朱啟東+文保軍+王 磊+鄒 鑫

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西安地鐵4號(hào)線盾構(gòu)下穿古城墻保護(hù)技術(shù)措施研究

朱啟東+文保軍+王 磊+鄒 鑫

摘 要：以西安地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿和平門城墻工程為背景，通過(guò)對(duì)以往西安地鐵下穿城墻成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，利用有限元軟件建立三維空間模型，對(duì)地層、古城墻沉降進(jìn)行有限元模擬分析，預(yù)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(hù)方案。施工過(guò)程中沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，模擬分析結(jié)果符合盾構(gòu)施工期間地層和城墻沉降的基本規(guī)律，采取的技術(shù)措施和設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，可作為今后類似工程的參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)下穿古城墻；數(shù)值模擬；保護(hù)措施中圖分類號(hào)：U452

朱啟東：中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，工學(xué)碩士，工程師，陜西西安710054

1　工程概況

西安地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿古城門和平門，和平門區(qū)段范圍內(nèi)城墻高約12 m，頂寬15 m，底寬18 m，城墻基礎(chǔ)采用埋深2 m 磚砌條形基礎(chǔ)，古城墻結(jié)構(gòu)形式為夯筑芯墻+外包磚，隧道埋深為18.2 m，拱頂?shù)匠菈鬃钚艟嗉s16.2 m。盾構(gòu)隧道穿越的地層是西安地區(qū)常見(jiàn)的古土壤、老黃土及粉質(zhì)粘土層。為確保施工期間古城墻的安全，采用對(duì)地面沉降控制較好的盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)施工期間在城墻范圍地表最大沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)為 +5～-15 mm，局部?jī)A斜控制標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系圖

2　有限元模型及參數(shù)

2.1有限元模型

盾構(gòu)隧道下穿和平門城墻施工時(shí)將會(huì)導(dǎo)致地層位移，從而引起城墻變形和應(yīng)力變化。利用 MIDAS GTS有限元軟件建立地層-結(jié)構(gòu)三維空間模型，考察盾構(gòu)下穿施工對(duì)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(yīng)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(duì)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(chǔ)、門洞拱結(jié)構(gòu)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(cè)城墻磚之間，城墻夯土自重荷載是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中最主要的地表超載，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)控制有著重要影響，此處采用實(shí)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(jié)構(gòu)及中隔墻模擬。門洞拱結(jié)構(gòu)上的荷載來(lái)自城墻自身，模型中采用三維板單元來(lái)模擬門洞拱結(jié)構(gòu)。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(guò)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(shí)體單元來(lái)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(chǔ)的模擬。調(diào)查表明，門洞隔墻下方基礎(chǔ)為磚砌條形基礎(chǔ)，條形基礎(chǔ)加固地層的作用主要體現(xiàn)為群體效應(yīng)，故采用整體模擬的方法來(lái)代替城墻基礎(chǔ)的模擬，如圖7所示。模型中采用實(shí)體單元來(lái)整體模擬城墻基礎(chǔ)加固地層效應(yīng)。

圖7　中隔墻基礎(chǔ)模擬單元

2.2計(jì)算參數(shù)

選取西安地鐵4號(hào)線和平門—大差市站區(qū)間YDK14+768.374處進(jìn)行三維有限元分析，地層土性參數(shù)見(jiàn)表1。

3　有限元模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1計(jì)算工況及計(jì)算點(diǎn)選取

3.1.1計(jì)算工況

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)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(jiàn)圖8。

表1　地層土性參數(shù)表

圖8　計(jì)算工況

3.1.2計(jì)算點(diǎn)選取

依據(jù)盾構(gòu)施工中監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的布置原則，選取較為關(guān)鍵的盾構(gòu)隧道正上方地表處及城墻基礎(chǔ)處作為沉降計(jì)算點(diǎn)。城墻基礎(chǔ)沉降計(jì)算點(diǎn)5個(gè) Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ（其中Ⅰ、Ⅱ 兩點(diǎn)位于左線隧道上方左右兩側(cè)，Ⅳ、Ⅴ兩點(diǎn)位于右線隧道上方左右兩側(cè)）；地表沉降計(jì)算點(diǎn)2個(gè) Ⅵ、Ⅶ，見(jiàn)圖9。

圖9　計(jì)算點(diǎn)布置示意圖

3.2計(jì)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(gòu)隧道完全貫通，地表及地層沉降的分布情況如圖10所示?？梢钥闯?，由于左線盾構(gòu)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(dá)到最大37.0 mm；左線隧道上方地表 Ⅵ 點(diǎn)處最大沉降8.8 mm，右線隧道上方地表 Ⅶ 點(diǎn)處最大沉降1.2 mm，沉降主要發(fā)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(chǔ)沉降

圖11　工況1城墻基礎(chǔ)沉降云圖（單位：m）

城墻基礎(chǔ)沉降的分布情況如圖11所示?？梢钥闯觯瑴\基礎(chǔ)的城墻受到盾構(gòu)隧道施工影響明顯，城墻基礎(chǔ)沉降點(diǎn)Ⅰ點(diǎn)處最大沉降3.9 mm ，Ⅱ點(diǎn)處最大沉降5.2 mm，Ⅲ點(diǎn)處最大沉降5.2 mm，Ⅳ點(diǎn)處最大沉降3.6 mm、Ⅴ點(diǎn)處最大沉降小于1.0 mm。城墻基礎(chǔ)最大沉降Ⅱ點(diǎn)處沿隧道縱向城墻基礎(chǔ)最大局部?jī)A斜率約0.52‰。

3.3計(jì)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?？梢钥闯?，受到右線盾構(gòu)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(gè)“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?shù)貙映两?7.0 mm，右線隧道頂?shù)貙映两?7.2 mm。左線隧道上方地表Ⅵ點(diǎn)處最大沉降9.2 mm，右線隧道上方地表Ⅶ點(diǎn)處最大沉降9.5 mm，可見(jiàn)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(chǔ)沉降

城墻基礎(chǔ)沉降的分布情況如圖13所示。可以看出，淺基礎(chǔ)的城墻受到盾構(gòu)隧道施工影響明顯，城墻基礎(chǔ)Ⅰ點(diǎn)處最大沉降5.4 mm，Ⅱ點(diǎn)處最大沉降7.7 mm，Ⅲ點(diǎn)處最大沉降8.7 mm，Ⅳ點(diǎn)處最大沉降7.3 mm，Ⅴ點(diǎn)處最大沉降4.1 mm。城墻基礎(chǔ)最大沉降點(diǎn)Ⅲ點(diǎn)處沿隧道縱向城墻基礎(chǔ)最大局部?jī)A斜率約0.87‰。

圖13　工況2城墻基礎(chǔ)沉降云圖（單位：m）

4　加固方案及沉降監(jiān)測(cè)

參照西安地鐵已施工線路穿越文物段加固保護(hù)措施，綜合考慮到和平門城墻結(jié)構(gòu)形式、隧道埋深、地層分布等邊界條件，并結(jié)合有限元模擬計(jì)算結(jié)果，采用門洞基礎(chǔ)下方預(yù)埋袖閥管，跟蹤注漿的保護(hù)措施，同時(shí)，在門洞內(nèi)側(cè)增加設(shè)置型鋼拱架支撐的保護(hù)措施。

4.1和平門城墻加固措施

4.1.1型鋼支護(hù)

為了防止由于意外原因?qū)е鲁菈﹂T洞坍塌，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性和不破壞城墻門洞原狀，較好地保護(hù)文物景觀和城墻本體，采用門洞內(nèi)側(cè)增加設(shè)置型鋼拱架支撐的保護(hù)措施，如圖14所示。

圖14　門洞內(nèi)側(cè)型鋼拱架支撐保護(hù)措施

4.1.2袖閥管地層加固

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)前，在地表城墻門洞基礎(chǔ)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(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況可進(jìn)行補(bǔ)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(jiān)測(cè)

西安地鐵4號(hào)線左、右線盾構(gòu)隧道于2015年6月～10月完成和平門城墻段下穿，根據(jù)西安市地鐵4號(hào)線試驗(yàn)段“第三方監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 D4JCFW-1標(biāo)段監(jiān)測(cè)成果報(bào)告”，施工過(guò)程中城墻沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)20處，其中沉降最大為7.2 mm，局部?jī)A斜最大為0.72‰；和平門城墻段地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)30處，其中最大地表沉降為10.4 mm。實(shí)際城墻沉降和地表沉降趨勢(shì)與理論計(jì)算一致，城門門洞和城墻均未出現(xiàn)裂縫等破損現(xiàn)象，保護(hù)良好。

5　結(jié)論與建議

（1）西安地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿和平門段城墻設(shè)計(jì)、施工中采用的有限元模擬分析符合盾構(gòu)施工期間地層和城墻沉降規(guī)律，模擬分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，地面沉降最大值均小于15 mm 的標(biāo)準(zhǔn)要求，城墻基礎(chǔ)局部?jī)A斜均小于1‰ 的標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足西安地鐵城墻保護(hù)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)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(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道施工中控制好土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度等參數(shù)，及時(shí)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(shù)措施；

（3）建議盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中土倉(cāng)壓力控制在0.2 MPa 以內(nèi)，掘進(jìn)速度控制在30 mm/min 以內(nèi)，二次注漿壓力控制在0.25 MPa 以內(nèi)，以避免盾構(gòu)下穿施工時(shí)引起過(guò)大沉降。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 朱開(kāi)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