淺覆盾構隧道下穿古城墻及護城河施工穩定性分析

李利軍

摘要：南京地鐵5號線七橋甕站-小天堂站區間雙線盾構隧道下穿明朝古城墻和護城河，具有較大的施工難度和風險。論文建立了三維數值模型，模擬現場施工作業，分析了圍巖的變形情況。結果表明，施工現場安全性較高。經過模擬優化分析，當注漿壓力小于0.3MPa時，注漿壓力對位移影響較小。

Abstract： The double-line shield tunneling between Qiqiao Weng Station and Xiaotiantang Station of Nanjing Metro Line 5 runs through the ancient city wall and moat of Ming Dynasty， which is of great construction difficulty and risk. A three-dimensional numerical model is built to simulate the site construction and analyze the deformation of surrounding rock. The results show that the construction site safety is high. After simulation and optimization analysis， when grouting pressure is less than 0.3MPa， grouting pressure has little effect on displacement.

關鍵詞：淺覆;盾構;古城墻;護城河

Key words： shallow covering;shield;ancient city wall;moat

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0168-04

0? 引言

隨著城市化進程的發展，交通擁堵成為許多大中型城市的普遍存在的現象，為解決這樣的難題，隧道工程越來越受到建設者的青睞[1]。在南京這種歷史悠久的大都市，隧道有時會難以避免下穿古城墻。同時由于受既有建筑物、地下管網和地質條件的限制，隧道離城墻基礎底面最近僅30cm。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[2]。

近年來也有一些學者對隧道下穿古城墻進行了研究。楊韶林發表論文西安地鐵1號線玉祥門站-灑金橋站區間盾構穿越國家級重點保護文物玉祥門城墻采取多項技術措施，保證了穿越過程中城墻的安全，對類似工程的施工具有借鑒和指導作用[3]。康佐針對西安地鐵一號線盾構隧道下穿朝陽門段城墻及朝陽門門洞具體工程，通過建立三維有限元模型，模擬分析了盾構掘進過程中的沉降機理，對古城墻受力進行了理論分析，預判出古城墻及附近地面的沉降值，并制定出了針對性的加固方案[4]。

總體而言，盾構穿越古城墻已經有所研究，但緊貼城墻基礎底部掘進尚屬少見，必須考慮城墻結構及基礎的空間效應及其穩定性，以確保工程的安全，在此方面也應開展相應的研究。

本文針對南京地鐵5號線七橋甕站-小天堂站區間下穿古城墻和護城河的特殊工況，通過有限元軟件進行了數值模擬分析，研究了隧道管片、圍巖、城墻及河底的變形位移發展狀況，利用計算結果對施工現場的安全性進行評估。

1? 工程概況

南京市軌道交通5號線工程南起吉印大道站，北至方家營站，是南京市城市軌道交通線網中東南至西北方向的一條極為重要的城區干線。線路總長37.4km。

地鐵5號線線路總長37.4km，采用雙線單洞隧道結構型式，左右線均為內徑5.5m、外徑6.2m的圓形盾構隧道。

本工程中出現的隧道下穿古城墻及護城河無論是從施工難度上，還是從工程的重要性上都是值得注意和研究的。

盾構隧道采用單層襯砌，管片（壁）厚0.35m，寬度1.2m，圖1為雙線雙洞隧道結構設計圖。采用6分塊，錯縫拼裝。管片采用C50、P10鋼筋砼，內部回填采用C25素砼。全線采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構機進行隧道掘進施工。注漿層厚度為14cm。

古城墻大致結構及和隧道位置關系見圖2，墻體高為15m，底寬為24m，頂寬為14m，隧道中心距城墻基礎底面3.4m，內、外側墻面均用青磚包砌。

2? 數值計算

數值模型是運用有限元方法的計算的模型，在施工工況以及材料參數盡可能地還原實際工況的情況下，能較好的完成對巖土體變形的模擬以達到預測和評估的目的。

2.1 模型概況

地層模型大小為129m×60m×40m。前后兩個面施加沿軸線方向的位移約束，左右兩面施加沿橫斷面的約束，底面為固定邊界，上表面為自由邊界，整個模型施加豎直向下的重力，不考慮時間效應，圍巖的初始應力全部由地層的自重應力產生。土體均采用莫爾-庫倫本構關系，采用實體單元。模型網格劃分采用混合網格劃分，以六面體網格為主，整個模型總共有72978個單元，30766個節點，整體模型網格劃分如圖3。根據計算需求，將隧道部分以及第二層土體的網格尺寸定為1.5m，其余部分定為4m。

根據現場地質勘探報告，將現場土體地質情況分為3層，從上到下，依次為粉質粘土1層、粉質粘土2層和全風化泥質砂巖層，隧道處于第一層土體中施工。各單元參數取值詳見表1。

2.2 工況模擬

雙線隧道先后開挖，先開挖左線，左線全部開挖完畢后開挖右線。

計算中通過激活、鈍化不同部位的單元網格來模擬施工過程中的土體開挖、支護和襯砌注漿。采用4.8m作為一個大步長簡化計算（隧道管片寬度1.2m），盾構開挖施工分步示意見圖4，每個步長代表的施工意義如表2。

3? 計算結果分析

3.1 土層豎向和水平位移分析

模型豎直方向的位移云圖如圖5。可以看出，施工結束后，城墻底部隧道上部附近的土體下沉，護城河附近隧道上部的土體隆起，城墻下方隧道下部附近的土體隆起，護城河下方隧道下部的土體隆起。拱頂最大沉降-5.5mm（雙線開挖結束時的城墻下拱頂），拱頂最大隆起5.2mm（雙線開挖結束時的護城河底拱頂），隧底最大隆起11.7 mm（發生于左線開挖至城墻時的城墻下隧底），均小于規范標準控制值30mm。

對比模型各點豎直位移，發現城墻和護城河附近的土體的豎直位移明顯比其他部位的大，可見城墻和護城河附近土體位移的控制對盾構隧道施工的安全性起著至關重要的作用。

模型水平方向位移云圖如圖6（圖中垂直城墻及護城河向右的方向為正向）。可見施工結束后，城墻與護城河之間的土體水平位移基本都朝向護城河（背離城墻），最大位移12.2mm，出現在護城河底隧道拱頂，發生于右線開挖至護城河底時。

3.2 城墻位移和變形分析

由于工程的特殊性，城墻的穩定性是隧道施工安全的一大指標。對于城墻的沉降和水平位移，除靠近隧道處，城墻各部位的位移數值較小，分布基本較為均勻，說明隧道開挖對附近城墻部位有較明顯影響，但對城墻整體影響不大。

通過對城墻的各方向應力和有效塑性應變圖的分析，可以看出，在城墻側面和底面范圍內存在塑性應變，拉應變最大為0.003，最大應力為y方向上421kPa壓應力，城墻上部近側表面處土體x方向出現很小的拉應力6.8kPa，但考慮到本模型未包含城墻表面包砌的青磚，青磚能對城墻靠近表面的土體起到很好的保護作用，故仍可判定城墻穩定性良好。

3.3 掘進參數優化分析

考慮到掘進壓力和千斤頂力在施加后便在下一個施工階段鈍化，方向也與隧道軸線平行，對土體沉降（隆起）變形不大，故主要考慮了注漿壓力對土體豎直方向上的位移的影響。在掘進的過程中，注漿壓力不易過大，分別將注漿壓力設置為300kPa、200kPa和150kPa，經過計算發現注漿壓力的改變對豎直位移影響很小，300kPa下最大豎直位移為11.7mm，200kPa下最大豎直位移為10.94mm，150kPa下最大豎直位移為10.91mm，變化最大不超過3%。由此可見通過注漿壓力的改變來減小地層變形的空間不大。

4? 結論

本文通過使用有限元軟件Midas/GTS來研究隧道下穿古城墻和護城河、雙線先后施工過程的土體力學行為，研究盾構法施工條件下隧道圍巖變形情況。結果表明：

①施工結束后的最大豎向位移出現在城墻下方的隧道拱頂沉降和隧底隆起，最大水平位移發生在護城河底隧道拱頂，但均小于地鐵隧道盾構法施工監控量測控制標準。②在掘進過程中古城墻塑性應變均處于正常范圍，城墻小部分出現拉應力但數值很小，穩定性良好，需注意城墻上部表面為敏感部位，必要情況下需對其進行加固處理。③通過對比不同注漿壓力下的豎向位移，發現注漿壓力小于0.3MPa時對豎向位移的影響比較有限。

參考文獻：

[1]張建安，劉發前.超大直徑盾構施工對上覆隧道的影響分析[J].地下空間與工程學報，2016，12（04）：1008-1013.

[2]曹振，張寧，楊鋒.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[J].城市軌道交通研究，2015，18（08）：119-124.

[3]楊韶林，譙恒.TM614PMX土壓平衡盾構機施工技術措施——以國家級重點保護文物西安市玉祥門城墻地下施工為例[J].建筑，2010（15）：59-60.

[4]康佐，王軍琪，鄧國華，文保軍.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（01）：9-15.