盾構隧道穿越西安永寧門城墻段的施工加固措施

胡自全 姜雁飛 晁召波

(1.西安市地下鐵道有限責任公司,710018,西安; 2.機械工業勘察設計研究院,710043,西安∥第一作者，工程師)

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盾構隧道穿越西安永寧門城墻段的施工加固措施

胡自全1姜雁飛1晁召波2

(1.西安市地下鐵道有限責任公司,710018,西安; 2.機械工業勘察設計研究院,710043,西安∥第一作者，工程師)

根據西安城墻的結構特點及其工程地質、工程設計和施工工藝情況,確定了西安地鐵二號線穿越西安城墻永寧門段施工加固方案及監測項目。監測數據分析顯示,地鐵施工對城墻永寧門區段的影響在預期的控制范圍內,施工加固措施及監測方案可行,達到了保護文物的目的。

隧道; 盾構法; 監測; 古城墻; 加固

First-author′s address Xi′an Metro Co.,Ltd.,710018,Xi′an,China

西安城墻是明洪武三年(公元1370年)在隋、唐皇城遺址上開始擴建,至明洪武十一年(公元1378年)完工,是我國規模宏大、保存最完整的一座古代城垣建筑之一。西安地鐵2號線工程,北起西安鐵路北客站,南至韋曲南,正線全長26.456 km,共設21座車站。地鐵2號線穿越西安城墻永寧門區段,由永寧門車站開始向鐘樓站掘進,隧道左右線分別從永寧門甕城東西兩側的城門洞下繞行通過。繞行線路曲線半徑為350 m,軌頂標高為384.7 m,軌頂埋深為地表下22.0～23.6 m,隧道頂埋深為17.4～18.5 m[1]。在盾構法施工期間,對古城墻的保護及監測工作是西安地鐵工程建設的主要課題之一。

1 西安城墻結構及水文地質情況

1.1 西安城墻結構特點

地鐵穿越城墻的永寧門區段地層主要是第四系人工筑填土、風積黃土、殘積古土壤及沖積的粉質黏土、粉土、砂土等。西安城墻的結構特點是“磚表土芯”結構[1],其城墻結構土體分層分析見表1。

西安城墻永寧門區段,目前在其土芯墻、外包磚砌體和海墁磚砌體上表層都產生了一定數量的裂縫,構成了不利于城墻安全的結構面。

表1 西安城墻永寧門區段土體分層系統一覽表

西安城墻永寧門區段外部形態特征的幾何尺寸如下:城墻高約12 m,底部寬16～18 m,頂部寬12～14 m;永寧門門洞為拱券形,長29 m;永寧門正上方砌置有一城樓,樓體高19.6 m。甕城東西長70 m,南北寬50 m,甕城墻頂寬13.5 m,周長395 m。甕城東西各設一偏門,均為拱券形門洞。甕城外側為月城,月城城墻為磚砌體結構,甕城正南方為閘樓;永寧門甕城外兩側分別有3個并行相鄰排列的城門,為現代交通之用,城門亦為拱券形。

1.2 地質狀況

1.2.1 工程地質

盾構下穿護城河段的地質情況依次為:3-1-1飽和軟黃土,影響深度為5～7 m;3-2古土壤,影響深度為3 m;4-1老黃土,影響深度為3～5 m;4-4粉質黏土,影響深度為0～3 m[2]。

1.2.2 水文地質

根據勘察結果,該場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水,含水層主要為第四系弱透水的黏性土。受護城河的影響,該段地層內水位埋深較淺,位于地表以下6.0～10.0 m,水位標高在隧道頂部以上3～6 m。潛水補給主要來自側向徑流補給、大氣降水入滲及綠化灌溉水的入滲補給;地下水的總體流向與地形一致,由東南流向西北;潛水的排泄方式為人工開采、蒸發、向下游徑流等。地下水位變化主要受降水、蒸發、人工開采等因素影響。根據對護城河段長期地下水動態監測資料分析:一般7～9月水位埋深最大,為枯水期;12月到次年的2月水位埋深最小,為豐水期。年水位變化量為2～3 m。

2 永寧門城墻加固措施及工程監測方案

2.1 加固措施

2.1.1 地面加固措施

在盾構通過城墻前在地表沿城墻四周對城墻基底下方預埋袖閥管注漿加固,袖閥管埋深應在地下水位以下,以防止沉降。袖閥管埋深在地下水位以下,間距為0.6 m×0.6 m,呈梅花形布置,加固范圍為地面下3 m。在盾構穿越前,根據盾構施工過程中監測情況及時注漿,注漿選用水泥、水玻璃雙液漿。雙液漿配合比采用:水泥漿水灰質量比為0.8∶1～1∶1,水玻璃濃度為35～45波美度,水泥漿與水玻璃體積比為1∶3～1∶2,擬定注漿壓力為1.0～1.5 MPa。在盾構掘進過程中,對路面及周圍建(構)筑物進行巡邏、觀察。每4 h進行一次地面沉降及城墻基礎沉降測量,根據地面沉降的監測數據控制注漿量和注漿壓力,防止注漿壓力過大,造成隆起,對城墻基礎產生破壞。

2.1.2 城門洞加固措施

在城墻門洞內側設置工字鋼臨時支撐,工字鋼采用27a型,縱向間距為1 000 mm,沿環向每隔1 m設一道16#槽鋼加強縱向聯結,以增加拱架的整體穩定性,如圖1所示。對城墻外表面采用外掛鋼板網墻護壁保護,要求盡量密貼,并實時觀測,如發現有磚塊脫落趨勢時對城墻局部注入黏結膠。

圖1 盾構穿越永寧門區段時城門洞鋼結構加固實況

2.1.3 盾構隧道內加固輔助措施

本工程兩條隧道均采用日本小松PMX614土壓平衡盾構進行隧道掘進施工,預制混凝土管片外徑為6.0 m,內徑為5.4 m,每環為1.5 m。盾構掘進過程中,做好同步注漿和二次注漿工作,對穩定管片、減少建筑物及地面沉降起到非常重要的作用。

為有效控制施工沉降,保護古城墻,在盾構穿越期間從隧道內對土體進行注漿加固,即在盾尾后5環位置采用鋼花管注漿，如圖2所示。施工工藝如下:①在盾構穿越永寧門城墻段采取注漿加固措施;②將管片吊裝孔鑿開,打入長為3.5 m、φ42的鋼花管,并及時用球閥封住注漿管,防止漏漿;③連接球閥與注漿泵,準備進行注漿工作;④每孔注入1.5 m3左右,注漿壓力為0.2～0.3 MPa;⑤采用一臺ZBY-80/70液壓注漿泵進行注漿;⑥漿液采用超細水泥、水玻璃雙液漿。

圖2 隧道內注漿加固示意圖

2.2 工程監測方案

在西安地鐵二號線永寧門站至鐘樓站盾構機從永寧門站始發前,收集了與城墻永寧門監測有關的地質、水文、地理環境、工程設計方案、施工組織設計等相關資料[1-4],在文獻[4-7]的基礎上確定了以下監測內容:①永寧門主體基礎沉降監測,監測點為1～43。盾構隧道正上方城墻頂部沉降監測,監測點為92～109。監測范圍為永寧門中線東西兩側各150 m以內,如圖3所示。②監測地下水位變化,范圍為永寧門城墻主體周邊區域,如圖3所示。③對永寧門磚土結構上現有的主要裂縫進行測量、巡視觀察,主要為地鐵線路兩側各20 m范圍內長度大于6 m但未貫通、裂縫寬度一般10～20 mm及長度貫通墻體、裂縫寬度一般超過20 mm的裂縫。④對城墻永寧門處于地鐵線路兩側各20 m范圍,破損現狀嚴重區內存在鼓脹的部位進行監測,結合沉降監測結果實時分析變形情況。

根據施工設計要求,西安城墻永寧門區段地鐵盾構施工期間,盾構施工對城墻基礎及地面沉降影響允許值為:上升量小于5 mm,下沉量小于15 mm;預警值取限值的70%,即沉降變化上升量大于4 mm,下沉量大于10 mm[3-4]。

圖3 盾構穿越永寧門段沉降及水位監測點布置圖

3 盾構穿越永寧門段的影響分析

3.1 地下水位監測結果分析

根據水文地質資料,護城河水體是西安城墻附近地下水的重要補給源。為消除護城河水在地鐵穿越城墻時對地鐵主體施工的影響,施工方對護城河進行了截流。盾構施工期間,對地下水位進行監測。地下水位變化情況如圖4所示。

圖4 地下水位變化曲線

在盾構施工期間護城河被截流,護城河河水補給地下水的渠道被切斷是導致地下水位下降的主要原因,其次是受盾構施工的影響。當護城河截流段放流后地下水位恢復到常年正常水平。監測結果顯示，盾構穿越永寧門施工期間最低水位比勘察時的低水位低0.85 m。地下水位在護城河截流期間總體呈下降趨勢,水位監測井NS1最大波動為2.04 m,水位監測井NS2最大波動為1.63 m,而永寧門段一年中水位變化在2～3 m。因此,護城河截流及盾構施工引起永寧門城墻下地下水位波動很小,對永寧門城墻造成的變形影響甚微。

3.2 永寧門沉降分析

根據施工組織設計及監測技術方案，將永寧門沉降分為盾構穿越處沉降、城墻底部沉降，分析盾構施工期間沉降變化規律,來判斷盾構穿越施工對永寧門城墻的影響。

3.2.1 盾構穿越處沉降分析

地鐵二號線穿越永寧門城墻東西兩側門洞,門洞處結構較為薄弱。在施工前,施工方在門洞內側加固了鋼板支撐,在東西門洞正上方的海墁上各設置了1個監測斷面；每個斷面布設9個監測點,以監測地鐵穿越時該處的變形情況。盾構左線和右線穿越城墻施工期間隧道上方城墻平均沉降量隨時間變化曲線如圖5和圖6所示。斷面1和斷面2的最終沉降曲線如圖7和圖8所示。

圖5 盾構左線穿越城墻沉降曲線

圖6 盾構右線穿越城墻沉降曲線

由圖5和圖6可知,東、西門洞上方海墁在整個監測期間沉降量及沉降量變化值較小,體現在圖中曲線較平緩,說明盾構施工對該處的影響較小。

圖7 斷面1監測點沉降量

盾構穿越永寧門2個月后沉降值趨于穩定,由圖7和圖8可知,受鋼拱架支撐的城門洞的最大值約為8 mm,在預期的沉降控制范圍之內。

3.2.2 斷面沉降量與地鐵中心線距離的關系分析

根據沉降監測點與地鐵中心線距離的位置關系并結合永寧門的結構特點,將沉降監測點1～24、25～43視為2個斷面,監測點沉降量隨其距離隧道中心線距離的變化曲線,如圖9和圖10所示。

圖8 斷面2監測點沉降量

圖9 永寧門城門內墻沉降曲線(1～24號監測點)

圖10 永寧門城門外墻沉降曲線(25～43號監測點)

盾構穿越施工期間,由施工期間注漿數據統計顯示,同步注漿量平均每環約為4.4 m3,二次注漿量平均為0.7 m3,鋼花管地層注漿加固環注漿量為1.07～1.32 m3(平均量為1.21 m3)，注漿壓力為0.21～0.26 MPa。地面袖閥管注漿量根據盾構穿越時地表的沉降速率而定。當監測點總沉降量超過4 mm,且當日沉降量超過1 mm時,即開始二次注漿。注漿時控制注漿量和注漿壓力,實時監測,防止因注漿壓力過大、超量注漿引起地面隆起。通過實時監測和注漿加固有效地控制了城墻及地面沉降。

由圖9和圖10可知,隨著監測點距地鐵中心線距離的增大,沉降量逐漸減小,說明盾構施工對永寧門城墻的影響隨著距離的增大在逐步減弱。經圖9、圖10和圖7、圖8的對比可知,城門洞正方的沉降趨勢、沉降量和沉降值大小的分布范圍基本一致。因此,地鐵施工對永寧門城墻的影響在可控范圍內,施工方采取的措施可行,達到了保護文物的目的。

3.3 墻體裂縫監測結果分析

永寧門監測了NN1/C、NN2/D、NN3/D、NN14/C、NN17/C、NN19/D、NWW1/D、NWW8/D、NWW9/C、NWN13/D共10條裂縫。在盾構機從永寧門站始發、穿越永寧門城墻及駛離永寧門50 m范圍之外時,分別在2008-08-28、2009-01-22和2009-05-22對上述裂縫進行了3次監測,均量取了裂縫監測點間的距離,拍攝了照片,如圖11和圖12所示。由量取結果求出裂縫寬度的變化值,變化值結果均較小,如表2所示。說明2號線盾構施工對城墻永寧門主體穩定性的影響很小。

表2 墻體裂縫監測結果匯總表

圖11 NWW8/D裂縫量測圖

圖12 NWW8/D裂縫全貌圖

3.4 水平位移

2008-09-20～2009-05-21共監測13次水平位移。對每次監測數據取平均值,最小平均位移量為-1.73 mm,最大平均位移量為0.66 mm(-表示向城墻外側偏移,+表示向城墻內側偏移)。說明2號線盾構施工對永寧門城墻主體結構穩定性的影響很小。

4 結語

為了有效地保護古城墻,西安地鐵2號線下穿永寧門城墻段采取了對地面加固、城墻門洞加固、盾構隧道內加固等措施；并對護城河進行截流,以消除護城河水補給地下水對盾構施工的影響。盾構施工期間，在施工影響范圍內地下水的波動值<2.04 m,并在年水位變化范圍之內。城墻及地面監測數據顯示,累計沉降量較大的點均在線路通過的上部附近,沉降量主要產生在隧道穿越地下時段,施工期間地面上升小于2.5 mm、地面下沉不大于8 mm,均在控制范圍之內。盾構隧道施工期間,永寧門城墻的裂縫寬度、水平位移量有一定的變化,但絕對值較小,均在可控范圍之內。地鐵施工對永寧門城墻的影響在預期的可控范圍內,施工加固措施可行,達到了保護文物的目的。

[1] 機械工業勘察設計研究院有限公司.西安城墻南門、北門地鐵二號線穿越區段安全評估及西安地鐵二號線施工沉降與運行振動對西安城墻影響研究成果報告[R].西安:西安市地下鐵道有限責任公司,2009.

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安市城市快速軌道交通二號線一期工程詳細勘察階段北大街—鐘樓區間巖土工程勘察報告[R].西安:西安市地下鐵道有限責任公司,2006.

[3] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安市城市軌道交通二號線通過鐘樓及城墻文化保護方案[R].西安:西安市地下鐵道有限責任公司,2008.

[4] 機械工業勘察設計研究院.西安市城市快速軌道交通二號線施工期間城墻永寧門監測技術報告[R].西安:西安市地下鐵道有限責任公司,2009.

[5] 胡新朋,孫謀,王俊蘭.盾構隧道穿越既有建筑物施工應對技術[J].現代隧道技術,2006,43(6):60-65.

[6] 尹旅超,朱振宏,李玉珍，等.日本隧道盾構新技術[M].武漢:華中理工大學出版社,1999.

[7] 任建喜,張引,馮超.地鐵隧道盾構施工引起的古城墻變形規律及其控制技術[J].巖土力學,2011,32(增1):445-450.

Reinforcement Measures of Tunnel Construction When Crossing beneath the Old Citywall in Xi′an City

HU Ziquan, JIANG Yanfei, CHAO Zhaobo

According to the structural characteristics of Xi′an citywall, the engineering geology, design and construction process, the reinforcement measures and monitoring projects of Xi′an metro Line 2 are determined, which crosses beneath the Yongning Gate of Xi′an old citywall. The observed data show that the influence of tunnel construction on Yongning Gate walls is within the expected control range,the reinforcement measures and monitoring schemes are feasible, which can achieve the purpose of cultural relics protection.

tunnel; shield method; monitoring measurement; old citywall; reinforcement

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.05.029

2015-07-06)