許炳剛 余 魁 郭 敏 黃 誠

1. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122 2. 南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 210009

0 引言

古城墻蘊(yùn)藏著地方文化內(nèi)涵，歷史悠久。由于其年代久遠(yuǎn)，部分結(jié)構(gòu)和材料受損或強(qiáng)度降低，當(dāng)擬建地鐵線路盾構(gòu)施工影響區(qū)波及古城墻時(shí)，若沒有做好保護(hù)工作，可能會(huì)造成城墻開裂、沉降、坍塌等破壞（圖1），帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，某地地鐵施工期間，鄰近城墻多段均不同程度地出現(xiàn)了城磚破損、開裂等現(xiàn)象。

圖1 古城墻病害

作為歷史文化名城的南京、西安等地，城區(qū)地鐵規(guī)劃中多處線路穿越古城墻，因此盾構(gòu)施工中古城墻的保護(hù)問題亟待研究?？靛\霞等針對(duì)平遙古城墻砂漿和磚的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為墻體養(yǎng)護(hù)維修提供參考。任建喜等采用數(shù)值模擬手段，模擬了西安地鐵2 號(hào)線穿越明城墻南大門時(shí)不同的施工工況，并提出了最佳方案。梁志闖等針對(duì)西安南門古城墻進(jìn)行動(dòng)力分析，結(jié)果表明：城墻水平位移和加速度突出，最大值均出現(xiàn)在城墻頂部并呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)。夏倩等采用動(dòng)力測(cè)試方法對(duì)西安古城墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，并運(yùn)用峰值法（PP）、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA）等進(jìn)行模態(tài)分析，并基于此建立城墻有限元模型，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。周長(zhǎng)東等為減小降雨入滲對(duì)故宮城墻的破壞提出了采用對(duì)穿碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）錨桿加固城墻的措施。申喜旺等提出在城墻土體分層夯筑時(shí)可采用玻璃纖維拉筋支撐和拉結(jié)夯土，從而提高墻體穩(wěn)定性。綜上可以看出：各類學(xué)者對(duì)古城墻的保護(hù)研究多集中在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬上，研究成果主要關(guān)注古城墻的病害影響，需要進(jìn)一步系統(tǒng)性地總結(jié)盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)機(jī)制及古城墻的保護(hù)措施。

本文回顧總結(jié)了有關(guān)地鐵盾構(gòu)施工穿越古城墻的研究，分析了盾構(gòu)施工作用下古城墻的病害成因，并從城墻本體加固、建設(shè)過程中施工控制和建設(shè)前期路線規(guī)劃等方面總結(jié)盾構(gòu)施工過程中城墻安全保護(hù)措施。

1 盾構(gòu)施工引起的地層變形機(jī)制

盾構(gòu)法由于安全性高、防滲性能好，被廣泛應(yīng)用于地鐵施工。但施工開挖會(huì)對(duì)原狀土產(chǎn)生擾動(dòng)，在盾構(gòu)機(jī)的卸加載下，土體孔隙水壓、含水量發(fā)生變化，造成土體應(yīng)力重分布，應(yīng)力路徑發(fā)生變化，進(jìn)而引起周圍土層變形，產(chǎn)生地表沉降。盾構(gòu)施工過程中，原狀土體可能會(huì)出現(xiàn)3 種擾動(dòng)類型。一是盾構(gòu)過程中頂推力大于土壓力，開挖前方土體受擠壓出現(xiàn)頂部隆起現(xiàn)象；二是盾構(gòu)過程中頂推力小于土壓力導(dǎo)致刀盤超挖，或由于地層軟硬不均，局部軟土體超挖坍塌，開挖前方土體產(chǎn)生沉降；三是盾構(gòu)機(jī)推出管片時(shí)，由于同步注漿控制不良導(dǎo)致地層損失，從而引起后方土體產(chǎn)生沉降。通常前方原狀土體主要受擠壓力作用，側(cè)面主要受剪切力作用，且前方原狀土的擾動(dòng)程度大于側(cè)面。

2 盾構(gòu)近接施工作用下古城墻病害成因

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有城墻大多都是典型的砌體結(jié)構(gòu)，存在磚體與膠結(jié)材料強(qiáng)度差異大、抗風(fēng)化能力弱等缺點(diǎn)，再加上歷經(jīng)多年，墻體受損較嚴(yán)重。造成古城墻病害的原因多種多樣，如地鐵開挖引起的地表沉降或施工產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致墻體自身抗損能力降低。

2.1 地鐵施工作用

南京、西安等地的古城墻自身存在較多暗堡和人防洞，其存在造成部分墻體出現(xiàn)“空洞區(qū)”，施工過程中更易引起城墻局部松動(dòng)。盾構(gòu)施工引起的地表沉降會(huì)導(dǎo)致城墻地基下沉，進(jìn)而導(dǎo)致墻體變形破壞。錢春宇等以西安城墻為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了地鐵盾構(gòu)施工對(duì)城墻的影響，建議將城墻地表變形量控制在-15 ～5 mm，局部?jī)A斜控制在0.001；并建立隧道-土體-城墻有限元模型，針對(duì)變形預(yù)測(cè)和加固進(jìn)行分析研究。范沈龍對(duì)南京地鐵5 號(hào)線下穿挹江門城墻工程進(jìn)行了安全評(píng)估分析。研究結(jié)果表明：地鐵盾構(gòu)施工會(huì)引起城墻產(chǎn)生不均勻沉降，使城墻局部位置產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致城墻局部產(chǎn)生裂縫，對(duì)城墻的結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生不利影響。

2.2 施工機(jī)械振動(dòng)作用

地鐵盾構(gòu)過程中，城墻所受到的工業(yè)振動(dòng)激勵(lì)源主要分為以下3 個(gè)方面（表1）。

表1 工業(yè)振動(dòng)激勵(lì)源

雖然經(jīng)過隧道上覆土層的過濾與衰減，施工振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)減小，但對(duì)城墻本體還是會(huì)產(chǎn)生一定的影響。故施工機(jī)械振動(dòng)不容忽視。

3 古城墻保護(hù)原則及安全控制標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)施工穿越古城墻時(shí)，若不采取合適的加固措施勢(shì)必影響古城墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。地鐵建設(shè)與古城墻保護(hù)同樣重要，在確保地鐵順利建設(shè)的同時(shí)，要采取科學(xué)合理的施工方式與相配套的治理體系，堅(jiān)持不改變古城墻原貌以及盡量保存古城墻原有材料完整性的原則，制定完善的管理制度和合理的施工參數(shù)。古城墻加固原則如表2 所示。

表2 古城墻加固原則

嚴(yán)格控制地表沉降量可有效減少對(duì)城墻的損壞，制定合適的控制標(biāo)準(zhǔn)可保證城墻的安全使用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地鐵盾構(gòu)下地表最大沉降不超過30 mm，城墻傾斜控制在2‰內(nèi)，我國(guó)城市地鐵施工時(shí)周邊城墻與地表變形預(yù)警值如表3 所示。

表3 城墻與地表變形預(yù)警值[10]單位：mm

對(duì)于地鐵鄰近古城墻的安全性評(píng)價(jià)，歸根結(jié)底是要明確土層的變化規(guī)律，進(jìn)而明確土層的變形控制指標(biāo)。然而單一的監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)往往很難對(duì)古城墻由于復(fù)雜多樣的原因產(chǎn)生的破壞損傷進(jìn)行評(píng)估，因此需從多方面、采用多指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 盾構(gòu)近接施工作用下古城墻保護(hù)措施

為保護(hù)地鐵鄰近的古城墻，防止盾構(gòu)施工對(duì)城墻造成不利影響，一般采取加固措施減小城墻變形。此外，也可采取一些被動(dòng)措施對(duì)城墻進(jìn)行保護(hù)。結(jié)合盾構(gòu)施工過程中墻體破壞機(jī)制，可分別從土體加固、墻體加固、盾構(gòu)施工控制和路線合理規(guī)劃4 個(gè)方面來考慮。

4.1 土體加固

隨著地下空間的不斷拓展，基坑工程越來越多，對(duì)周邊臨近建筑的地基加固方法也越來越多，按加固方式大致分為土體置換、土體加筋、土體振密和土體固化。針對(duì)人工填土、黏性土、淤泥質(zhì)土、黃土等土體，采用注漿的手段進(jìn)行土體固化，土層性質(zhì)的改善提高了土體剛度，進(jìn)而抵消部分沉降變形，達(dá)到了保護(hù)城墻的目的。此外，采用土體加筋的方法，通過在城墻外設(shè)置鉆孔灌注樁來隔斷沉降槽，也可達(dá)到減少城墻周邊土體擾動(dòng)的效果。

4.2 墻體加固

在對(duì)城墻周邊地基進(jìn)行加固處理的同時(shí)，也可對(duì)城墻墻體進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的加固改造，從而達(dá)到減少土體擾動(dòng)，進(jìn)而減小地表變形的效果；在城墻墻面設(shè)置鋼板網(wǎng)、門洞設(shè)置加固鋼架可有效減小墻體的變形，提高墻體整體的穩(wěn)定性。

4.3 盾構(gòu)施工控制

對(duì)盾構(gòu)工程進(jìn)行施工控制可減少土層的擾動(dòng)和施工中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。在地鐵穿越古城墻工程中，主要施工控制措施包括以下兩點(diǎn)。

（1）盾構(gòu)穿越城墻段時(shí)，保持掘進(jìn)速度恒定，確保方向正確，減小偏差。盾構(gòu)掘進(jìn)必須在合適位置開始，施工過程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)軸線方向。

（2）為保證盾構(gòu)施工質(zhì)量，可在施工前初步選定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)：①土倉壓力；②推進(jìn)速度；③總推力；④排土量；⑤刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩；⑥注漿壓力和注漿量。其中土倉壓力的控制是整個(gè)掘進(jìn)過程控制的核心。當(dāng)穿越與古文物類似的地層時(shí)可進(jìn)行盾構(gòu)試掘進(jìn)，通過分析試掘進(jìn)段地表沉降與施工參數(shù)之間的關(guān)系，調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)推力、掘進(jìn)速度、盾構(gòu)正面土壓力及壁后注漿量和壓力等參數(shù)。

4.4 路線合理規(guī)劃

路線的合理規(guī)劃可從源頭上減小盾構(gòu)施工對(duì)古城墻的影響?，F(xiàn)有的地鐵穿越城墻工程均是從城墻下方穿越的，適當(dāng)增加雙線分離的間距可有效解決左右線的疊加影響，也有利于減少土體擾動(dòng)造成的地表沉降。

5 結(jié)語

我國(guó)正處在城市地下隧道快速發(fā)展階段，盾構(gòu)施工法由于推進(jìn)速度快、受外界環(huán)境干擾小，已成為我國(guó)地下隧道建設(shè)的主要方法之一。但其對(duì)土體的擾動(dòng)也不可避免地帶來了一系列問題。本文系統(tǒng)梳理了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近古城墻的影響及控制標(biāo)準(zhǔn)，從地表沉降變形機(jī)制、鄰近城墻結(jié)構(gòu)安全性和城墻加固措施等方面進(jìn)行總結(jié)和分析，主要結(jié)論如下。

（1）古城墻自身存在的暗堡和人防洞造成部分墻體出現(xiàn)“空洞區(qū)”。施工過程中更易引起城墻局部松動(dòng)，使其產(chǎn)生不均勻沉降，局部位置產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，對(duì)城墻的結(jié)構(gòu)安全性造成不利影響。

（2）對(duì)古城墻保護(hù)而言，土體固化和土體加筋的方式均可有效改善土體剛度，進(jìn)而抵消部分沉降變形，達(dá)到保護(hù)城墻的目的。

（3）為保護(hù)鄰近古城墻，防止盾構(gòu)施工對(duì)城墻造成不利影響，一般采取加固手段減小城墻變形。此外，也可采取一些被動(dòng)措施對(duì)城墻進(jìn)行保護(hù)，如合理的盾構(gòu)施工控制和路線規(guī)劃均可減少對(duì)古城墻的影響。

若想要進(jìn)一步減少盾構(gòu)施工產(chǎn)生的不利影響，需深入研究盾構(gòu)施工引起的鄰近城墻結(jié)構(gòu)變形機(jī)制，因此進(jìn)一步研究可以從以下兩個(gè)方面考慮。

（1）城墻由于存在砌體結(jié)構(gòu)固有特性，自身裂縫擴(kuò)展復(fù)雜。由于裂縫的存在，盾構(gòu)施工會(huì)引起城墻墻體局部應(yīng)力變化，因此可對(duì)城墻墻體局部損傷進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，提出有效的城墻局部臨時(shí)保護(hù)措施。

（2）古城墻的內(nèi)部存在或多或少的空洞和裂縫，整體結(jié)構(gòu)松散且復(fù)雜，建模難度大?？舍槍?duì)數(shù)值模型假設(shè)進(jìn)行合理性研究，為精細(xì)化建模提供有效、合理的理論參考。