王志強 穆保崗

東南大學土木工程學院 南京 211189

引言

南京明城墻是中國現(xiàn)存規(guī)模最大的古代都市城垣，保存至今已600 余年，具有極高的歷史及文物保護價值［1，2］。20 世紀60 年代末70年代初，基于當時國內外形勢，南京在明城墻內部修建了大量的人防工事，建筑面積達5 萬余m2。由于年久失修，人防工事的支護結構普遍存在開裂、坍塌等病害，對南京城墻的安全十分不利。特別是九華山段城墻，該段城墻內部人防工事病害最為嚴重，磚襯砌裂縫縱橫，亟需采取加固措施。

人防工事加固時城墻的穩(wěn)定性問題與城墻城門加固類似，鄧春燕等通過有限元分析的手段，研究了城墻拱門基礎不均勻沉降和城墻內部夯土強度折減對城墻拱城門結構變形和受力的影響，并提出了內襯混凝土空間結構的加固方法［3］；雷永生通過有限元分析和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，進行了地鐵下穿城墻及鐘樓的保護措施研究，提出了一套隧道穿越城墻時對城門洞及城墻外墻的加固措施［4］；彭國東等基于大量人防工事加固工程的案例，總結了實用的地下人防工事加固設計方法［5］；馮超等通過現(xiàn)場實測的方式進行了地鐵隧道下穿古城墻的城墻加固措施研究，介紹了隧道下穿過程中城墻及城門洞的加固和監(jiān)測方案［6］。南京城墻是全國重點文物保護單位，蘊含著獨特的價值，必須保證加固施工過程中城墻的安全性以及加固措施的有效性，有必要進一步研究人防工事支護結構的破壞機理以及加固施工對城墻的影響。

1 概況

1.1 人防工事概況

南京城墻內部人防通道均為直墻拱形結構，寬1m ～3.2m，高度1.75m ～3m。沿線勘查結果表明，南京城墻內部人防工事原有28 個，大多已廢棄多年，現(xiàn)存人防工事共計24 處，全長19.403km，與現(xiàn)有城墻全長24.5km 相比占比較高。人防洞室襯砌材料主要為混凝土與磚混結構。

南京城墻九華山段位于九華山西側，總長度1660m左右，如圖1 所示。城墻地面內外高差達5m，該段城墻高約15.7m，底部寬約11m，頂部寬約10m；人防洞室斷面寬約1.5m，高約2m，支護結構為250mm厚磚砌體，如圖2 所示。

圖1 九華山段城墻位置示意圖Fig.1 Location of the Mount Jiuhua section of the city wall

圖2 九華山段城墻斷面Fig.2 Section of the city wall of Mount Jiuhua

1.2 病害調查

經現(xiàn)場勘查，南京城墻內部人防工事病害主要表現(xiàn)為：鋼筋銹蝕、襯砌裂縫（環(huán)向裂縫及斜向裂縫、縱向裂縫、豎向裂縫）、地面隆起開裂、滲漏及積水、塌方、析白等。24 處人防工事中各類病害的情況，如圖3 所示。

圖3 人防工事主要病害統(tǒng)計情況Fig.3 Statistics of main diseases of civil defense fortifications

由圖3 可知，人防工事各類病害中，襯砌裂縫最為嚴重，24 處人防工事均出現(xiàn)襯砌裂縫的病害。人防洞室的坍塌、開裂等病害是目前南京城墻面臨的主要安全問題，根據(jù)現(xiàn)場勘察結果，九華山段人防洞室的襯砌裂縫最為密集，包括環(huán)向、斜向、豎向、縱向裂縫，其中環(huán)向裂縫14條，縱向裂縫4 條，斜向裂縫2 條，豎向裂縫6條，并且還有多處坍塌和地坪隆起。

2 襯砌破壞機理分析

2.1 理論分析

九華山段城墻內部人防工事可以近似視作深埋洞室，因為人防通道上方是具有一定自身承載能力的干碼城磚，可利用普氏塌落拱理論理論計算其松動圍巖壓力［7］。

1.塌落拱拱高的確定

按照松散體理論，襯砌背部巖土體坍塌形成的破裂面與垂直軸的夾角為（45° －φ／2），由此可得塌落拱的影響范圍，如圖4 所示。

圖4 塌落拱影響范圍示意Fig.4 The indication of influence scope of collapse arch

式中，a為毛洞跨度的一半；h為毛洞高度；a1為塌落拱跨度的一半；φ為巖土體內摩擦角。

按照普氏理論計算人防洞室塌落拱高度，即：室尺寸的影響。雨水及地下水滲流是影響城墻墻芯強度的主要因素，一方面會導致作用于襯砌結構的外荷載持續(xù)增加，另一方面會導致城墻墻芯和襯砌結構強度降低，最終引發(fā)襯砌結構的失效和城墻內部的局部坍塌。因此，建議對城墻裂縫進行修補，完善排水系統(tǒng)，阻斷雨水及地下水的滲流通道；同時，注漿加固人防洞室周邊墻芯，以提高墻芯的物理力學性能。

2.2 有限元分析

1.有限元模型的建立

城墻縱向長度較大，可以看作平面應變問題。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料，取城墻典型斷面進行分析，如圖2 所示。利用有限元軟件ABAQUS建立九華山段城墻的二維有限元模型，分析磚襯砌的變形破壞機理，模型網(wǎng)格劃分如圖5 所示。模型的邊界條件為：約束地基土體底部的水平及豎向位移和左右兩側的水平位移。外包砌體與墻芯強度不同，在豎向荷載作用下兩者的變形不一致，因此，考慮外包砌體與墻芯之間的接觸問題，設置接觸面，接觸界面摩擦系數(shù)取0.3［8］。

圖5 城墻模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Finite Element Mesh of City Wall Model

式中，h0為塌落拱拱高；fk為巖石堅固性系數(shù)，取0.78。

根據(jù)普氏理論計算得到人防洞室塌落拱高度h0＝2.15m。

2.圍巖壓力的確定

普氏理論認為洞室開挖后，在洞室上部會出現(xiàn)曲線狀的塌落拱，支護結構僅需承擔拱內的土體的重量，作用于人防洞室支護結構的圍巖垂直均布壓力即可表示為：

式中，q為作用于支護結構的垂直均布壓力；γ為巖土體的重度。

根據(jù)式（3）計算得到作用于人防洞室支護結構的垂直均布壓力q＝40.9kPa。

根據(jù)上述分析可知，作用于人防洞室襯砌拱頂?shù)膲毫χ饕艿綁π疚锢砹W性能以及人防洞

2.模型參數(shù)的確定

城墻模型包括城墻外包砌體、墻芯、磚襯砌、地基土四部分。城墻外包砌體、墻芯采用Drucker-Prager本構模型進行模擬［9］；地基土采用Mohr-Coulomb 本構模型進行模擬，該模型可以較好地模擬材料受剪破壞的問題［10］。根據(jù)相似的研究成果確定九華山段明城墻外包砌體及墻芯的計算參數(shù)［11，12］。人防工事的磚襯砌采用雙剪統(tǒng)一強度理論計算得到黏聚力及內摩擦角等參數(shù)，再利用Mohr-Coulomb 本構模型進行模擬［13，14］。模型各部分結構的具體計算參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)表Tab.1 Material physical and mechanical parameters

3.模擬工況

人防洞室施工和磚襯砌強度折減必然會引起城墻的應力變化而出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，進而導致城墻發(fā)生破壞。為研究人防洞室施工和支護結構材料性能惡化對城墻以及人防洞室支護結構的影響，考慮如下兩種工況：工況一：進行人防洞室的開挖模擬，分析人防洞室開挖對城墻受力和變形的影響；工況二：受雨水和地下水侵蝕，磚襯砌的強度會顯著降低，進行磚襯砌性能惡化的模擬，分析襯砌結構性能惡化對城墻邊墻和襯砌結構受力和變形的影響。本文通過減小磚襯砌的黏聚力和內摩擦角的方式來模擬磚襯砌材料性能的惡化，劣化后磚襯砌的黏聚力和內摩擦角取為原來的80%。

4.結果分析

（1）城墻水平位移分析

人防洞室施工完成后城墻內外側水平位移曲線如圖6 所示，正值表示朝向城墻外側方向的位移，負值表示朝向城墻內側方向的位移?？梢园l(fā)現(xiàn)，人防洞室施工引起墻芯應力重分布，導致作用在城墻外包砌體的作用力發(fā)生變化，城墻產生向墻外側的水平位移，城墻水平位移從下至上逐步增大；工況二城墻水平位移趨勢與工況一一致，城墻水平位移繼續(xù)發(fā)展，位移值約為工況一的2 ～3 倍，說明支護結構材料性能劣化會加劇城墻外包砌體變形。

圖6 城墻水平位移曲線Fig.6 Horizontal displacement curve of city wall

（2）襯砌結構變形及受力分析

1）襯砌結構變形

圖7反映了不同工況下磚襯砌的變形情況，可以看出：磚襯砌出現(xiàn)了拱頂下沉和底板向上隆起的現(xiàn)象，為典型的直墻拱形襯砌破壞模式，模擬結果與現(xiàn)場勘測的人防洞室襯砌結構的變形破壞趨勢一致；磚襯砌兩側邊墻墻底出現(xiàn)差異沉降，磚襯砌對基礎的不均勻沉降極為敏感，所以有必要采取措施控制人防洞室左右拱腳的差異沉降，保證人防洞室的穩(wěn)定；工況一人防洞室開挖完成后，拱頂沉降量為1.45mm，底板隆起量為6.40mm；工況二拱頂沉降量為2.56mm，底板隆起量為9.64mm，相較工況一均有不同程度的增加，見表2，說明支護結構材料性能的劣化會導致襯砌結構變形的進一步發(fā)展，增加人防洞室坍塌的風險。

表2 不同工況磚襯砌豎向變形Tab.2 Vertical deformation of brick lining under different working conditions

圖7 不同工況下襯砌結構變形云圖（單位： m）Fig.7 Deformation nephogram of lining structure under different working conditions（unit：m）

2）襯砌結構應力

圖8反映了不同工況下直墻拱磚襯砌的受力規(guī)律，結合工況一和工況二可知：人防洞室開挖后，直墻拱磚襯砌拱頂、拱肩內側和底板附近主要呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，邊墻中部呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，最大拉應力值出現(xiàn)在拱底中部；支護結構材料性能的劣化會導致直墻拱磚襯砌受拉區(qū)域的增大，磚襯砌容易產生受拉破壞。

圖8 直墻拱磚襯砌最大主應力云圖（單位： kPa）Fig.8 Maximum principal stress nephogram of straight wall arch brick lining（unit：kPa）

3 加固方案研究

3.1 加固方案

為阻止九華山段城墻及人防洞室變形的持續(xù)發(fā)展，保證城墻的穩(wěn)定性，擬定錨噴支護＋注漿＋磚墻支承的加固設計方案，如圖9 所示。

圖9 人防斷面加固圖（單位： mm）Fig.9 Reinforcement of Civil Air Defense Section（unit：mm）

3.2 監(jiān)控量測

施工過程中監(jiān)控量測城墻的水平位移、人防工事支護結構的拱頂沉降和凈空水平收斂，監(jiān)測測點布置如圖10 所示。城墻水平位移監(jiān)測時間從施工開始至施工完成后3 個月，施工過程中平均每1 ～2 天監(jiān)測一次，施工完成后平均每5 ～7天監(jiān)測一次。人防工事拱頂沉降及凈空水平收斂監(jiān)測時間為施工完成后3 個月，平均每2 ～4 天監(jiān)測一次。施工過程中根據(jù)監(jiān)測結果及時調整施工前進速度和注漿參數(shù)。

圖10 城墻及人防工事測點布置（單位： mm）Fig.10 Layout of measuring points for urban walls and civil defense works（unit：mm）

施工期間城墻水平位移曲線如圖11 所示?？梢钥闯觯朔拦な录庸坦こ涕_始施工后，城墻呈現(xiàn)出向城墻外側偏移的趨勢，最大位移0.3mm。初步分析原因是人防洞室靠近左側城墻，墻芯受施工的擾動，外側城墻承擔更大的土壓力。整個施工過程中，城墻整體水平位移不大，加固施工未對城墻本體造成較大影響。

圖11 施工過程中城墻水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of city wall during construction

加固完成后，城墻水平位移及人防洞室變形監(jiān)測結果如圖12 ～圖14 所示。由圖12 可知，施工完成后3 個月內，城墻水平位移曲線基本穩(wěn)定，內外邊墻水平位移趨勢一致，城墻水平位移不再發(fā)展。由圖13 和圖14 可知，加固工程施工完成后，受支護結構上部荷載的影響，支護結構拱頂整體呈下沉趨勢，各監(jiān)測點下沉量基本一致，沉降速率約為0.011mm／d；支護結構側墻向內收斂，各測點水平凈空收斂量基本一致。在觀測時間內，水平凈空收斂速率保持平穩(wěn)，約為0.005mm／d；在施工完成110d后，人防洞室拱頂下沉和水平凈空收斂均達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 城墻水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curve of the city wall

圖13 人防洞室拱頂下沉曲線Fig.13 The vault subsidence curve of civil air defense cavern

圖14 人防洞室水平凈空收斂曲線Fig.14 Horizontal clearance convergence curve of civil air defense cavern

4 結語

本文針對南京城墻內部人防工事常見病害進行了總結分析，并通過理論計算與數(shù)值模擬的方法研究了人防工事支護結構的破壞機理，提出了九華山段城墻內部人防工事的加固方案，最后對人防工事加固施工過程中以及加固完成后城墻的水平位移、人防洞室拱頂沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，驗證了該加固措施的安全和有效性。主要得到以下結論：

1.本文基于普氏理論計算得到南京九華山段城墻內部人防洞室塌落拱高度為2.15m，作用于襯砌拱頂?shù)木級毫s為40.9kPa，人防洞室襯砌拱頂?shù)膲毫χ饕艿綁π疚锢砹W性能以及洞室尺寸的影響。建議通過注漿的方式加固人防洞室周邊土體，減小作用于襯砌的荷載。

2.通過建立城墻和人防洞室數(shù)值模型進行分析，人防洞室開挖會造成城墻的水平位移，磚襯砌出現(xiàn)底板隆起以及拱頂下沉的現(xiàn)象，底板隆起量為6.40mm，拱頂下沉量為1.45mm。

3.支護結構材料性能惡化會造成城墻和人防洞室變形的進一步發(fā)展，城墻水平位移增加1 ～2倍，底板隆起量增加0.51 倍，拱頂下沉量增加0.77倍，襯砌底板和拱頂可能產生受拉破壞，與現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)的襯砌變形破壞趨勢一致。因此，進行加固設計時應當注意這些部位的加固。

4.通過現(xiàn)場監(jiān)測論證本文提出的城墻內部人防工事加固方案，該方案可以保證施工過程中城墻的安全，并且有效控制襯砌結構的收斂變形，因此錨噴支護＋注漿＋磚墻支承的加固方案是可行的。