曹 振 張 寧，3 楊 鋒

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

1 工程概況

西安市地鐵2號(hào)線(xiàn)安遠(yuǎn)門(mén)至北大街區(qū)間隧道下穿西安北門(mén)城墻，該處盾構(gòu)隧道埋深約15.0m。

北門(mén)城墻主要包括城門(mén)及甕城、城門(mén)樓等。甕城南北長(zhǎng)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(hù)，內(nèi)為夯實(shí)填土。城墻下設(shè)0.3 m 厚的條石基礎(chǔ)，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(nèi)部為夯填土層，內(nèi)外層之間為不同材料不同時(shí)期的構(gòu)筑物，內(nèi)外層之間沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系。古城墻采用的建筑材料和建筑形式使其對(duì)變形特別敏感，地基極小的變形都有可能對(duì)其造成永久的破壞。西安城墻的重點(diǎn)保護(hù)范圍為明城墻13.7 km 以及4個(gè)城門(mén)樓，一般保護(hù)范圍城墻外側(cè)至護(hù)城河外沿，城墻內(nèi)側(cè)20 m 內(nèi)。該區(qū)域地表分布有厚薄不均全新統(tǒng)人工填土），其下為上更新統(tǒng)風(fēng)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(tǒng)風(fēng)積（）老黃土、沖積）粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂及中砂等。在該區(qū)間段的地下水主要賦存于中、上更新統(tǒng)黃土、古土壤及粉質(zhì)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(mén)城墻與地鐵隧道的關(guān)系平面圖如圖1所示。

1.1 盾構(gòu)下穿古城墻的兩種可采用的施工方法

地鐵盾構(gòu)下穿古城墻施工過(guò)程中，基礎(chǔ)變形是最嚴(yán)重的施工災(zāi)害。如果采用常規(guī)的盾構(gòu)施工方案將引起很大的施工變形，無(wú)法保證施工過(guò)程中古城墻安全，因此需要優(yōu)化施工方案。

利用FLAC 軟件計(jì)算預(yù)測(cè)盾構(gòu)下穿古城墻施工變形規(guī)律時(shí)，分2種不同的工法計(jì)算盾構(gòu)下穿城墻施工引起的古城墻變形，并進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)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(guī)的施工方法。即根據(jù)正常的盾構(gòu)施工參數(shù)、土倉(cāng)壓力、注漿量等參數(shù)施工，并進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)、城墻沉降監(jiān)測(cè)和傾斜監(jiān)測(cè)。

圖1 地鐵隧道與北門(mén)城墻平面關(guān)系圖

工法二：采用盾構(gòu)施工前預(yù)加固法。在距城墻兩側(cè)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(jìn)行加固，樁間采用冠梁連接；對(duì)城墻門(mén)洞采用鋼拱架進(jìn)行加固。加固后再進(jìn)行盾構(gòu)施工，并進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)、城墻沉降監(jiān)測(cè)和傾斜監(jiān)測(cè)。

1.2 盾構(gòu)下穿城墻施工應(yīng)急預(yù)案

在穿越過(guò)程中一旦出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)因素而引起基礎(chǔ)沉降、傾斜超過(guò)預(yù)警值，采取如下應(yīng)急預(yù)案：

在距城墻2 m 位置采用注漿方案，具體施工參數(shù)如下：用鉆機(jī)鉆Φ130 mm 孔，埋設(shè)直徑Φ108 mm、壁厚5 mm 的無(wú)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(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定，漿液采用雙液注漿（水泥、水玻璃漿液）。

2 盾構(gòu)下穿古城墻施工FLAC3D建模

2.1 盾構(gòu)下穿城墻施工模擬區(qū)域簡(jiǎn)化

該區(qū)間段地鐵隧道以R＝400 m 下穿北門(mén)城墻，然后繼續(xù)以R＝400 m 的半徑旁穿城墻，地鐵隧道下穿區(qū)域部分城墻基礎(chǔ)的寬度為20 m，根據(jù)圣維南原理可知，盾構(gòu)下穿城墻區(qū)域長(zhǎng)度與繞行半徑比值很小，故可將曲線(xiàn)段簡(jiǎn)化為直線(xiàn)。

2.2 盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D模型與單元?jiǎng)澐?/h3>

從圖2可知，該模擬區(qū)域?yàn)閷?duì)稱(chēng)模型，現(xiàn)選取右半部分作為模擬對(duì)象，進(jìn)行FLAC3D 建模。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，城墻上有游客，地表道路上有車(chē)輛運(yùn)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(gè)單元、78 699個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D計(jì)算參數(shù)

根據(jù)該區(qū)間段的巖土工程勘察報(bào)告，經(jīng)換算可得到FLAC3D模型計(jì)算所需的參數(shù)如表1及表2所示。

圖2 盾構(gòu)下穿北門(mén)城墻FLAC3D 模型圖

表1 盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D模擬計(jì)算參數(shù)表

表2 盾構(gòu)下穿城墻FLAC3D模擬管片、等代層計(jì)算參數(shù)表

3 盾構(gòu)下穿城墻施工變形規(guī)律FLAC3D預(yù)測(cè)結(jié)果

為了分析2種不同工況下盾構(gòu)下穿引起的地表及城墻情況，現(xiàn)選取典型斷面的位移云圖及位移曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 地表變形對(duì)比分析

沿Y＝10 m 處位移云圖及位移曲線(xiàn)對(duì)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(duì)比圖

對(duì)圖3a）和b）進(jìn)行對(duì)比分析可知，工況一條件下進(jìn)行施工時(shí)，施工后隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?8.5 mm，隧道拱底的最大隆起值為47.04 mm；而采用工況二進(jìn)行施工時(shí)，隧道拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?8.95 mm，隧道拱底的最大隆起值為13.02 mm。采用工況二進(jìn)行施工時(shí)，隧道周?chē)牡貙游灰屏棵黠@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(xiàn)對(duì)比圖

從圖4的2種不同工況下位移曲線(xiàn)對(duì)比來(lái)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(shí)工況一施工后地表的最大沉降值位于隧道軸線(xiàn)正上方，最大沉降值為34.70 mm，在隧道軸線(xiàn)±15 m 范圍內(nèi)地表的沉降值均超過(guò)了其變形允許值（10 mm）；而采用工況二進(jìn)行施工時(shí)，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(nèi)。

3.2 城墻變形對(duì)比分析

為了研究盾構(gòu)下穿城墻施工盾構(gòu)對(duì)城墻的變形影響，現(xiàn)對(duì)2種不同工況下盾構(gòu)施工對(duì)城門(mén)洞中間平面處位移云圖及位移曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析。現(xiàn)選取以下典型斷面處的位移云圖及沉降監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。沿Y＝35m 處城墻位移云圖對(duì)比圖如圖5所示，位移曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖6所示。

對(duì)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(mén)洞周?chē)鷧^(qū)域的變形量最大，該區(qū)域及西邊城門(mén)洞的變形量均超出了10 mm。對(duì)圖5b）分析可知，在工況二條件下施工時(shí)，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(duì)比圖

圖6 兩種不同工況下沿Y＝35 m 處位移曲線(xiàn)對(duì)比圖

從圖6中位移曲線(xiàn)來(lái)看，工況一條件下盾構(gòu)施工城墻地表最大沉降值為11.53 mm，沿X軸方向坐標(biāo)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(shí)，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(nèi)。綜上所述，在工況一條件下施工時(shí)，城墻部分變形將超出其變形允許值，該條件下施工將導(dǎo)致城墻發(fā)生破壞，而在工況二條件下施工時(shí)，城墻的變形均在變形允許范圍之內(nèi)，可保證城墻的安全。

4 盾構(gòu)下穿古城墻施工災(zāi)害防控技術(shù)

4.1 盾構(gòu)施工技術(shù)措施

（1）嚴(yán)格控制土壓力，確保土壓平衡，在土壓平衡狀態(tài)下均速通過(guò)。

（2）及時(shí)注漿減少地層損失，并且嚴(yán)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(jìn)一步加固因開(kāi)挖松動(dòng)的土層，防止松動(dòng)現(xiàn)象向上擴(kuò)展。

（4）嚴(yán)格控制同步注漿及二次注漿的漿液質(zhì)量、注漿量、注漿壓力、速度等，防止注漿引起土體隆起。施工過(guò)程中在地上地下進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，并結(jié)合反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

（5）盾構(gòu)掘進(jìn)前準(zhǔn)備支頂加固材料、注漿材料、搶險(xiǎn)機(jī)具設(shè)備、車(chē)輛、警戒標(biāo)識(shí)物等備用。

（6）在盾構(gòu)到達(dá)城墻影響范圍前，選擇開(kāi)挖面自穩(wěn)性較好的地段對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢修，以減少在下穿城墻段停機(jī)檢修風(fēng)險(xiǎn)。

（7）在盾構(gòu)下穿城墻前，對(duì)盾構(gòu)在鄰近區(qū)間段的施工參數(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，確定出合理的盾構(gòu)施工參數(shù)，這些參數(shù)主要含：盾構(gòu)掘進(jìn)土壓、掘進(jìn)速度、同步注漿壓力、注漿量等，從而得出盾構(gòu)下穿古城墻時(shí)的最佳通過(guò)參數(shù)，保證古城墻的安全。

4.2 盾構(gòu)下穿明城墻基礎(chǔ)變形控制措施

在盾構(gòu)穿越城墻前在距離城墻兩側(cè)5 m 位置打設(shè)直徑1 m 鉆孔灌注樁，樁心間距1.4 m，共設(shè)204根。樁長(zhǎng)分兩種：盾構(gòu)線(xiàn)路兩側(cè)樁長(zhǎng)至盾構(gòu)底下3 m；盾構(gòu)穿越處樁長(zhǎng)至盾構(gòu)頂1.5 m，樁間采用冠梁連接。在沿左右側(cè)門(mén)洞腳各預(yù)設(shè)4排袖閥管，共計(jì)88根，沿墻寬方向間距為2 m、外插角5°、管長(zhǎng)10 m。此加固方法使城墻基座周?chē)耐馏w形成統(tǒng)一整體，不易變形。

4.3 北城門(mén)洞的保護(hù)措施

為確保下穿施工時(shí)城門(mén)洞的安全，施工前在門(mén)洞內(nèi)沿門(mén)洞輪廓設(shè)置一圈I22d工字鋼內(nèi)支護(hù)，縱向間距為1 000 mm；在工字鋼背后貼近門(mén)洞壁全斷面鋪設(shè)3 mm 厚鋼板，并沿洞門(mén)環(huán)向設(shè)置槽鋼加強(qiáng)縱向聯(lián)系，間距為1 000 mm，加強(qiáng)整體穩(wěn)定。城墻門(mén)洞加固方案示意圖如圖7所示。

圖7 城墻門(mén)洞加固方案示意圖

4.4 盾構(gòu)下穿明城墻施工變形監(jiān)測(cè)

（1）在城墻上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在城墻腳下兩側(cè)埋設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和在城墻頂上兩側(cè)埋設(shè)沉降、傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每天設(shè)置專(zhuān)人觀測(cè)城墻外觀和監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況并做好原始記錄。

（2）為了滿(mǎn)足測(cè)量精度，選用精密的水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼尺進(jìn)行觀測(cè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和沉降點(diǎn)采用國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求施測(cè)，觀測(cè)時(shí)專(zhuān)人負(fù)責(zé)，每次觀測(cè)線(xiàn)路相同。

（3）監(jiān)測(cè)頻率視施工進(jìn)度及沉降速度而定，當(dāng)出現(xiàn)較大或不均勻沉降時(shí)應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率。

（4）通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)將信息反饋給設(shè)計(jì)與施工作業(yè)面，以采取措施優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)。

（5）變形控制標(biāo)準(zhǔn)：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(gòu)下穿城墻施工典型斷面現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)比

為了檢驗(yàn)盾構(gòu)下穿城墻施工措施的有效性，在盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)地表及城墻的變形展開(kāi)監(jiān)測(cè)，并將典型斷面的實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)與預(yù)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。

4.5.1 地表沉降變形

地表典型斷面預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖8所示。

對(duì)圖9分析可得，從4個(gè)地表典型斷面的實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)與預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)的對(duì)比情況來(lái)看，預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)在趨勢(shì)上能較好地吻合，但實(shí)測(cè)值均比預(yù)測(cè)值大。因地表有車(chē)輛運(yùn)行，在數(shù)值模擬時(shí)將地面的車(chē)輛荷載按靜載來(lái)考慮，而實(shí)際上車(chē)輛的荷載為動(dòng)載，動(dòng)載的作用效果比靜載的作用效果大，故導(dǎo)致實(shí)測(cè)沉降值比預(yù)測(cè)沉降值大。從實(shí)測(cè)的沉降值來(lái)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(nèi)。Y＝33 m 斷面和Y＝53 m 斷面處在鉆孔灌注樁加固區(qū)域范圍內(nèi)，對(duì)城墻基礎(chǔ)起到了隔離作用，這2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降值均在變形允許范圍之內(nèi)。綜合上述分析，預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)能與實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)較好地吻合，能較好地預(yù)測(cè)出盾構(gòu)下穿城墻施工時(shí)地表的沉降趨勢(shì)。實(shí)測(cè)沉降值均在其變形允許范圍之內(nèi)，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(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)與預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖9所示。

圖8 地表典型斷面預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)對(duì)比圖

圖9 城墻典型斷面預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)對(duì)比圖

從圖可知，沿Y＝35 m 斷面處位于城墻上部最南側(cè)，沿Y＝51 m 斷面處于城墻上部最北側(cè)。從圖中可以看出，預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)能較好地和預(yù)測(cè)沉降曲線(xiàn)相吻合，實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)在沿X軸方向坐標(biāo)介于30～75 m 之間比預(yù)測(cè)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(mén)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(nèi)。

4.5.3 城墻沿隧道軸線(xiàn)方向沉降

城墻沿隧道軸線(xiàn)方向沉降監(jiān)測(cè)結(jié)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(xiàn)方向城墻上部最外側(cè)，距隧道軸線(xiàn)16 m，而X＝40 m 位于距沿隧道軸線(xiàn)方向城墻最東側(cè)距離6 m，距離隧道軸線(xiàn)距離22 m。從圖中2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線(xiàn)來(lái)看，距隧道軸線(xiàn)越近變形越大，城墻距隧道軸線(xiàn)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(nèi)。證明在距城墻基礎(chǔ)5 m 處采用直徑1.0m、間距1.4 m 的鉆孔灌注樁進(jìn)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(xiàn)方向城墻沉降監(jiān)測(cè)

4.5.4 城墻傾斜監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)下穿城墻施工過(guò)程中對(duì)城墻的傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)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(mén)洞附近區(qū)域；城墻沿Y＝51 m 斷面處最大傾斜斜率為0.389‰。遠(yuǎn)小于其允許傾斜斜率3‰；沿隧道軸線(xiàn)方向的城墻墻體主要是因?yàn)槎軜?gòu)施工導(dǎo)致地表沉降變形使城墻墻體產(chǎn)生沿X軸方向的傾斜。盾構(gòu)施工后距隧道軸線(xiàn)16 m 處城墻斷面的最大傾斜斜率為0.092‰，遠(yuǎn)小于其允許傾斜斜率3‰。從傾斜斜率的大小來(lái)看，離城門(mén)洞距離越遠(yuǎn)，城墻墻體的傾斜斜率越小。

綜上所述，在盾構(gòu)施工前在距城墻基礎(chǔ)5 m 處采用直徑1.0m、間距1.4 m 的鉆孔灌注樁對(duì)城墻基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)加固，同時(shí)對(duì)城門(mén)洞采用工字鋼及鋼板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)后，在進(jìn)行盾構(gòu)下穿北門(mén)城墻施工，可以有效地減小城墻基礎(chǔ)及城墻上部結(jié)構(gòu)的沉降變形、傾斜變形，從而保證城墻的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用FLAC3D 軟件計(jì)算預(yù)測(cè)了2種不同工況時(shí)盾構(gòu)下穿明城墻施工的城墻變形值。研究結(jié)果表明，在未對(duì)城墻進(jìn)行預(yù)加固時(shí)，城墻變形量將超出了其變形允許值，最終導(dǎo)致其破壞；而采取加固措施后再進(jìn)行施工可有效地保證城墻變形在允許范圍之內(nèi)。提出的盾構(gòu)下穿城墻施工的施工災(zāi)害防控技術(shù)措施及變形控制措施合理可行。目前西安地鐵2號(hào)線(xiàn)已經(jīng)建成并投入試運(yùn)營(yíng)，目前運(yùn)營(yíng)正常，表明本文的研究成果是可靠的。

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