地铁盾构施工对挹江门城墙安全性的影响分析

范沈龙

(南京东南建设工程安全鉴定有限公司 210008)

1 工程概况

南京挹江门城墙为国家级文物保护单位，南京地铁5 号线盐仓桥至下关区间将采用盾构施工方式下穿通过挹江门城墙。该区间隧道管片外径6.2m，隧道埋深18.6m；隧道穿越软硬不均的地质，从东向西主要穿越中风化钙质岩石层，见图1。城墙下部土体及岩石主要物理性能指标见表1和表2。

本文就地铁盾构施工对挹江门城墙安全性影响进行评估分析。

2 挹江门城墙现状

2.1 结构体系及结构布置

挹江门城墙由下部城墙及上部门楼组成。下部城墙材质为砖砌体结构，完整性与结构稳定性均较好。城墙高约10m，宽约17m，城门为三孔拱门。其耳房建筑为三层砌体结构，为纵横墙承重体系，墙体为城墙砖和石灰砂浆砌筑，墙体厚度上薄下厚，呈收分状。二层楼面和屋面为混凝土楼面，三层楼面为木搁栅楼面。挹江门门楼为二层砖木结构，长约36.8m，宽约10.1m，第一层层高4.41m，第二层层高3.72m，为纵横墙承重体系，墙体为青砖和石灰砂浆砌筑，内外墙墙体厚度均为240mm，楼面为木搁栅楼面，屋面为木屋架承重。

图1 城墙与隧道关系图Fig.1 Relative positoin of city wall and tunnel

表1 土体主要物理性能指标Tab.1 Main physical performance indicators of soil

表2 岩石主要物理性能指标Tab.2 Main physical performance indicators of rock

2.2 结构现状检查

目前城墙整体性较好，未发现由于地基不均匀沉降所致的变形及裂缝。根据现场检测，挹江门城墙砖强度约为 10.0MPa，砂浆强度约为0.5MPa～1.5MPa，木材含水率约为 10.3%～13%，城墙目前不存在整体倾斜情况。

2.3 结构承载力复核

本文采用通用结构分析设计软件SAP2000，对城墙结构承载力进行复核分析(计算模型见图2)。经过复核计算，下部城墙墙体在最不利荷载组合(1.2 恒 +0.6 活 +1.3 地震 +0.28 风)[1]下大部分城墙处于受压状态，下部城墙砌体结构及上部门楼砖木结构承载力满足规范要求。

图2 SAP2000 计算模型Fig.2 SAP2000 computational model

3 盾构施工影响分析

应用盾构法建造隧道，不可避免地产生对土体的扰动，并引起洞室周围地表发生移动和变形[2]。用盾构法修建隧道引起地表移动和变形的主要原因是施工过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、受扰动土体的固结及土体的蠕动效应、衬砌结构的变形等。针对隧道施工所引起的地表沉降的计算主要有理论经验法及数值模拟法两大类。本文主要基于相关规范中的Peck 曲线法以及数值模拟计算法对盾构施工的影响范围及地面沉陷量进行计算分析。

3.1 规范估算沉降量

盾构施工对该段城墙产生的沉降量主要依据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)[3]条文说明第3.2.3 条相关公式进行估算。

1.盾构施工影响范围及最大沉降值计算

下关-盐仓桥区间盾构隧道工程盾构直径约为6.2m，双线隧道间距约为13.0m；盾构中心埋深z约18.6m，地铁隧道穿越的中风化岩石的内摩擦角φ为48.7°。地层损失率的取值与地质条件和施工条件密切相关，本文考虑掘进参数、跟进注浆等施工措施取地层损失率Vi为0.3%进行计算。

Peck 法是由大量工程经验的实测资料得出的计算方法，地表沉降计算值主要与隧道埋深与隧道半径有关。由于地铁隧道穿越中风化钙质岩层，根据地基沉降槽宽度系数公式来估算沉降槽宽度系数i，见式(1)。隧道单位长度地层损失量V见式(2)，隧道轴线上方地面最大沉降量Smax见式(3)，距离隧道中心轴线为x处的地面沉降量S(x)见式(4)。由于双线隧道间距为13.0m，两沉降曲线将形成叠加，则距离双线隧道中心线处的沉降量见式(5)。

双线隧道沉降按照单线隧道沉降进行叠加，建立以双线隧道中心为沉降轴的沉降曲线(图3)。通过计算得出：单线隧道轴线上方最大沉降量为1.83mm，位于单线隧道上方地表；双线隧道最大沉降量为3.47mm，位于双线隧道中线上方地表。双线隧道横向主要影响区范围为-30.0m～30.0m之间，次要影响区范围为-50.0m～-30.0m 之间与30.0m～50.0m 之间(横坐标原点为双线隧道中心位置)。

图3 双线隧道沉降曲线Fig.3 Settlement curve of double-track tunnel

2.最大局部倾斜值计算

取双线隧道中心线沉降曲线按8m 间距对其局部倾斜值进行计算。以距离中心线30m 位置开始计算，计算步长0.5m，通过对沉降曲线的求导与大量试算，得出在距离中心线6.0m、14.0m处最大局部倾斜值为0.00007。

3.2 数值模拟估算沉降量

根据区间隧道与挹江门城墙的位置关系，采用PLAXIS 3D 建立三维模型，进行数值计算分析。岩土体采用弹性摩尔-库仑本构模型，地质基本参数取值见表3。通过计算，可以得出城墙的局部最大沉降量为1.59mm，最小沉降量为0.80mm，未见地面出现明显隆起量(图4)。

表3 地质基本参数取值Tab.3 The value of basic geological parameters

图4 PLAXIS 3D 城墙竖向位移计算结果Fig.4 Calculation results of vertical displacement of wall

3.3 规范及数值模拟计算沉降量差异分析

从上文可知，规范估算的城墙地面最大沉降量较数值模拟结果稍大，但基本在同一数量级别，能够相互验证。两种计算方法在数值上出现一定程度的差异主要与两种计算方法的以下特征有关：

(1)规范估算法是根据近年来隧道工程的相关研究结论，结合城市轨道交通隧道工程的特点提出。Peck 计算公式，力学概念清晰，但沉降槽宽度系数、沉降槽面积以及地层损失率需要根据工程经验进行取值，对计算结果影响较大。

(2)数值模拟计算法能够综合考虑城墙及下部土体共同变形建立有限元模型进行计算，能应用于多种复杂隧道工程。由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，需要考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，但同时会影响计算结果。

综上，两种计算方法各有利弊，需要结合工程特点选取合适的计算方法，必要时可以通过两种方法的相互验证，以保证计算结果的相对准确性。若土层分布均匀，盾构管线水平和竖向坡度较小时可以采用规范估算法；若土层分布不均匀，盾构管线线形复杂且需要考虑上部结构与下部土体共同作用、地面荷载等多种因素耦合作用时，优先使用数值模拟计算法。

3.4 地面沉降量对文物产生附加内力分析

1.规范估算沉降量对文物产生附加内力

按照规范经验公式估算的南京挹江门城墙各点沉降量见图5。利用ABAQUS[4]软件对挹江门城墙在规范估算地面沉降下受到的影响进行模拟。计算结果显示，在城墙北侧耳房的墙角处，最大拉应力达到了0.6MPa(图6a)。

图5 规范估算沉降量(单位：mm)Fig.5 Estimation of settlement by code(unit：mm)

2.数值模拟沉降量对文物产生附加内力

数值模拟得出的城墙最大沉降量为1.586mm，最小沉降量为0.80mm。运用ABAQUS 进行计算分析，该沉降量作用下，城墙内部产生的应力云图见图6b。计算结果显示，地面沉降引起文物墙体内部的应力水平很低，最大拉应力值不超过0.05MPa。

图6 城墙应力云图Fig.6 Stress of wall caused by estimated settlement

3.5 盾构施工影响评价

1.沉降量与局部倾斜规范控制值

依据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)关于盾构法隧道地表沉降监测项目控制值的规定：工程监测等级为一级(最严格)的中软～软弱土地区，地表沉降控制值为15mm～25mm，地表隆起控制值为10mm。依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[5]第5.3.4条中关于建筑物地基变形允许值的规定：地基土为高压缩性土时，砌体承重基础的局部倾斜允许值为0.003。

2.盾构施工影响评价

根据前文计算可知，挹江门城墙最大的沉降量及局部倾斜值远小于规范限值。但是，在地面沉降量作用下，城墙局部位置(城墙底部及拱券)会出现一定的拉应力，该处城墙可能会有轻微开裂现象。该部分城墙局部开裂后，该城墙水平断面将出现应力重分布现象，鉴于城墙中产生的拉应力数值较小，不会引起严重的开裂现象，尚不影响城墙整体结构安全性，但对城墙结构耐久性有不利影响。

4 结论

1.通过规范经验公式及数值模拟计算，地铁5 号线盾构施工会引起挹江门城墙产生不均匀沉降，但沉降量及局部倾斜值均在规范允许范围内。

2.在地面沉降量作用下，城墙局部位置(城墙底部及拱券)会出现一定的拉应力，该处城墙可能会有轻微开裂现象，尚不影响城墙结构安全性，但对城墙耐久性有不利影响(可在施工完毕后，采取耐久性维护措施)。

3.规范经验法及数值模拟计算法的计算结果有所差异，但数量级基本一致，能够相互验证；两种计算方法各有特点，需要结合工程特点进行选取，必要时可以对计算结果相互验证。