉降云圖（單位：m）

4　加固方案及沉降監測

參照西安地鐵已施工線路穿越文物段加固保護措施，綜合考慮到和平門城墻結構形式、隧道埋深、地層分布等邊界條件，并結合有限元模擬計算結果，采用門洞基礎下方預埋袖閥管，跟蹤注漿的保護措施，同時，在門洞內側增加設置型鋼拱架支撐的保護措施。

4.1和平門城墻加固措施

4.1.1型鋼支護

為了防止由于意外原因導致城墻門洞坍塌，同時考慮到經濟性和不破壞城墻門洞原狀，較好地保護文物景觀和城墻本體，采用門洞內側增加設置型鋼拱架支撐的保護措施，如圖14所示。

圖14　門洞內側型鋼拱架支撐保護措施

4.1.2袖閥管地層加固

盾構機通過前，在地表城墻門洞基礎周邊布置2排袖閥管，間距1.0 m×1.0 m，加固范圍為地面下3～11 m地層。盾構機通過時根據監測情況可進行補償注漿，控制城墻沉降保證安全，如圖15所示。

圖15　袖閥管地層加固

4.2施工沉降監測

西安地鐵4號線左、右線盾構隧道于2015年6月～10月完成和平門城墻段下穿，根據西安市地鐵4號線試驗段“第三方監測項目 D4JCFW-1標段監測成果報告”，施工過程中城墻沉降監測點共設20處，其中沉降最大為7.2 mm，局部傾斜最大為0.72‰；和平門城墻段地表沉降監測點共設30處，其中最大地表沉降為10.4 mm。實際城墻沉降和地表沉降趨勢與理論計算一致，城門門洞和城墻均未出現裂縫等破損現象，保護良好。

5　結論與建議

（1）西安地鐵4號線盾構隧道下穿和平門段城墻設計、施工中采用的有限元模擬分析符合盾構施工期間地層和城墻沉降規律，模擬分析和監測結果均表明，地面沉降最大值均小于15 mm 的標準要求，城墻基礎局部傾斜均小于1‰ 的標準要求，滿足西安地鐵城墻保護沉降控制標準，說明有限元模擬分析及采取的加固措施有效地保證了古城墻（門）的安全；

（2）現場施工監測發現，盾構隧道施工中控制好土倉壓力、掘進速度等參數，及時有效地采取同步注漿和二次注漿是控制土體變形的重要技術措施；

（3）建議盾構機掘進中土倉壓力控制在0.2 MPa 以內，掘進速度控制在30 mm/min 以內，二次注漿壓力控制在0.25 MPa 以內，以避免盾構下穿施工時引起過大沉降。

參考文獻

［1］ 李寧，顧強康，朱才輝，等. 西安地鐵二號線下穿城墻段地表沉降控制標準研究［J］. 巖土力學與工程學報，2009，28（增2）：3753-3761.

［2］ 康佐，王軍琪，鄧國華，等. 西安地鐵一號線盾構隧道下穿朝陽門段城墻沉降數值模擬分析［J］. 隧道建設，2015，35（1）：9-15.

［3］ 雷永生. 西安地鐵二號線下穿城墻及鐘樓保護措施研究［J］. 巖土力學，2010，31（1）：223-236.

［4］ 馮超，王喆，潘娜娜. 地鐵隧道施工過古城墻的地表變形及控制措施［J］. 現代隧道技術，2011，48（4）：143-147.

［5］ 朱才輝，李寧. 西安地鐵施工誘發地表沉降及對城墻的影響［J］. 巖土力學，2011，32（增1）：538-544.

責任編輯 朱開明

Study on Protection Technology of Xi'an Metro Line4Under-Passing Ancient City Wall

Zhu Qidong, Wen Baojun, Wang Lei, et al.

Abstract:Taking Xi'an metro line4shield tunneling under-passing the Hepingmen wall engineering as an example, based on the successful experience and summary of Xi'an metro under-passing ancient wall, the paper uses fi nite element software and establishes three-dimensional space model. On the formation and ancient city wall settlement are simulated by finite element analyzed, predicting the ancient city wall and near the ground surface sedimentation value, developing strengthening measures and protection scheme for the walls. In the process of construction settlement monitoring, the data shows that simulation results are following the basic pattern of settlement of city wall during shield construction formation. The technical measures taken and design schemes used are scientifi cally rational and can be used references for future similar projects.

Keywords:shield tunneling under-passing ancient city wall, numerical simulation, protection measures

收稿日期2015-12-16