西安地铁4号线盾构下穿古城墙保护技术措施研究

朱启东+文保军+王 磊+邹 鑫



西安地铁4号线盾构下穿古城墙保护技术措施研究

朱启东+文保军+王 磊+邹 鑫

摘 要：以西安地铁4号线盾构隧道下穿和平门城墙工程为背景，通过对以往西安地铁下穿城墙成功经验总结，利用有限元软件建立三维空间模型，对地层、古城墙沉降进行有限元模拟分析，预判出古城墙及附近地面的沉降值，制定出城墙加固措施和保护方案。施工过程中沉降监测数据表明，模拟分析结果符合盾构施工期间地层和城墙沉降的基本规律，采取的技术措施和设计方案科学合理，可作为今后类似工程的参考。

关键词：盾构下穿古城墙；数值模拟；保护措施中图分类号：U452

朱启东：中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，工学硕士，工程师，陕西西安710054

1　工程概况

西安地铁4号线盾构隧道下穿古城门和平门，和平门区段范围内城墙高约12 m，顶宽15 m，底宽18 m，城墙基础采用埋深2 m 砖砌条形基础，古城墙结构形式为夯筑芯墙+外包砖，隧道埋深为18.2 m，拱顶到城墙基底最小净距约16.2 m。盾构隧道穿越的地层是西安地区常见的古土壤、老黄土及粉质粘土层。为确保施工期间古城墙的安全，采用对地面沉降控制较好的盾构法施工，盾构隧道断面为圆形结构。盾构施工期间在城墙范围地表最大沉降量控制标准为 +5～-15 mm，局部倾斜控制标准为1‰，如图1、图2所示。

图1　和平门门洞

图2　隧道下穿和平门门洞及城墙平面位置关系图

2　有限元模型及参数

2.1有限元模型

盾构隧道下穿和平门城墙施工时将会导致地层位移，从而引起城墙变形和应力变化。利用 MIDAS GTS有限元软件建立地层-结构三维空间模型，考察盾构下穿施工对城墙的影响情况。三维有限元空间模型如图3所示，模型宽100 m，高35.2 m，隧道埋深18 m，线间距28 m，为了减小边界效应的影响，左右边界取为32 m，约5倍洞径。

图3　城墙地层三维有限元模型

对城墙的模拟主要包括城墙夯土、城墙砖、门洞中隔墙、门洞基础、门洞拱结构等方面。

（1）城墙砖模拟。城墙砖位于城墙外表面，此处采用板单元模拟，如图4所示。

图4　城墙砖模拟单元

（2）城墙夯土模拟。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，如图5所示。

图5　城墙夯土模拟单元

（3）门洞拱结构及中隔墙模拟。门洞拱结构上的荷载来自城墙自身，模型中采用三维板单元来模拟门洞拱结构。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来模拟，如图6所示。

图6　门洞拱及中隔墙模拟单元

（4）城墙基础的模拟。调查表明，门洞隔墙下方基础为砖砌条形基础，条形基础加固地层的作用主要体现为群体效应，故采用整体模拟的方法来代替城墙基础的模拟，如图7所示。模型中采用实体单元来整体模拟城墙基础加固地层效应。

图7　中隔墙基础模拟单元

2.2计算参数

选取西安地铁4号线和平门—大差市站区间YDK14+768.374处进行三维有限元分析，地层土性参数见表1。

3　有限元模拟计算结果分析

3.1计算工况及计算点选取

3.1.1计算工况

根据盾构机的不同位置，本次研究共考虑了左线隧道贯通（工况1）和双线隧道贯通（工况2）2种工况，见图8。

表1　地层土性参数表

图8　计算工况

3.1.2计算点选取

依据盾构施工中监测控制点的布置原则，选取较为关键的盾构隧道正上方地表处及城墙基础处作为沉降计算点。城墙基础沉降计算点5个 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ（其中Ⅰ、Ⅱ 两点位于左线隧道上方左右两侧，Ⅳ、Ⅴ两点位于右线隧道上方左右两侧）；地表沉降计算点2个 Ⅵ、Ⅶ，见图9。

图9　计算点布置示意图

3.2计算工况1

3.2.1地表及地层沉降

在工况1条件下，左线盾构隧道完全贯通，地表及地层沉降的分布情况如图10所示。可以看出，由于左线盾构隧道的施工，地层的沉降从地表到隧道顶部是逐渐增大的，在隧道顶部达到最大37.0 mm；左线隧道上方地表 Ⅵ 点处最大沉降8.8 mm，右线隧道上方地表 Ⅶ 点处最大沉降1.2 mm，沉降主要发生在左线上方。

图10　工况1地表及地层沉降分布（单位：m）

3.2.2城墙基础沉降

图11　工况1城墙基础沉降云图（单位：m）

城墙基础沉降的分布情况如图11所示。可以看出，浅基础的城墙受到盾构隧道施工影响明显，城墙基础沉降点Ⅰ点处最大沉降3.9 mm ，Ⅱ点处最大沉降5.2 mm，Ⅲ点处最大沉降5.2 mm，Ⅳ点处最大沉降3.6 mm、Ⅴ点处最大沉降小于1.0 mm。城墙基础最大沉降Ⅱ点处沿隧道纵向城墙基础最大局部倾斜率约0.52‰。

3.3计算工况2

3.3.1地表及地层沉降

在工况2情况下，左右隧道全部贯通，地表及地层沉降的分布情况如图12所示。可以看出，受到右线盾构隧道二次施工的影响，及2条隧道线间距较大，地层横断面上引起了一个“W”型沉降槽，左右隧道上方地层沉降也是由地表到隧道顶部逐渐增大，左线隧道顶地层沉降37.0 mm，右线隧道顶地层沉降37.2 mm。左线隧道上方地表Ⅵ点处最大沉降9.2 mm，右线隧道上方地表Ⅶ点处最大沉降9.5 mm，可见工况2左右隧道全部贯通情况下，右线隧道上方的地表沉降大于左线隧道上方地表沉降。

图12　工况2地表及地层沉降分布（单位：m）

3.3.2城墙基础沉降

城墙基础沉降的分布情况如图13所示。可以看出，浅基础的城墙受到盾构隧道施工影响明显，城墙基础Ⅰ点处最大沉降5.4 mm，Ⅱ点处最大沉降7.7 mm，Ⅲ点处最大沉降8.7 mm，Ⅳ点处最大沉降7.3 mm，Ⅴ点处最大沉降4.1 mm。城墙基础最大沉降点Ⅲ点处沿隧道纵向城墙基础最大局部倾斜率约0.87‰。

图13　工况2城墙基础沉降云图（单位：m）

4　加固方案及沉降监测

参照西安地铁已施工线路穿越文物段加固保护措施，综合考虑到和平门城墙结构形式、隧道埋深、地层分布等边界条件，并结合有限元模拟计算结果，采用门洞基础下方预埋袖阀管，跟踪注浆的保护措施，同时，在门洞内侧增加设置型钢拱架支撑的保护措施。

4.1和平门城墙加固措施

4.1.1型钢支护

为了防止由于意外原因导致城墙门洞坍塌，同时考虑到经济性和不破坏城墙门洞原状，较好地保护文物景观和城墙本体，采用门洞内侧增加设置型钢拱架支撑的保护措施，如图14所示。

图14　门洞内侧型钢拱架支撑保护措施

4.1.2袖阀管地层加固

盾构机通过前，在地表城墙门洞基础周边布置2排袖阀管，间距1.0 m×1.0 m，加固范围为地面下3～11 m地层。盾构机通过时根据监测情况可进行补偿注浆，控制城墙沉降保证安全，如图15所示。

图15　袖阀管地层加固

4.2施工沉降监测

西安地铁4号线左、右线盾构隧道于2015年6月～10月完成和平门城墙段下穿，根据西安市地铁4号线试验段“第三方监测项目 D4JCFW-1标段监测成果报告”，施工过程中城墙沉降监测点共设20处，其中沉降最大为7.2 mm，局部倾斜最大为0.72‰；和平门城墙段地表沉降监测点共设30处，其中最大地表沉降为10.4 mm。实际城墙沉降和地表沉降趋势与理论计算一致，城门门洞和城墙均未出现裂缝等破损现象，保护良好。

5　结论与建议

（1）西安地铁4号线盾构隧道下穿和平门段城墙设计、施工中采用的有限元模拟分析符合盾构施工期间地层和城墙沉降规律，模拟分析和监测结果均表明，地面沉降最大值均小于15 mm 的标准要求，城墙基础局部倾斜均小于1‰ 的标准要求，满足西安地铁城墙保护沉降控制标准，说明有限元模拟分析及采取的加固措施有效地保证了古城墙（门）的安全；

（2）现场施工监测发现，盾构隧道施工中控制好土仓压力、掘进速度等参数，及时有效地采取同步注浆和二次注浆是控制土体变形的重要技术措施；

（3）建议盾构机掘进中土仓压力控制在0.2 MPa 以内，掘进速度控制在30 mm/min 以内，二次注浆压力控制在0.25 MPa 以内，以避免盾构下穿施工时引起过大沉降。

参考文献

［1］ 李宁，顾强康，朱才辉，等. 西安地铁二号线下穿城墙段地表沉降控制标准研究［J］. 岩土力学与工程学报，2009，28（增2）：3753-3761.

［2］ 康佐，王军琪，邓国华，等. 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［J］. 隧道建设，2015，35（1）：9-15.

［3］ 雷永生. 西安地铁二号线下穿城墙及钟楼保护措施研究［J］. 岩土力学，2010，31（1）：223-236.

［4］ 冯超，王喆，潘娜娜. 地铁隧道施工过古城墙的地表变形及控制措施［J］. 现代隧道技术，2011，48（4）：143-147.

［5］ 朱才辉，李宁. 西安地铁施工诱发地表沉降及对城墙的影响［J］. 岩土力学，2011，32（增1）：538-544.

责任编辑 朱开明

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