淺覆盾構(gòu)隧道下穿古城墻及護(hù)城河施工穩(wěn)定性分析

李利軍

摘要：南京地鐵5號(hào)線七橋甕站-小天堂站區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道下穿明朝古城墻和護(hù)城河，具有較大的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。論文建立了三維數(shù)值模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，分析了圍巖的變形情況。結(jié)果表明，施工現(xiàn)場(chǎng)安全性較高。經(jīng)過模擬優(yōu)化分析，當(dāng)注漿壓力小于0.3MPa時(shí)，注漿壓力對(duì)位移影響較小。

Abstract： The double-line shield tunneling between Qiqiao Weng Station and Xiaotiantang Station of Nanjing Metro Line 5 runs through the ancient city wall and moat of Ming Dynasty， which is of great construction difficulty and risk. A three-dimensional numerical model is built to simulate the site construction and analyze the deformation of surrounding rock. The results show that the construction site safety is high. After simulation and optimization analysis， when grouting pressure is less than 0.3MPa， grouting pressure has little effect on displacement.

關(guān)鍵詞：淺覆;盾構(gòu);古城墻;護(hù)城河

Key words： shallow covering;shield;ancient city wall;moat

中圖分類號(hào)：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0168-04

0? 引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，交通擁堵成為許多大中型城市的普遍存在的現(xiàn)象，為解決這樣的難題，隧道工程越來越受到建設(shè)者的青睞[1]。在南京這種歷史悠久的大都市，隧道有時(shí)會(huì)難以避免下穿古城墻。同時(shí)由于受既有建筑物、地下管網(wǎng)和地質(zhì)條件的限制，隧道離城墻基礎(chǔ)底面最近僅30cm。古城墻采用的建筑材料和建筑形式使其對(duì)變形特別敏感，地基極小的變形都有可能對(duì)其造成永久的破壞[2]。

近年來也有一些學(xué)者對(duì)隧道下穿古城墻進(jìn)行了研究。楊韶林發(fā)表論文西安地鐵1號(hào)線玉祥門站-灑金橋站區(qū)間盾構(gòu)穿越國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物玉祥門城墻采取多項(xiàng)技術(shù)措施，保證了穿越過程中城墻的安全，對(duì)類似工程的施工具有借鑒和指導(dǎo)作用[3]。康佐針對(duì)西安地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿朝陽(yáng)門段城墻及朝陽(yáng)門門洞具體工程，通過建立三維有限元模型，模擬分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的沉降機(jī)理，對(duì)古城墻受力進(jìn)行了理論分析，預(yù)判出古城墻及附近地面的沉降值，并制定出了針對(duì)性的加固方案[4]。

總體而言，盾構(gòu)穿越古城墻已經(jīng)有所研究，但緊貼城墻基礎(chǔ)底部掘進(jìn)尚屬少見，必須考慮城墻結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的空間效應(yīng)及其穩(wěn)定性，以確保工程的安全，在此方面也應(yīng)開展相應(yīng)的研究。

本文針對(duì)南京地鐵5號(hào)線七橋甕站-小天堂站區(qū)間下穿古城墻和護(hù)城河的特殊工況，通過有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了隧道管片、圍巖、城墻及河底的變形位移發(fā)展?fàn)顩r，利用計(jì)算結(jié)果對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)估。

1? 工程概況

南京市軌道交通5號(hào)線工程南起吉印大道站，北至方家營(yíng)站，是南京市城市軌道交通線網(wǎng)中東南至西北方向的一條極為重要的城區(qū)干線。線路總長(zhǎng)37.4km。

地鐵5號(hào)線線路總長(zhǎng)37.4km，采用雙線單洞隧道結(jié)構(gòu)型式，左右線均為內(nèi)徑5.5m、外徑6.2m的圓形盾構(gòu)隧道。

本工程中出現(xiàn)的隧道下穿古城墻及護(hù)城河無論是從施工難度上，還是從工程的重要性上都是值得注意和研究的。

盾構(gòu)隧道采用單層襯砌，管片（壁）厚0.35m，寬度1.2m，圖1為雙線雙洞隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。采用6分塊，錯(cuò)縫拼裝。管片采用C50、P10鋼筋砼，內(nèi)部回填采用C25素砼。全線采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工。注漿層厚度為14cm。

古城墻大致結(jié)構(gòu)及和隧道位置關(guān)系見圖2，墻體高為15m，底寬為24m，頂寬為14m，隧道中心距城墻基礎(chǔ)底面3.4m，內(nèi)、外側(cè)墻面均用青磚包砌。

2? 數(shù)值計(jì)算

數(shù)值模型是運(yùn)用有限元方法的計(jì)算的模型，在施工工況以及材料參數(shù)盡可能地還原實(shí)際工況的情況下，能較好的完成對(duì)巖土體變形的模擬以達(dá)到預(yù)測(cè)和評(píng)估的目的。

2.1 模型概況

地層模型大小為129m×60m×40m。前后兩個(gè)面施加沿軸線方向的位移約束，左右兩面施加沿橫斷面的約束，底面為固定邊界，上表面為自由邊界，整個(gè)模型施加豎直向下的重力，不考慮時(shí)間效應(yīng)，圍巖的初始應(yīng)力全部由地層的自重應(yīng)力產(chǎn)生。土體均采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，采用實(shí)體單元。模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格劃分，以六面體網(wǎng)格為主，整個(gè)模型總共有72978個(gè)單元，30766個(gè)節(jié)點(diǎn)，整體模型網(wǎng)格劃分如圖3。根據(jù)計(jì)算需求，將隧道部分以及第二層土體的網(wǎng)格尺寸定為1.5m，其余部分定為4m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探報(bào)告，將現(xiàn)場(chǎng)土體地質(zhì)情況分為3層，從上到下，依次為粉質(zhì)粘土1層、粉質(zhì)粘土2層和全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層，隧道處于第一層土體中施工。各單元參數(shù)取值詳見表1。

2.2 工況模擬

雙線隧道先后開挖，先開挖左線，左線全部開挖完畢后開挖右線。

計(jì)算中通過激活、鈍化不同部位的單元網(wǎng)格來模擬施工過程中的土體開挖、支護(hù)和襯砌注漿。采用4.8m作為一個(gè)大步長(zhǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算（隧道管片寬度1.2m），盾構(gòu)開挖施工分步示意見圖4，每個(gè)步長(zhǎng)代表的施工意義如表2。

3? 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土層豎向和水平位移分析

模型豎直方向的位移云圖如圖5?？梢钥闯觯┕そY(jié)束后，城墻底部隧道上部附近的土體下沉，護(hù)城河附近隧道上部的土體隆起，城墻下方隧道下部附近的土體隆起，護(hù)城河下方隧道下部的土體隆起。拱頂最大沉降-5.5mm（雙線開挖結(jié)束時(shí)的城墻下拱頂），拱頂最大隆起5.2mm（雙線開挖結(jié)束時(shí)的護(hù)城河底拱頂），隧底最大隆起11.7 mm（發(fā)生于左線開挖至城墻時(shí)的城墻下隧底），均小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)控制值30mm。

對(duì)比模型各點(diǎn)豎直位移，發(fā)現(xiàn)城墻和護(hù)城河附近的土體的豎直位移明顯比其他部位的大，可見城墻和護(hù)城河附近土體位移的控制對(duì)盾構(gòu)隧道施工的安全性起著至關(guān)重要的作用。

模型水平方向位移云圖如圖6（圖中垂直城墻及護(hù)城河向右的方向?yàn)檎颍?。可見施工結(jié)束后，城墻與護(hù)城河之間的土體水平位移基本都朝向護(hù)城河（背離城墻），最大位移12.2mm，出現(xiàn)在護(hù)城河底隧道拱頂，發(fā)生于右線開挖至護(hù)城河底時(shí)。

3.2 城墻位移和變形分析

由于工程的特殊性，城墻的穩(wěn)定性是隧道施工安全的一大指標(biāo)。對(duì)于城墻的沉降和水平位移，除靠近隧道處，城墻各部位的位移數(shù)值較小，分布基本較為均勻，說明隧道開挖對(duì)附近城墻部位有較明顯影響，但對(duì)城墻整體影響不大。

通過對(duì)城墻的各方向應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變圖的分析，可以看出，在城墻側(cè)面和底面范圍內(nèi)存在塑性應(yīng)變，拉應(yīng)變最大為0.003，最大應(yīng)力為y方向上421kPa壓應(yīng)力，城墻上部近側(cè)表面處土體x方向出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力6.8kPa，但考慮到本模型未包含城墻表面包砌的青磚，青磚能對(duì)城墻靠近表面的土體起到很好的保護(hù)作用，故仍可判定城墻穩(wěn)定性良好。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化分析

考慮到掘進(jìn)壓力和千斤頂力在施加后便在下一個(gè)施工階段鈍化，方向也與隧道軸線平行，對(duì)土體沉降（隆起）變形不大，故主要考慮了注漿壓力對(duì)土體豎直方向上的位移的影響。在掘進(jìn)的過程中，注漿壓力不易過大，分別將注漿壓力設(shè)置為300kPa、200kPa和150kPa，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)注漿壓力的改變對(duì)豎直位移影響很小，300kPa下最大豎直位移為11.7mm，200kPa下最大豎直位移為10.94mm，150kPa下最大豎直位移為10.91mm，變化最大不超過3%。由此可見通過注漿壓力的改變來減小地層變形的空間不大。

4? 結(jié)論

本文通過使用有限元軟件Midas/GTS來研究隧道下穿古城墻和護(hù)城河、雙線先后施工過程的土體力學(xué)行為，研究盾構(gòu)法施工條件下隧道圍巖變形情況。結(jié)果表明：

①施工結(jié)束后的最大豎向位移出現(xiàn)在城墻下方的隧道拱頂沉降和隧底隆起，最大水平位移發(fā)生在護(hù)城河底隧道拱頂，但均小于地鐵隧道盾構(gòu)法施工監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)。②在掘進(jìn)過程中古城墻塑性應(yīng)變均處于正常范圍，城墻小部分出現(xiàn)拉應(yīng)力但數(shù)值很小，穩(wěn)定性良好，需注意城墻上部表面為敏感部位，必要情況下需對(duì)其進(jìn)行加固處理。③通過對(duì)比不同注漿壓力下的豎向位移，發(fā)現(xiàn)注漿壓力小于0.3MPa時(shí)對(duì)豎向位移的影響比較有限。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊韶林，譙恒.TM614PMX土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)措施——以國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物西安市玉祥門城墻地下施工為例[J].建筑，2010（15）：59-60.

[4]康佐，王軍琪，鄧國(guó)華，文保軍.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[J].隧道建設(shè)，2015，35（01）：9-15.