康 佐，王軍琪，鄧國華，文保軍

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710018;2.中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710054)

0 引言

西安現(xiàn)有4條地鐵線路已建或在建，其中有3條線路從古城墻下穿而過。地鐵在修建過程中往往會引起地層位移和地面沉降，導(dǎo)致城墻外部磚砌體和內(nèi)部土芯發(fā)生應(yīng)力重分布，引起磚墻磚塊和灰縫開裂、脫落，甚至局部坍塌。在施工中，如何確保城墻及文物的安全，是西安地鐵修建過程中不可避免的問題。

地鐵穿越古城墻時，最棘手的問題是如何確定沉降控制標準，并以此為依據(jù)確定相應(yīng)的加固保護措施。在先期施工的西安地鐵二號線中，地鐵隧道穿越了永寧門、安遠門及鐘樓，針對該工程，一些學(xué)者對其也進行了分析研究，并提出了一系列的沉降控制值和加固保護措施。如文獻［1］對盾構(gòu)區(qū)間穿越二號線永寧門城墻期間的城墻墻體和土芯的應(yīng)力變化進行了研究，認為盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降量應(yīng)控制在20 mm以內(nèi);文獻［2－6］也進行了相關(guān)研究，分別提出了相應(yīng)的沉降控制值。但是以上文獻均沒有將其總結(jié)為一個沉降控制標準，同時二號線采用的部分加固措施存在優(yōu)化的可能性。本文在西安地鐵二號線相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，進一步驗證了古城墻的沉降控制值，并建議將其作為沉降控制標準，同時對施工期間古城墻的保護措施做了相應(yīng)簡化，可為今后類似工程的設(shè)計、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 朝陽門門洞及城墻概況

朝陽門位于西安城墻東段，該區(qū)段范圍內(nèi)城墻高約14.3 m，頂寬 28.6 m，底寬31.7 m。城門內(nèi)為東五路，門外為長樂路(見圖1)。城墻段結(jié)構(gòu)形式為:夯筑芯墻+外包磚+2 m厚夯土地基(見圖2)［1］。朝陽門門洞為建國后開辟，城墻南部為3層框架結(jié)構(gòu)，北側(cè)為含局部地下室的2層框架結(jié)構(gòu)，海漫采用青磚，基礎(chǔ)采用靜壓樁基礎(chǔ)。

圖1 朝陽門門洞Fig.1 Chaoyang Gate openings

圖2 城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考圖(含光門附近，非朝陽門段)Fig.2 Inner structure of city wall

1.2 水位地質(zhì)條件

朝陽門城墻段地下水埋深在4.80～8.40 m，相應(yīng)的地下水高程為395.12～397.9 m(2008年10月)。地下水類型屬第四系孔隙潛水，賦存于中、上更新統(tǒng)黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土層及其中的砂土夾層中，含水層的厚度大于50 m。其中新黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土層透水性弱，古土壤底部的鈣質(zhì)結(jié)核層形成相對隔水層，在一定條件下古土壤層底部以下孔隙水表現(xiàn)出一定的微承壓性，砂土夾層透水性良好。地下水年變化幅度在2.0 m左右。

1.3 地鐵區(qū)間隧道方案

西安地鐵一號線在里程為YDK22+169.529～+198.989區(qū)段，下穿朝陽門門洞及城墻(見圖3)。左線下穿朝陽門段城墻，隧道頂距離城墻基礎(chǔ)約14 m;右線下穿朝陽門城門洞，門洞基礎(chǔ)為5排靜壓樁基，樁長為15.5 m，與右線豎向最小凈距約1.219 m，平面最小凈距約為2.746 m。線路縱向坡度約為25‰，覆蓋土層厚度約為18.5 m，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，外徑為6 m，襯砌厚度為0.3 m。

圖3 隧道下穿朝陽門門洞及城墻平面位置關(guān)系圖Fig.3 Plan showing shield tunnels crossing underneath Chaoyang Gate openings and city wall

2 朝陽門門洞及城墻加固保護措施

2.1 設(shè)計原則［7－8］

1)加固設(shè)計應(yīng)達到國家文物保護部門相關(guān)規(guī)定和要求，既要滿足城墻保護要求，又要確保城墻安全。

2)加固設(shè)計應(yīng)盡可能減小隧道施工期間對城墻產(chǎn)生的影響。

3)通過加固設(shè)計，應(yīng)使隧道盾構(gòu)施工所引起的地面沉降和隆起控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4)區(qū)間線路平面上2個隧道之間的距離應(yīng)盡可能加大，從而避免隧道開挖引起沉降槽的疊加。

2.2 加固措施

2.2.1 加固原理

化學(xué)注漿法加固設(shè)計是通過增大地層變形模量(水泥漿液硅化加固)以減少沉降量，從而提高隧道埋深范圍地層抵抗不均勻變形的能力。

2.2.2 城墻地基加固范圍

盾構(gòu)通過朝陽門城墻時，由于門洞下方有大量樁基礎(chǔ)存在(右線下穿)，右線開挖引起的城墻沉降小于左線隧道，故建議地層加固范圍宜從門洞下方的右線隧道影響區(qū)擴大到左線隧道開挖影響區(qū)。

3 沉降控制標準

參考國內(nèi)外及西安地鐵二號線過鐘樓、南門及北門設(shè)計及施工經(jīng)驗［1－6］，在城墻范圍盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降量宜控制在+5～－15 mm，局部傾斜宜采用不超過0.001的沉降變形控制標準。

4 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模型

4.1 計算參數(shù)取值

計算斷面選取西安地鐵一號線五朝區(qū)間YDK22+125處。該斷面盾構(gòu)隧道位于老黃土和粉質(zhì)黏土地層，隧道埋深為19 m，隧道凈距為30 m。地層土性參數(shù)見表1。

表1 地層土性參數(shù)表Table 1 Soil proprieties

4.2 計算模型［6］

朝陽門門洞及城墻段模型長147 m，寬110.5 m，高55.5 m，共39 604個單元。對城墻的模擬主要包括:城墻夯土、城墻磚、門洞中隔墻、門洞樁基礎(chǔ)、門洞拱結(jié)構(gòu)等方面，模型詳見圖4。

圖4 城墻地層三維有限元模型Fig.4 3D finite element model of city wall formation

1)城墻磚位于城墻外表面，此處采用殼單元模擬(見圖5)。

圖5 城墻磚單元Fig.5 Element of city wall bricks

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

3)門洞拱結(jié)構(gòu)上的荷載來自城墻自身，模型中采用三維殼單元模擬門洞拱結(jié)構(gòu)。

4)中隔墻的主要作用在于將門洞拱結(jié)構(gòu)承受的荷載通過中隔墻下方的樁基礎(chǔ)分散到地層中去，模型中采用三維實體單元模擬(見圖6)。

圖6 門洞拱及中隔墻模擬Fig.6 Model of gate opening arches and pillars

5)門洞中隔墻下方基礎(chǔ)為靜壓群樁基礎(chǔ)，考慮到樁基加固地層的作用主要體現(xiàn)為群體效應(yīng)，故可以采用整體模擬的方法來代替樁基個體的模擬。

朝陽門城墻、城墻門洞與地鐵盾構(gòu)隧道相關(guān)關(guān)系見圖7—9。

圖7 中隔墻基礎(chǔ)模擬Fig.7 Model of pillar foundation

圖8 隧道與門洞基礎(chǔ)正視圖Fig.8 Front view of tunnel and gate opening foundation

圖9 隧道與門洞基礎(chǔ)三維視圖Fig.9 3D view of tunnel and gate opening foundation

5 加固前計算結(jié)果分析

5.1 計算工況［9］

根據(jù)盾構(gòu)與朝陽門門洞及城墻段位置關(guān)系的不同，本次研究共考慮了4種典型工況(見圖10)。

1)工況1:右線隧道開挖至城墻下;

2)工況2:右線隧道貫通;

3)工況3:右線貫通，左線隧道開挖至城墻下;

4)工況4:雙線隧道均貫通。

圖10 計算工況Fig.10 Calculation case

5.2 監(jiān)測斷面

在計算過程中，地表沉降監(jiān)測斷面共設(shè)8個(見圖11)。橫斷面6個，分別為斷面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ;縱斷面2個，分別為斷面Ⅶ和Ⅷ。

圖11 監(jiān)測斷面設(shè)置Fig.11 Arrangement of monitoring cross-sections

5.3 計算結(jié)果

5.3.1 工況 1

在工況1下，盾構(gòu)隧道開挖面位于城墻中間正下方，此時各監(jiān)測斷面的沉降曲線如圖12和圖13所示。由于盾構(gòu)隧道還未完全通過城墻，城墻的沉降還未達到最大值，但沿右線隧道中線地表的不均勻沉降在城墻處達到了最大值，最大地表傾斜率約0.568‰(見圖12—14)。

圖12 工況1下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.12 Transverse ground surface settlement in case 1

圖13 工況1下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.13 Longitudinal ground surface settlement in case 1

圖14 工況1下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.14 Distribution of ground settlement in case 1(m)

5.3.2 工況 2

在工況2下，右線盾構(gòu)隧道完全貫通，此時各監(jiān)測斷面的沉降曲線見圖15和圖16?？梢钥闯?，城墻處由于有門洞樁基的存在，盾構(gòu)隧道通過后其最大沉降為－9.04 mm，明顯小于普通路段最大沉降－15.38 mm，而且城墻頂面的最大沉降為－5.13 mm，也小于地面最大沉降 －9.04 mm。

圖15 工況2下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.15 Transverse ground surface settlement in case 2

圖16 工況2下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.16 Longitudinal ground surface settlement in case 2

盾構(gòu)通過后，地表在縱斷面上的不均勻沉降明顯減小，但橫斷面上的不均勻沉降則達到最大值。以監(jiān)測斷面Ⅲ為例，盾構(gòu)隧道通過后的不均勻沉降(地表傾斜率)最大值達到±0.85‰，要高于盾構(gòu)通過時的縱斷面傾斜率(見圖17)。

圖17 工況2下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.17 Distribution of ground settlement in case 2(m)

5.3.3 工況 3

在工況3下，右線隧道完全貫通，左線隧道掘削面位于城墻正下方，此時地表橫斷面內(nèi)沉降如圖18所示。從圖18可看出，左線隧道開挖引起的地表沉降要大于右線隧道。橫斷面內(nèi)還將產(chǎn)生不均勻沉降，其中監(jiān)測斷面Ⅲ的最大傾斜率達到0.9‰(見圖18—20)。

圖18 工況3下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.18 Transverse ground surface settlement in case 3

圖19 工況3下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.19 Longitudinal ground surface settlement in case 3

圖20 工況3下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.20 Distribution of ground settlement in case 3(m)

5.3.4 工況 4

在工況4下，左右隧道全部貫通，此時引起的地表橫斷面內(nèi)沉降如圖21所示。從圖21可看出，左線隧道開挖引起的沉降明顯大于右線隧道，以監(jiān)測斷面Ⅲ為例，左線隧道上方沉降為－17.59mm，右線隧道上方沉降為 －11.28mm(見圖21—23)。

圖21 工況4下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.21 Transverse ground surface settlement in case 4

圖22 工況4下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.22 Longitudinal ground surface settlement in case 4

圖23 工況4下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.23 Distribution of ground settlement in case 4(m)

6 加固條件下計算結(jié)果分析

6.1 加固模型［9］

地基加固在盾構(gòu)通過前進行，采用沿城墻四周在基底下方預(yù)埋袖閥管的方法進行地基注漿加固，注漿管長11 m，加固范圍為地面以下3～11 m。施工過程中根據(jù)監(jiān)測情況適時注漿，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，以便調(diào)節(jié)漿液凝固時間。

根據(jù)所設(shè)計加固的方案建立地層加固三維有限元模型，模型基本情況與未加固大致相同，其中地層加固體與隧道、城墻、基礎(chǔ)的相關(guān)關(guān)系如圖24所示。

圖24 地層加固模型正視圖Fig.24 Front view of ground consolidation model

地層加固體的物性參數(shù)按水泥砂漿改良土取值，參考國內(nèi)一些實驗資料和西安地鐵施工現(xiàn)場取樣資料，加固后土體的壓縮模量取1 GPa，泊松比取0.23，重度為20.8 kN/m3，其余物性參數(shù)同加固前土體。

6.2 加固后結(jié)果

加固后監(jiān)測點沉降趨勢圖基本與加固前一致，此處只給出計算結(jié)果。

在工況1下，加固后地表處城墻最大沉降值為－3.45 mm;在工況2下，右線隧道貫通，城墻最大沉降值為－6.47mm;在工況3下，城墻最大沉降仍然出現(xiàn)在左隧道上方，但沉降值降低至－9.49 mm;在工況4下，左線隧道上方沉降值降低至－14.21 mm。

6.3 加固結(jié)果對比

從計算數(shù)據(jù)可以看出，按照設(shè)計的加固方案對門洞基礎(chǔ)進行加固后，對地表沉降的降低效果主要在右線隧道開挖時體現(xiàn)出來，如工況1和工況2，減小沉降值達28.5%。但對于左線隧道開挖而言，地層加固的效果并不明顯，其主要原因在于加固區(qū)僅覆蓋了門洞下方右線隧道所在區(qū)域，而左線隧道的上方城墻完全暴露在隧道開挖的影響范圍之內(nèi)，故該加固方案并不能有效降低左線隧道開挖對城墻的影響。

另外，由于門洞下方存在大量樁基礎(chǔ)，同時地基加固的深度還沒有超過樁長，故地層加固對降低門洞樁基礎(chǔ)沉降的作用也不明顯。

計算結(jié)果表明，對城墻的影響而言，左線隧道開挖的影響比右線隧道開挖的影響大得多，故建議將地層加固區(qū)間擴大至左線隧道開挖的影響范圍。

7 施工期間沉降

西安地鐵一號線于2011年2—3月完成了盾構(gòu)穿越朝陽門外護城河橋及朝陽門城墻，根據(jù)《西安地鐵一號線第三方監(jiān)測工程》［10］監(jiān)測成果報告，城墻沉降監(jiān)測點共設(shè)23處，施工過程中最大變形值為7.6 mm;朝陽門城墻段地面沉降監(jiān)測點共設(shè)35處，施工過程中最大變形值為6.4 mm。實際城墻與地表沉降均小于理論計算結(jié)果。

8 結(jié)論與討論

1)由施工期間城墻墻體及地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，根據(jù)數(shù)值模擬分析所提出的城墻沉降控制標準是滿足實際施工和文物保護要求的，所提出的城墻預(yù)埋袖閥管適時注漿方案也是符合實際情況的。

2)由于盾構(gòu)掘進是一個非常復(fù)雜的過程，盾構(gòu)隧道施工中需采取同步注漿和補漿措施以減少失土率，模型中未對該注漿層進行模擬，地面沉降和城墻變形相對較大，計算結(jié)果偏于保守，不能很好地進行精確的數(shù)值模擬。

3)與先期完成的西安地鐵二號線地鐵隧道穿越永寧門及安遠門相比，文中對城墻的沉降控制標準進行了理論計算和實踐檢驗，并根據(jù)理論計算對地鐵盾構(gòu)隧道穿越城墻段的加固措施進行了優(yōu)化，避免了對門洞、城墻墻體的穿衣式保護，減小了因為保護而對城墻帶來的次生影響。

4)從西安地鐵一號線盾構(gòu)區(qū)間穿越朝陽門段城墻的工程實例來看，本次理論計算所選取的計算參數(shù)和建立的三維模型，在計算結(jié)果方面是基本符合盾構(gòu)施工期間地層和城墻沉降規(guī)律的，理論計算的結(jié)果是可以指導(dǎo)設(shè)計和施工的。

5)由于本次研究中，計算模型中進行了部分簡化和假定，導(dǎo)致計算結(jié)果與實測結(jié)果存在差異，地面沉降和城墻變形相對較大，計算結(jié)果偏于保守。因此，還需在今后進一步研究，使理論計算結(jié)果與實際施工相匹配。

［1］ 李寧，顧強康，朱才輝，等.西安地鐵二號線下穿古城墻段地表沉降控制標準研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S2):3753 － 3761.(LI Ning，GU Qiangkang，ZHU Caihui，et al. Research on ground sedimentation criterion of Xi’an line-2 subway under circumvallation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S2):3753－3761.(in Chinese))

［2］ 王文斌，劉維寧，丁德云，等.盾構(gòu)隧道施工對西安鐘樓影響的數(shù)值模擬預(yù)測［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報，2011，35(4):33 － 37.(WANG Wenbin，LIU Weining，DING Deyun，et al.Discussion on risk management in urban subway projects［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2011，35(4):33 －37.(in Chinese))

［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(xué)，2010，31(1):223 －228，236.(LEI Yongsheng.Research on protective measures of city wall and bell power due to underneath crossing Xi’an Metro line No.2［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(1):223 －228，236.(in Chinese))

［4］ 任建喜，張引合，馮超.地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的古城墻變形規(guī)律及其控制技術(shù)［J］.巖土力學(xué)，2011，32(S1):445 －450.(REN Jianxi，ZHANG Yinhe，F(xiàn)ENG Chao.Study of the deformation law of the ancient city wall induced by Metro shield tunneling and its control technology［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(S1):445 － 450.(in Chinese))

［5］ 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(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(5):143－147.(FENG Chao，WANG Zhe，PAN Nana.Study on the ground surface subsidence induced by Metro tunnel undercrossing city wall［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(5):143－147.(in Chinese))

［6］ 朱才輝，李寧.西安地鐵施工誘發(fā)地表沉降及對城墻的影響［J］.巖土力學(xué)，2011，32(S1):538－544.(ZHU Caihui，LI Ning. Ground settlement caused by subway construction in Xi’an and its influence on the city wall［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(S1):538 － 544.(in Chinese))

［7］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2003.(GB 50175—2003 Code for design of Metro［S］.Beijing:China Standard Press，2003.(in Chinese))

［8］ TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.(TB 10003—2005 Code for design on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.(in Chinese))

［9］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.(WANG Menshu.Tunneling and underground engineering technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010.(in Chinese))

［10］ 廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司.西安市地鐵1號線一期工程后圍寨—紡織城段五朝區(qū)間護城河橋、朝陽門城墻監(jiān)測情況專題報告［R］.西安:西安市地下鐵道有限公司，2011.(Guangdong Heavy Industy Design Co.，Ltd.Special report in monitor of settlement of city wall of Chaoyang gate due to underneath crossing Xi’an Metro line No.1［R］.Xi’an:Xi’an Metro Co.，Ltd.，2011.(in Chinese))