西安地铁一号线盾构隧道下穿朝阳门段城墙沉降数值模拟分析

康 佐，王军琪，邓国华，文保军

(1.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安 710018;2.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安 710054)

0 引言

西安现有4条地铁线路已建或在建，其中有3条线路从古城墙下穿而过。地铁在修建过程中往往会引起地层位移和地面沉降，导致城墙外部砖砌体和内部土芯发生应力重分布，引起砖墙砖块和灰缝开裂、脱落，甚至局部坍塌。在施工中，如何确保城墙及文物的安全，是西安地铁修建过程中不可避免的问题。

地铁穿越古城墙时，最棘手的问题是如何确定沉降控制标准，并以此为依据确定相应的加固保护措施。在先期施工的西安地铁二号线中，地铁隧道穿越了永宁门、安远门及钟楼，针对该工程，一些学者对其也进行了分析研究，并提出了一系列的沉降控制值和加固保护措施。如文献［1］对盾构区间穿越二号线永宁门城墙期间的城墙墙体和土芯的应力变化进行了研究，认为盾构施工引起的地表最大沉降量应控制在20 mm以内;文献［2－6］也进行了相关研究，分别提出了相应的沉降控制值。但是以上文献均没有将其总结为一个沉降控制标准，同时二号线采用的部分加固措施存在优化的可能性。本文在西安地铁二号线相关研究的基础上，进一步验证了古城墙的沉降控制值，并建议将其作为沉降控制标准，同时对施工期间古城墙的保护措施做了相应简化，可为今后类似工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况

1.1 朝阳门门洞及城墙概况

朝阳门位于西安城墙东段，该区段范围内城墙高约14.3 m，顶宽 28.6 m，底宽31.7 m。城门内为东五路，门外为长乐路(见图1)。城墙段结构形式为:夯筑芯墙+外包砖+2 m厚夯土地基(见图2)［1］。朝阳门门洞为建国后开辟，城墙南部为3层框架结构，北侧为含局部地下室的2层框架结构，海漫采用青砖，基础采用静压桩基础。

图1 朝阳门门洞Fig.1 Chaoyang Gate openings

图2 城墙内部结构参考图(含光门附近，非朝阳门段)Fig.2 Inner structure of city wall

1.2 水位地质条件

朝阳门城墙段地下水埋深在4.80～8.40 m，相应的地下水高程为395.12～397.9 m(2008年10月)。地下水类型属第四系孔隙潜水，赋存于中、上更新统黄土、古土壤、粉质黏土层及其中的砂土夹层中，含水层的厚度大于50 m。其中新黄土、古土壤、粉质黏土层透水性弱，古土壤底部的钙质结核层形成相对隔水层，在一定条件下古土壤层底部以下孔隙水表现出一定的微承压性，砂土夹层透水性良好。地下水年变化幅度在2.0 m左右。

1.3 地铁区间隧道方案

西安地铁一号线在里程为YDK22+169.529～+198.989区段，下穿朝阳门门洞及城墙(见图3)。左线下穿朝阳门段城墙，隧道顶距离城墙基础约14 m;右线下穿朝阳门城门洞，门洞基础为5排静压桩基，桩长为15.5 m，与右线竖向最小净距约1.219 m，平面最小净距约为2.746 m。线路纵向坡度约为25‰，覆盖土层厚度约为18.5 m，区间采用盾构法施工，隧道断面为圆形结构，外径为6 m，衬砌厚度为0.3 m。

图3 隧道下穿朝阳门门洞及城墙平面位置关系图Fig.3 Plan showing shield tunnels crossing underneath Chaoyang Gate openings and city wall

2 朝阳门门洞及城墙加固保护措施

2.1 设计原则［7－8］

1)加固设计应达到国家文物保护部门相关规定和要求，既要满足城墙保护要求，又要确保城墙安全。

2)加固设计应尽可能减小隧道施工期间对城墙产生的影响。

3)通过加固设计，应使隧道盾构施工所引起的地面沉降和隆起控制在规范允许范围内。

4)区间线路平面上2个隧道之间的距离应尽可能加大，从而避免隧道开挖引起沉降槽的叠加。

2.2 加固措施

2.2.1 加固原理

化学注浆法加固设计是通过增大地层变形模量(水泥浆液硅化加固)以减少沉降量，从而提高隧道埋深范围地层抵抗不均匀变形的能力。

2.2.2 城墙地基加固范围

盾构通过朝阳门城墙时，由于门洞下方有大量桩基础存在(右线下穿)，右线开挖引起的城墙沉降小于左线隧道，故建议地层加固范围宜从门洞下方的右线隧道影响区扩大到左线隧道开挖影响区。

3 沉降控制标准

参考国内外及西安地铁二号线过钟楼、南门及北门设计及施工经验［1－6］，在城墙范围盾构施工引起的地表最大沉降量宜控制在+5～－15 mm，局部倾斜宜采用不超过0.001的沉降变形控制标准。

4 盾构隧道施工数值模型

4.1 计算参数取值

计算断面选取西安地铁一号线五朝区间YDK22+125处。该断面盾构隧道位于老黄土和粉质黏土地层，隧道埋深为19 m，隧道净距为30 m。地层土性参数见表1。

表1 地层土性参数表Table 1 Soil proprieties

4.2 计算模型［6］

朝阳门门洞及城墙段模型长147 m，宽110.5 m，高55.5 m，共39 604个单元。对城墙的模拟主要包括:城墙夯土、城墙砖、门洞中隔墙、门洞桩基础、门洞拱结构等方面，模型详见图4。

图4 城墙地层三维有限元模型Fig.4 3D finite element model of city wall formation

1)城墙砖位于城墙外表面，此处采用壳单元模拟(见图5)。

图5 城墙砖单元Fig.5 Element of city wall bricks

2)城墙夯土为城墙的主体，位于两侧城墙砖之间，城墙夯土自重荷载是盾构掘进过程中最主要的地表超载，对盾构掘进控制有着重要影响，此处采用实体单元模拟。

3)门洞拱结构上的荷载来自城墙自身，模型中采用三维壳单元模拟门洞拱结构。

4)中隔墙的主要作用在于将门洞拱结构承受的荷载通过中隔墙下方的桩基础分散到地层中去，模型中采用三维实体单元模拟(见图6)。

图6 门洞拱及中隔墙模拟Fig.6 Model of gate opening arches and pillars

5)门洞中隔墙下方基础为静压群桩基础，考虑到桩基加固地层的作用主要体现为群体效应，故可以采用整体模拟的方法来代替桩基个体的模拟。

朝阳门城墙、城墙门洞与地铁盾构隧道相关关系见图7—9。

图7 中隔墙基础模拟Fig.7 Model of pillar foundation

图8 隧道与门洞基础正视图Fig.8 Front view of tunnel and gate opening foundation

图9 隧道与门洞基础三维视图Fig.9 3D view of tunnel and gate opening foundation

5 加固前计算结果分析

5.1 计算工况［9］

根据盾构与朝阳门门洞及城墙段位置关系的不同，本次研究共考虑了4种典型工况(见图10)。

1)工况1:右线隧道开挖至城墙下;

2)工况2:右线隧道贯通;

3)工况3:右线贯通，左线隧道开挖至城墙下;

4)工况4:双线隧道均贯通。

图10 计算工况Fig.10 Calculation case

5.2 监测断面

在计算过程中，地表沉降监测断面共设8个(见图11)。横断面6个，分别为断面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ;纵断面2个，分别为断面Ⅶ和Ⅷ。

图11 监测断面设置Fig.11 Arrangement of monitoring cross-sections

5.3 计算结果

5.3.1 工况 1

在工况1下，盾构隧道开挖面位于城墙中间正下方，此时各监测断面的沉降曲线如图12和图13所示。由于盾构隧道还未完全通过城墙，城墙的沉降还未达到最大值，但沿右线隧道中线地表的不均匀沉降在城墙处达到了最大值，最大地表倾斜率约0.568‰(见图12—14)。

图12 工况1下地表横断面内沉降Fig.12 Transverse ground surface settlement in case 1

图13 工况1下地表纵断面内沉降Fig.13 Longitudinal ground surface settlement in case 1

图14 工况1下地层沉降分布云图(单位:m)Fig.14 Distribution of ground settlement in case 1(m)

5.3.2 工况 2

在工况2下，右线盾构隧道完全贯通，此时各监测断面的沉降曲线见图15和图16。可以看出，城墙处由于有门洞桩基的存在，盾构隧道通过后其最大沉降为－9.04 mm，明显小于普通路段最大沉降－15.38 mm，而且城墙顶面的最大沉降为－5.13 mm，也小于地面最大沉降 －9.04 mm。

图15 工况2下地表横断面内沉降Fig.15 Transverse ground surface settlement in case 2

图16 工况2下地表纵断面内沉降Fig.16 Longitudinal ground surface settlement in case 2

盾构通过后，地表在纵断面上的不均匀沉降明显减小，但横断面上的不均匀沉降则达到最大值。以监测断面Ⅲ为例，盾构隧道通过后的不均匀沉降(地表倾斜率)最大值达到±0.85‰，要高于盾构通过时的纵断面倾斜率(见图17)。

图17 工况2下地层沉降分布云图(单位:m)Fig.17 Distribution of ground settlement in case 2(m)

5.3.3 工况 3

在工况3下，右线隧道完全贯通，左线隧道掘削面位于城墙正下方，此时地表横断面内沉降如图18所示。从图18可看出，左线隧道开挖引起的地表沉降要大于右线隧道。横断面内还将产生不均匀沉降，其中监测断面Ⅲ的最大倾斜率达到0.9‰(见图18—20)。

图18 工况3下地表横断面内沉降Fig.18 Transverse ground surface settlement in case 3

图19 工况3下地表纵断面内沉降Fig.19 Longitudinal ground surface settlement in case 3

图20 工况3下地层沉降分布云图(单位:m)Fig.20 Distribution of ground settlement in case 3(m)

5.3.4 工况 4

在工况4下，左右隧道全部贯通，此时引起的地表横断面内沉降如图21所示。从图21可看出，左线隧道开挖引起的沉降明显大于右线隧道，以监测断面Ⅲ为例，左线隧道上方沉降为－17.59mm，右线隧道上方沉降为 －11.28mm(见图21—23)。

图21 工况4下地表横断面内沉降Fig.21 Transverse ground surface settlement in case 4

图22 工况4下地表纵断面内沉降Fig.22 Longitudinal ground surface settlement in case 4

图23 工况4下地层沉降分布云图(单位:m)Fig.23 Distribution of ground settlement in case 4(m)

6 加固条件下计算结果分析

6.1 加固模型［9］

地基加固在盾构通过前进行，采用沿城墙四周在基底下方预埋袖阀管的方法进行地基注浆加固，注浆管长11 m，加固范围为地面以下3～11 m。施工过程中根据监测情况适时注浆，注浆采用水泥－水玻璃双液浆，以便调节浆液凝固时间。

根据所设计加固的方案建立地层加固三维有限元模型，模型基本情况与未加固大致相同，其中地层加固体与隧道、城墙、基础的相关关系如图24所示。

图24 地层加固模型正视图Fig.24 Front view of ground consolidation model

地层加固体的物性参数按水泥砂浆改良土取值，参考国内一些实验资料和西安地铁施工现场取样资料，加固后土体的压缩模量取1 GPa，泊松比取0.23，重度为20.8 kN/m3，其余物性参数同加固前土体。

6.2 加固后结果

加固后监测点沉降趋势图基本与加固前一致，此处只给出计算结果。

在工况1下，加固后地表处城墙最大沉降值为－3.45 mm;在工况2下，右线隧道贯通，城墙最大沉降值为－6.47mm;在工况3下，城墙最大沉降仍然出现在左隧道上方，但沉降值降低至－9.49 mm;在工况4下，左线隧道上方沉降值降低至－14.21 mm。

6.3 加固结果对比

从计算数据可以看出，按照设计的加固方案对门洞基础进行加固后，对地表沉降的降低效果主要在右线隧道开挖时体现出来，如工况1和工况2，减小沉降值达28.5%。但对于左线隧道开挖而言，地层加固的效果并不明显，其主要原因在于加固区仅覆盖了门洞下方右线隧道所在区域，而左线隧道的上方城墙完全暴露在隧道开挖的影响范围之内，故该加固方案并不能有效降低左线隧道开挖对城墙的影响。

另外，由于门洞下方存在大量桩基础，同时地基加固的深度还没有超过桩长，故地层加固对降低门洞桩基础沉降的作用也不明显。

计算结果表明，对城墙的影响而言，左线隧道开挖的影响比右线隧道开挖的影响大得多，故建议将地层加固区间扩大至左线隧道开挖的影响范围。

7 施工期间沉降

西安地铁一号线于2011年2—3月完成了盾构穿越朝阳门外护城河桥及朝阳门城墙，根据《西安地铁一号线第三方监测工程》［10］监测成果报告，城墙沉降监测点共设23处，施工过程中最大变形值为7.6 mm;朝阳门城墙段地面沉降监测点共设35处，施工过程中最大变形值为6.4 mm。实际城墙与地表沉降均小于理论计算结果。

8 结论与讨论

1)由施工期间城墙墙体及地表沉降监测数据可知，根据数值模拟分析所提出的城墙沉降控制标准是满足实际施工和文物保护要求的，所提出的城墙预埋袖阀管适时注浆方案也是符合实际情况的。

2)由于盾构掘进是一个非常复杂的过程，盾构隧道施工中需采取同步注浆和补浆措施以减少失土率，模型中未对该注浆层进行模拟，地面沉降和城墙变形相对较大，计算结果偏于保守，不能很好地进行精确的数值模拟。

3)与先期完成的西安地铁二号线地铁隧道穿越永宁门及安远门相比，文中对城墙的沉降控制标准进行了理论计算和实践检验，并根据理论计算对地铁盾构隧道穿越城墙段的加固措施进行了优化，避免了对门洞、城墙墙体的穿衣式保护，减小了因为保护而对城墙带来的次生影响。

4)从西安地铁一号线盾构区间穿越朝阳门段城墙的工程实例来看，本次理论计算所选取的计算参数和建立的三维模型，在计算结果方面是基本符合盾构施工期间地层和城墙沉降规律的，理论计算的结果是可以指导设计和施工的。

5)由于本次研究中，计算模型中进行了部分简化和假定，导致计算结果与实测结果存在差异，地面沉降和城墙变形相对较大，计算结果偏于保守。因此，还需在今后进一步研究，使理论计算结果与实际施工相匹配。

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