范沈龍
(南京東南建設(shè)工程安全鑒定有限公司 210008)
南京挹江門城墻為國(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位,南京地鐵5 號(hào)線鹽倉(cāng)橋至下關(guān)區(qū)間將采用盾構(gòu)施工方式下穿通過(guò)挹江門城墻。該區(qū)間隧道管片外徑6.2m,隧道埋深18.6m;隧道穿越軟硬不均的地質(zhì),從東向西主要穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)巖石層,見(jiàn)圖1。城墻下部土體及巖石主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。
本文就地鐵盾構(gòu)施工對(duì)挹江門城墻安全性影響進(jìn)行評(píng)估分析。
挹江門城墻由下部城墻及上部門樓組成。下部城墻材質(zhì)為磚砌體結(jié)構(gòu),完整性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均較好。城墻高約10m,寬約17m,城門為三孔拱門。其耳房建筑為三層砌體結(jié)構(gòu),為縱橫墻承重體系,墻體為城墻磚和石灰砂漿砌筑,墻體厚度上薄下厚,呈收分狀。二層樓面和屋面為混凝土樓面,三層樓面為木擱柵樓面。挹江門門樓為二層磚木結(jié)構(gòu),長(zhǎng)約36.8m,寬約10.1m,第一層層高4.41m,第二層層高3.72m,為縱橫墻承重體系,墻體為青磚和石灰砂漿砌筑,內(nèi)外墻墻體厚度均為240mm,樓面為木擱柵樓面,屋面為木屋架承重。
圖1 城墻與隧道關(guān)系圖Fig.1 Relative positoin of city wall and tunnel
表1 土體主要物理性能指標(biāo)Tab.1 Main physical performance indicators of soil
表2 巖石主要物理性能指標(biāo)Tab.2 Main physical performance indicators of rock
目前城墻整體性較好,未發(fā)現(xiàn)由于地基不均勻沉降所致的變形及裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),挹江門城墻磚強(qiáng)度約為 10.0MPa,砂漿強(qiáng)度約為0.5MPa~1.5MPa,木材含水率約為 10.3%~13%,城墻目前不存在整體傾斜情況。
本文采用通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件SAP2000,對(duì)城墻結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行復(fù)核分析(計(jì)算模型見(jiàn)圖2)。經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算,下部城墻墻體在最不利荷載組合(1.2 恒 +0.6 活 +1.3 地震 +0.28 風(fēng))[1]下大部分城墻處于受壓狀態(tài),下部城墻砌體結(jié)構(gòu)及上部門樓磚木結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。
圖2 SAP2000 計(jì)算模型Fig.2 SAP2000 computational model
應(yīng)用盾構(gòu)法建造隧道,不可避免地產(chǎn)生對(duì)土體的擾動(dòng),并引起洞室周圍地表發(fā)生移動(dòng)和變形[2]。用盾構(gòu)法修建隧道引起地表移動(dòng)和變形的主要原因是施工過(guò)程中的地層損失、地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變、受擾動(dòng)土體的固結(jié)及土體的蠕動(dòng)效應(yīng)、襯砌結(jié)構(gòu)的變形等。針對(duì)隧道施工所引起的地表沉降的計(jì)算主要有理論經(jīng)驗(yàn)法及數(shù)值模擬法兩大類。本文主要基于相關(guān)規(guī)范中的Peck 曲線法以及數(shù)值模擬計(jì)算法對(duì)盾構(gòu)施工的影響范圍及地面沉陷量進(jìn)行計(jì)算分析。
盾構(gòu)施工對(duì)該段城墻產(chǎn)生的沉降量主要依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[3]條文說(shuō)明第3.2.3 條相關(guān)公式進(jìn)行估算。
1.盾構(gòu)施工影響范圍及最大沉降值計(jì)算
下關(guān)-鹽倉(cāng)橋區(qū)間盾構(gòu)隧道工程盾構(gòu)直徑約為6.2m,雙線隧道間距約為13.0m;盾構(gòu)中心埋深z約18.6m,地鐵隧道穿越的中風(fēng)化巖石的內(nèi)摩擦角φ為48.7°。地層損失率的取值與地質(zhì)條件和施工條件密切相關(guān),本文考慮掘進(jìn)參數(shù)、跟進(jìn)注漿等施工措施取地層損失率Vi為0.3%進(jìn)行計(jì)算。
Peck 法是由大量工程經(jīng)驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料得出的計(jì)算方法,地表沉降計(jì)算值主要與隧道埋深與隧道半徑有關(guān)。由于地鐵隧道穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)巖層,根據(jù)地基沉降槽寬度系數(shù)公式來(lái)估算沉降槽寬度系數(shù)i,見(jiàn)式(1)。隧道單位長(zhǎng)度地層損失量V見(jiàn)式(2),隧道軸線上方地面最大沉降量Smax見(jiàn)式(3),距離隧道中心軸線為x處的地面沉降量S(x)見(jiàn)式(4)。由于雙線隧道間距為13.0m,兩沉降曲線將形成疊加,則距離雙線隧道中心線處的沉降量見(jiàn)式(5)。
雙線隧道沉降按照單線隧道沉降進(jìn)行疊加,建立以雙線隧道中心為沉降軸的沉降曲線(圖3)。通過(guò)計(jì)算得出:?jiǎn)尉€隧道軸線上方最大沉降量為1.83mm,位于單線隧道上方地表;雙線隧道最大沉降量為3.47mm,位于雙線隧道中線上方地表。雙線隧道橫向主要影響區(qū)范圍為-30.0m~30.0m之間,次要影響區(qū)范圍為-50.0m~-30.0m 之間與30.0m~50.0m 之間(橫坐標(biāo)原點(diǎn)為雙線隧道中心位置)。
圖3 雙線隧道沉降曲線Fig.3 Settlement curve of double-track tunnel
2.最大局部?jī)A斜值計(jì)算
取雙線隧道中心線沉降曲線按8m 間距對(duì)其局部?jī)A斜值進(jìn)行計(jì)算。以距離中心線30m 位置開(kāi)始計(jì)算,計(jì)算步長(zhǎng)0.5m,通過(guò)對(duì)沉降曲線的求導(dǎo)與大量試算,得出在距離中心線6.0m、14.0m處最大局部?jī)A斜值為0.00007。
根據(jù)區(qū)間隧道與挹江門城墻的位置關(guān)系,采用PLAXIS 3D 建立三維模型,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。巖土體采用彈性摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,地質(zhì)基本參數(shù)取值見(jiàn)表3。通過(guò)計(jì)算,可以得出城墻的局部最大沉降量為1.59mm,最小沉降量為0.80mm,未見(jiàn)地面出現(xiàn)明顯隆起量(圖4)。
表3 地質(zhì)基本參數(shù)取值Tab.3 The value of basic geological parameters
圖4 PLAXIS 3D 城墻豎向位移計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of vertical displacement of wall
從上文可知,規(guī)范估算的城墻地面最大沉降量較數(shù)值模擬結(jié)果稍大,但基本在同一數(shù)量級(jí)別,能夠相互驗(yàn)證。兩種計(jì)算方法在數(shù)值上出現(xiàn)一定程度的差異主要與兩種計(jì)算方法的以下特征有關(guān):
(1)規(guī)范估算法是根據(jù)近年來(lái)隧道工程的相關(guān)研究結(jié)論,結(jié)合城市軌道交通隧道工程的特點(diǎn)提出。Peck 計(jì)算公式,力學(xué)概念清晰,但沉降槽寬度系數(shù)、沉降槽面積以及地層損失率需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值,對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。
(2)數(shù)值模擬計(jì)算法能夠綜合考慮城墻及下部土體共同變形建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算,能應(yīng)用于多種復(fù)雜隧道工程。由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性,要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計(jì)算過(guò)程中,需要考慮主要因素,忽略次要因素,結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,但同時(shí)會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。
綜上,兩種計(jì)算方法各有利弊,需要結(jié)合工程特點(diǎn)選取合適的計(jì)算方法,必要時(shí)可以通過(guò)兩種方法的相互驗(yàn)證,以保證計(jì)算結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性。若土層分布均勻,盾構(gòu)管線水平和豎向坡度較小時(shí)可以采用規(guī)范估算法;若土層分布不均勻,盾構(gòu)管線線形復(fù)雜且需要考慮上部結(jié)構(gòu)與下部土體共同作用、地面荷載等多種因素耦合作用時(shí),優(yōu)先使用數(shù)值模擬計(jì)算法。
1.規(guī)范估算沉降量對(duì)文物產(chǎn)生附加內(nèi)力
按照規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式估算的南京挹江門城墻各點(diǎn)沉降量見(jiàn)圖5。利用ABAQUS[4]軟件對(duì)挹江門城墻在規(guī)范估算地面沉降下受到的影響進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果顯示,在城墻北側(cè)耳房的墻角處,最大拉應(yīng)力達(dá)到了0.6MPa(圖6a)。
圖5 規(guī)范估算沉降量(單位:mm)Fig.5 Estimation of settlement by code(unit:mm)
2.數(shù)值模擬沉降量對(duì)文物產(chǎn)生附加內(nèi)力
數(shù)值模擬得出的城墻最大沉降量為1.586mm,最小沉降量為0.80mm。運(yùn)用ABAQUS 進(jìn)行計(jì)算分析,該沉降量作用下,城墻內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6b。計(jì)算結(jié)果顯示,地面沉降引起文物墻體內(nèi)部的應(yīng)力水平很低,最大拉應(yīng)力值不超過(guò)0.05MPa。
圖6 城墻應(yīng)力云圖Fig.6 Stress of wall caused by estimated settlement
1.沉降量與局部?jī)A斜規(guī)范控制值
依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)關(guān)于盾構(gòu)法隧道地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值的規(guī)定:工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)(最嚴(yán)格)的中軟~軟弱土地區(qū),地表沉降控制值為15mm~25mm,地表隆起控制值為10mm。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[5]第5.3.4條中關(guān)于建筑物地基變形允許值的規(guī)定:地基土為高壓縮性土?xí)r,砌體承重基礎(chǔ)的局部?jī)A斜允許值為0.003。
2.盾構(gòu)施工影響評(píng)價(jià)
根據(jù)前文計(jì)算可知,挹江門城墻最大的沉降量及局部?jī)A斜值遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。但是,在地面沉降量作用下,城墻局部位置(城墻底部及拱券)會(huì)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,該處城墻可能會(huì)有輕微開(kāi)裂現(xiàn)象。該部分城墻局部開(kāi)裂后,該城墻水平斷面將出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象,鑒于城墻中產(chǎn)生的拉應(yīng)力數(shù)值較小,不會(huì)引起嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象,尚不影響城墻整體結(jié)構(gòu)安全性,但對(duì)城墻結(jié)構(gòu)耐久性有不利影響。
1.通過(guò)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模擬計(jì)算,地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)施工會(huì)引起挹江門城墻產(chǎn)生不均勻沉降,但沉降量及局部?jī)A斜值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。
2.在地面沉降量作用下,城墻局部位置(城墻底部及拱券)會(huì)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力,該處城墻可能會(huì)有輕微開(kāi)裂現(xiàn)象,尚不影響城墻結(jié)構(gòu)安全性,但對(duì)城墻耐久性有不利影響(可在施工完畢后,采取耐久性維護(hù)措施)。
3.規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法及數(shù)值模擬計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果有所差異,但數(shù)量級(jí)基本一致,能夠相互驗(yàn)證;兩種計(jì)算方法各有特點(diǎn),需要結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行選取,必要時(shí)可以對(duì)計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證。