西安地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿朝陽(yáng)門段城墻沉降數(shù)值模擬分析

康 佐，王軍琪，鄧國(guó)華，文保軍

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710018;2.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710054)

0 引言

西安現(xiàn)有4條地鐵線路已建或在建，其中有3條線路從古城墻下穿而過(guò)。地鐵在修建過(guò)程中往往會(huì)引起地層位移和地面沉降，導(dǎo)致城墻外部磚砌體和內(nèi)部土芯發(fā)生應(yīng)力重分布，引起磚墻磚塊和灰縫開(kāi)裂、脫落，甚至局部坍塌。在施工中，如何確保城墻及文物的安全，是西安地鐵修建過(guò)程中不可避免的問(wèn)題。

地鐵穿越古城墻時(shí)，最棘手的問(wèn)題是如何確定沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并以此為依據(jù)確定相應(yīng)的加固保護(hù)措施。在先期施工的西安地鐵二號(hào)線中，地鐵隧道穿越了永寧門、安遠(yuǎn)門及鐘樓，針對(duì)該工程，一些學(xué)者對(duì)其也進(jìn)行了分析研究，并提出了一系列的沉降控制值和加固保護(hù)措施。如文獻(xiàn)［1］對(duì)盾構(gòu)區(qū)間穿越二號(hào)線永寧門城墻期間的城墻墻體和土芯的應(yīng)力變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降量應(yīng)控制在20 mm以內(nèi);文獻(xiàn)［2－6］也進(jìn)行了相關(guān)研究，分別提出了相應(yīng)的沉降控制值。但是以上文獻(xiàn)均沒(méi)有將其總結(jié)為一個(gè)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)二號(hào)線采用的部分加固措施存在優(yōu)化的可能性。本文在西安地鐵二號(hào)線相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了古城墻的沉降控制值，并建議將其作為沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)施工期間古城墻的保護(hù)措施做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 朝陽(yáng)門門洞及城墻概況

朝陽(yáng)門位于西安城墻東段，該區(qū)段范圍內(nèi)城墻高約14.3 m，頂寬 28.6 m，底寬31.7 m。城門內(nèi)為東五路，門外為長(zhǎng)樂(lè)路(見(jiàn)圖1)。城墻段結(jié)構(gòu)形式為:夯筑芯墻+外包磚+2 m厚夯土地基(見(jiàn)圖2)［1］。朝陽(yáng)門門洞為建國(guó)后開(kāi)辟，城墻南部為3層框架結(jié)構(gòu)，北側(cè)為含局部地下室的2層框架結(jié)構(gòu)，海漫采用青磚，基礎(chǔ)采用靜壓樁基礎(chǔ)。

圖1 朝陽(yáng)門門洞Fig.1 Chaoyang Gate openings

圖2 城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考圖(含光門附近，非朝陽(yáng)門段)Fig.2 Inner structure of city wall

1.2 水位地質(zhì)條件

朝陽(yáng)門城墻段地下水埋深在4.80～8.40 m，相應(yīng)的地下水高程為395.12～397.9 m(2008年10月)。地下水類型屬第四系孔隙潛水，賦存于中、上更新統(tǒng)黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土層及其中的砂土夾層中，含水層的厚度大于50 m。其中新黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土層透水性弱，古土壤底部的鈣質(zhì)結(jié)核層形成相對(duì)隔水層，在一定條件下古土壤層底部以下孔隙水表現(xiàn)出一定的微承壓性，砂土夾層透水性良好。地下水年變化幅度在2.0 m左右。

1.3 地鐵區(qū)間隧道方案

西安地鐵一號(hào)線在里程為YDK22+169.529～+198.989區(qū)段，下穿朝陽(yáng)門門洞及城墻(見(jiàn)圖3)。左線下穿朝陽(yáng)門段城墻，隧道頂距離城墻基礎(chǔ)約14 m;右線下穿朝陽(yáng)門城門洞，門洞基礎(chǔ)為5排靜壓樁基，樁長(zhǎng)為15.5 m，與右線豎向最小凈距約1.219 m，平面最小凈距約為2.746 m。線路縱向坡度約為25‰，覆蓋土層厚度約為18.5 m，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道斷面為圓形結(jié)構(gòu)，外徑為6 m，襯砌厚度為0.3 m。

圖3 隧道下穿朝陽(yáng)門門洞及城墻平面位置關(guān)系圖Fig.3 Plan showing shield tunnels crossing underneath Chaoyang Gate openings and city wall

2 朝陽(yáng)門門洞及城墻加固保護(hù)措施

2.1 設(shè)計(jì)原則［7－8］

1)加固設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到國(guó)家文物保護(hù)部門相關(guān)規(guī)定和要求，既要滿足城墻保護(hù)要求，又要確保城墻安全。

2)加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減小隧道施工期間對(duì)城墻產(chǎn)生的影響。

3)通過(guò)加固設(shè)計(jì)，應(yīng)使隧道盾構(gòu)施工所引起的地面沉降和隆起控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4)區(qū)間線路平面上2個(gè)隧道之間的距離應(yīng)盡可能加大，從而避免隧道開(kāi)挖引起沉降槽的疊加。

2.2 加固措施

2.2.1 加固原理

化學(xué)注漿法加固設(shè)計(jì)是通過(guò)增大地層變形模量(水泥漿液硅化加固)以減少沉降量，從而提高隧道埋深范圍地層抵抗不均勻變形的能力。

2.2.2 城墻地基加固范圍

盾構(gòu)通過(guò)朝陽(yáng)門城墻時(shí)，由于門洞下方有大量樁基礎(chǔ)存在(右線下穿)，右線開(kāi)挖引起的城墻沉降小于左線隧道，故建議地層加固范圍宜從門洞下方的右線隧道影響區(qū)擴(kuò)大到左線隧道開(kāi)挖影響區(qū)。

3 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

參考國(guó)內(nèi)外及西安地鐵二號(hào)線過(guò)鐘樓、南門及北門設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)［1－6］，在城墻范圍盾構(gòu)施工引起的地表最大沉降量宜控制在+5～－15 mm，局部?jī)A斜宜采用不超過(guò)0.001的沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模型

4.1 計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算斷面選取西安地鐵一號(hào)線五朝區(qū)間YDK22+125處。該斷面盾構(gòu)隧道位于老黃土和粉質(zhì)黏土地層，隧道埋深為19 m，隧道凈距為30 m。地層土性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層土性參數(shù)表Table 1 Soil proprieties

4.2 計(jì)算模型［6］

朝陽(yáng)門門洞及城墻段模型長(zhǎng)147 m，寬110.5 m，高55.5 m，共39 604個(gè)單元。對(duì)城墻的模擬主要包括:城墻夯土、城墻磚、門洞中隔墻、門洞樁基礎(chǔ)、門洞拱結(jié)構(gòu)等方面，模型詳見(jiàn)圖4。

圖4 城墻地層三維有限元模型Fig.4 3D finite element model of city wall formation

1)城墻磚位于城墻外表面，此處采用殼單元模擬(見(jiàn)圖5)。

圖5 城墻磚單元Fig.5 Element of city wall bricks

2)城墻夯土為城墻的主體，位于兩側(cè)城墻磚之間，城墻夯土自重荷載是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中最主要的地表超載，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)控制有著重要影響，此處采用實(shí)體單元模擬。

3)門洞拱結(jié)構(gòu)上的荷載來(lái)自城墻自身，模型中采用三維殼單元模擬門洞拱結(jié)構(gòu)。

4)中隔墻的主要作用在于將門洞拱結(jié)構(gòu)承受的荷載通過(guò)中隔墻下方的樁基礎(chǔ)分散到地層中去，模型中采用三維實(shí)體單元模擬(見(jiàn)圖6)。

圖6 門洞拱及中隔墻模擬Fig.6 Model of gate opening arches and pillars

5)門洞中隔墻下方基礎(chǔ)為靜壓群樁基礎(chǔ)，考慮到樁基加固地層的作用主要體現(xiàn)為群體效應(yīng)，故可以采用整體模擬的方法來(lái)代替樁基個(gè)體的模擬。

朝陽(yáng)門城墻、城墻門洞與地鐵盾構(gòu)隧道相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖7—9。

圖7 中隔墻基礎(chǔ)模擬Fig.7 Model of pillar foundation

圖8 隧道與門洞基礎(chǔ)正視圖Fig.8 Front view of tunnel and gate opening foundation

圖9 隧道與門洞基礎(chǔ)三維視圖Fig.9 3D view of tunnel and gate opening foundation

5 加固前計(jì)算結(jié)果分析

5.1 計(jì)算工況［9］

根據(jù)盾構(gòu)與朝陽(yáng)門門洞及城墻段位置關(guān)系的不同，本次研究共考慮了4種典型工況(見(jiàn)圖10)。

1)工況1:右線隧道開(kāi)挖至城墻下;

2)工況2:右線隧道貫通;

3)工況3:右線貫通，左線隧道開(kāi)挖至城墻下;

4)工況4:雙線隧道均貫通。

圖10 計(jì)算工況Fig.10 Calculation case

5.2 監(jiān)測(cè)斷面

在計(jì)算過(guò)程中，地表沉降監(jiān)測(cè)斷面共設(shè)8個(gè)(見(jiàn)圖11)。橫斷面6個(gè)，分別為斷面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ;縱斷面2個(gè)，分別為斷面Ⅶ和Ⅷ。

圖11 監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置Fig.11 Arrangement of monitoring cross-sections

5.3 計(jì)算結(jié)果

5.3.1 工況 1

在工況1下，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面位于城墻中間正下方，此時(shí)各監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線如圖12和圖13所示。由于盾構(gòu)隧道還未完全通過(guò)城墻，城墻的沉降還未達(dá)到最大值，但沿右線隧道中線地表的不均勻沉降在城墻處達(dá)到了最大值，最大地表傾斜率約0.568‰(見(jiàn)圖12—14)。

圖12 工況1下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.12 Transverse ground surface settlement in case 1

圖13 工況1下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.13 Longitudinal ground surface settlement in case 1

圖14 工況1下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.14 Distribution of ground settlement in case 1(m)

5.3.2 工況 2

在工況2下，右線盾構(gòu)隧道完全貫通，此時(shí)各監(jiān)測(cè)斷面的沉降曲線見(jiàn)圖15和圖16。可以看出，城墻處由于有門洞樁基的存在，盾構(gòu)隧道通過(guò)后其最大沉降為－9.04 mm，明顯小于普通路段最大沉降－15.38 mm，而且城墻頂面的最大沉降為－5.13 mm，也小于地面最大沉降 －9.04 mm。

圖15 工況2下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.15 Transverse ground surface settlement in case 2

圖16 工況2下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.16 Longitudinal ground surface settlement in case 2

盾構(gòu)通過(guò)后，地表在縱斷面上的不均勻沉降明顯減小，但橫斷面上的不均勻沉降則達(dá)到最大值。以監(jiān)測(cè)斷面Ⅲ為例，盾構(gòu)隧道通過(guò)后的不均勻沉降(地表傾斜率)最大值達(dá)到±0.85‰，要高于盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的縱斷面傾斜率(見(jiàn)圖17)。

圖17 工況2下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.17 Distribution of ground settlement in case 2(m)

5.3.3 工況 3

在工況3下，右線隧道完全貫通，左線隧道掘削面位于城墻正下方，此時(shí)地表橫斷面內(nèi)沉降如圖18所示。從圖18可看出，左線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降要大于右線隧道。橫斷面內(nèi)還將產(chǎn)生不均勻沉降，其中監(jiān)測(cè)斷面Ⅲ的最大傾斜率達(dá)到0.9‰(見(jiàn)圖18—20)。

圖18 工況3下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.18 Transverse ground surface settlement in case 3

圖19 工況3下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.19 Longitudinal ground surface settlement in case 3

圖20 工況3下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.20 Distribution of ground settlement in case 3(m)

5.3.4 工況 4

在工況4下，左右隧道全部貫通，此時(shí)引起的地表橫斷面內(nèi)沉降如圖21所示。從圖21可看出，左線隧道開(kāi)挖引起的沉降明顯大于右線隧道，以監(jiān)測(cè)斷面Ⅲ為例，左線隧道上方沉降為－17.59mm，右線隧道上方沉降為 －11.28mm(見(jiàn)圖21—23)。

圖21 工況4下地表橫斷面內(nèi)沉降Fig.21 Transverse ground surface settlement in case 4

圖22 工況4下地表縱斷面內(nèi)沉降Fig.22 Longitudinal ground surface settlement in case 4

圖23 工況4下地層沉降分布云圖(單位:m)Fig.23 Distribution of ground settlement in case 4(m)

6 加固條件下計(jì)算結(jié)果分析

6.1 加固模型［9］

地基加固在盾構(gòu)通過(guò)前進(jìn)行，采用沿城墻四周在基底下方預(yù)埋袖閥管的方法進(jìn)行地基注漿加固，注漿管長(zhǎng)11 m，加固范圍為地面以下3～11 m。施工過(guò)程中根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)注漿，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，以便調(diào)節(jié)漿液凝固時(shí)間。

根據(jù)所設(shè)計(jì)加固的方案建立地層加固三維有限元模型，模型基本情況與未加固大致相同，其中地層加固體與隧道、城墻、基礎(chǔ)的相關(guān)關(guān)系如圖24所示。

圖24 地層加固模型正視圖Fig.24 Front view of ground consolidation model

地層加固體的物性參數(shù)按水泥砂漿改良土取值，參考國(guó)內(nèi)一些實(shí)驗(yàn)資料和西安地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)取樣資料，加固后土體的壓縮模量取1 GPa，泊松比取0.23，重度為20.8 kN/m3，其余物性參數(shù)同加固前土體。

6.2 加固后結(jié)果

加固后監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)圖基本與加固前一致，此處只給出計(jì)算結(jié)果。

在工況1下，加固后地表處城墻最大沉降值為－3.45 mm;在工況2下，右線隧道貫通，城墻最大沉降值為－6.47mm;在工況3下，城墻最大沉降仍然出現(xiàn)在左隧道上方，但沉降值降低至－9.49 mm;在工況4下，左線隧道上方沉降值降低至－14.21 mm。

6.3 加固結(jié)果對(duì)比

從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，按照設(shè)計(jì)的加固方案對(duì)門洞基礎(chǔ)進(jìn)行加固后，對(duì)地表沉降的降低效果主要在右線隧道開(kāi)挖時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，如工況1和工況2，減小沉降值達(dá)28.5%。但對(duì)于左線隧道開(kāi)挖而言，地層加固的效果并不明顯，其主要原因在于加固區(qū)僅覆蓋了門洞下方右線隧道所在區(qū)域，而左線隧道的上方城墻完全暴露在隧道開(kāi)挖的影響范圍之內(nèi)，故該加固方案并不能有效降低左線隧道開(kāi)挖對(duì)城墻的影響。

另外，由于門洞下方存在大量樁基礎(chǔ)，同時(shí)地基加固的深度還沒(méi)有超過(guò)樁長(zhǎng)，故地層加固對(duì)降低門洞樁基礎(chǔ)沉降的作用也不明顯。

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)城墻的影響而言，左線隧道開(kāi)挖的影響比右線隧道開(kāi)挖的影響大得多，故建議將地層加固區(qū)間擴(kuò)大至左線隧道開(kāi)挖的影響范圍。

7 施工期間沉降

西安地鐵一號(hào)線于2011年2—3月完成了盾構(gòu)穿越朝陽(yáng)門外護(hù)城河橋及朝陽(yáng)門城墻，根據(jù)《西安地鐵一號(hào)線第三方監(jiān)測(cè)工程》［10］監(jiān)測(cè)成果報(bào)告，城墻沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)23處，施工過(guò)程中最大變形值為7.6 mm;朝陽(yáng)門城墻段地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)35處，施工過(guò)程中最大變形值為6.4 mm。實(shí)際城墻與地表沉降均小于理論計(jì)算結(jié)果。

8 結(jié)論與討論

1)由施工期間城墻墻體及地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，根據(jù)數(shù)值模擬分析所提出的城墻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)是滿足實(shí)際施工和文物保護(hù)要求的，所提出的城墻預(yù)埋袖閥管適時(shí)注漿方案也是符合實(shí)際情況的。

2)由于盾構(gòu)掘進(jìn)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，盾構(gòu)隧道施工中需采取同步注漿和補(bǔ)漿措施以減少失土率，模型中未對(duì)該注漿層進(jìn)行模擬，地面沉降和城墻變形相對(duì)較大，計(jì)算結(jié)果偏于保守，不能很好地進(jìn)行精確的數(shù)值模擬。

3)與先期完成的西安地鐵二號(hào)線地鐵隧道穿越永寧門及安遠(yuǎn)門相比，文中對(duì)城墻的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)，并根據(jù)理論計(jì)算對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道穿越城墻段的加固措施進(jìn)行了優(yōu)化，避免了對(duì)門洞、城墻墻體的穿衣式保護(hù)，減小了因?yàn)楸Ｗo(hù)而對(duì)城墻帶來(lái)的次生影響。

4)從西安地鐵一號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間穿越朝陽(yáng)門段城墻的工程實(shí)例來(lái)看，本次理論計(jì)算所選取的計(jì)算參數(shù)和建立的三維模型，在計(jì)算結(jié)果方面是基本符合盾構(gòu)施工期間地層和城墻沉降規(guī)律的，理論計(jì)算的結(jié)果是可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的。

5)由于本次研究中，計(jì)算模型中進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化和假定，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異，地面沉降和城墻變形相對(duì)較大，計(jì)算結(jié)果偏于保守。因此，還需在今后進(jìn)一步研究，使理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工相匹配。

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