南京九華山段城墻內(nèi)部人防工事破壞機(jī)理及加固*

王志強(qiáng) 穆保崗

東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 211189

引言

南京明城墻是中國(guó)現(xiàn)存規(guī)模最大的古代都市城垣，保存至今已600 余年，具有極高的歷史及文物保護(hù)價(jià)值［1，2］。20 世紀(jì)60 年代末70年代初，基于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，南京在明城墻內(nèi)部修建了大量的人防工事，建筑面積達(dá)5 萬(wàn)余m2。由于年久失修，人防工事的支護(hù)結(jié)構(gòu)普遍存在開裂、坍塌等病害，對(duì)南京城墻的安全十分不利。特別是九華山段城墻，該段城墻內(nèi)部人防工事病害最為嚴(yán)重，磚襯砌裂縫縱橫，亟需采取加固措施。

人防工事加固時(shí)城墻的穩(wěn)定性問題與城墻城門加固類似，鄧春燕等通過有限元分析的手段，研究了城墻拱門基礎(chǔ)不均勻沉降和城墻內(nèi)部夯土強(qiáng)度折減對(duì)城墻拱城門結(jié)構(gòu)變形和受力的影響，并提出了內(nèi)襯混凝土空間結(jié)構(gòu)的加固方法［3］；雷永生通過有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)行了地鐵下穿城墻及鐘樓的保護(hù)措施研究，提出了一套隧道穿越城墻時(shí)對(duì)城門洞及城墻外墻的加固措施［4］；彭國(guó)東等基于大量人防工事加固工程的案例，總結(jié)了實(shí)用的地下人防工事加固設(shè)計(jì)方法［5］；馮超等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式進(jìn)行了地鐵隧道下穿古城墻的城墻加固措施研究，介紹了隧道下穿過程中城墻及城門洞的加固和監(jiān)測(cè)方案［6］。南京城墻是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，蘊(yùn)含著獨(dú)特的價(jià)值，必須保證加固施工過程中城墻的安全性以及加固措施的有效性，有必要進(jìn)一步研究人防工事支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理以及加固施工對(duì)城墻的影響。

1 概況

1.1 人防工事概況

南京城墻內(nèi)部人防通道均為直墻拱形結(jié)構(gòu)，寬1m ～3.2m，高度1.75m ～3m。沿線勘查結(jié)果表明，南京城墻內(nèi)部人防工事原有28 個(gè)，大多已廢棄多年，現(xiàn)存人防工事共計(jì)24 處，全長(zhǎng)19.403km，與現(xiàn)有城墻全長(zhǎng)24.5km 相比占比較高。人防洞室襯砌材料主要為混凝土與磚混結(jié)構(gòu)。

南京城墻九華山段位于九華山西側(cè)，總長(zhǎng)度1660m左右，如圖1 所示。城墻地面內(nèi)外高差達(dá)5m，該段城墻高約15.7m，底部寬約11m，頂部寬約10m；人防洞室斷面寬約1.5m，高約2m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為250mm厚磚砌體，如圖2 所示。

圖1 九華山段城墻位置示意圖Fig.1 Location of the Mount Jiuhua section of the city wall

圖2 九華山段城墻斷面Fig.2 Section of the city wall of Mount Jiuhua

1.2 病害調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，南京城墻內(nèi)部人防工事病害主要表現(xiàn)為：鋼筋銹蝕、襯砌裂縫（環(huán)向裂縫及斜向裂縫、縱向裂縫、豎向裂縫）、地面隆起開裂、滲漏及積水、塌方、析白等。24 處人防工事中各類病害的情況，如圖3 所示。

圖3 人防工事主要病害統(tǒng)計(jì)情況Fig.3 Statistics of main diseases of civil defense fortifications

由圖3 可知，人防工事各類病害中，襯砌裂縫最為嚴(yán)重，24 處人防工事均出現(xiàn)襯砌裂縫的病害。人防洞室的坍塌、開裂等病害是目前南京城墻面臨的主要安全問題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，九華山段人防洞室的襯砌裂縫最為密集，包括環(huán)向、斜向、豎向、縱向裂縫，其中環(huán)向裂縫14條，縱向裂縫4 條，斜向裂縫2 條，豎向裂縫6條，并且還有多處坍塌和地坪隆起。

2 襯砌破壞機(jī)理分析

2.1 理論分析

九華山段城墻內(nèi)部人防工事可以近似視作深埋洞室，因?yàn)槿朔劳ǖ郎戏绞蔷哂幸欢ㄗ陨沓休d能力的干碼城磚，可利用普氏塌落拱理論理論計(jì)算其松動(dòng)圍巖壓力［7］。

1.塌落拱拱高的確定

按照松散體理論，襯砌背部巖土體坍塌形成的破裂面與垂直軸的夾角為（45° －φ／2），由此可得塌落拱的影響范圍，如圖4 所示。

圖4 塌落拱影響范圍示意Fig.4 The indication of influence scope of collapse arch

式中，a為毛洞跨度的一半；h為毛洞高度；a1為塌落拱跨度的一半；φ為巖土體內(nèi)摩擦角。

按照普氏理論計(jì)算人防洞室塌落拱高度，即：室尺寸的影響。雨水及地下水滲流是影響城墻墻芯強(qiáng)度的主要因素，一方面會(huì)導(dǎo)致作用于襯砌結(jié)構(gòu)的外荷載持續(xù)增加，另一方面會(huì)導(dǎo)致城墻墻芯和襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，最終引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)的失效和城墻內(nèi)部的局部坍塌。因此，建議對(duì)城墻裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，完善排水系統(tǒng)，阻斷雨水及地下水的滲流通道；同時(shí)，注漿加固人防洞室周邊墻芯，以提高墻芯的物理力學(xué)性能。

2.2 有限元分析

1.有限元模型的建立

城墻縱向長(zhǎng)度較大，可以看作平面應(yīng)變問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，取城墻典型斷面進(jìn)行分析，如圖2 所示。利用有限元軟件ABAQUS建立九華山段城墻的二維有限元模型，分析磚襯砌的變形破壞機(jī)理，模型網(wǎng)格劃分如圖5 所示。模型的邊界條件為：約束地基土體底部的水平及豎向位移和左右兩側(cè)的水平位移。外包砌體與墻芯強(qiáng)度不同，在豎向荷載作用下兩者的變形不一致，因此，考慮外包砌體與墻芯之間的接觸問題，設(shè)置接觸面，接觸界面摩擦系數(shù)取0.3［8］。

圖5 城墻模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Finite Element Mesh of City Wall Model

式中，h0為塌落拱拱高；fk為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取0.78。

根據(jù)普氏理論計(jì)算得到人防洞室塌落拱高度h0＝2.15m。

2.圍巖壓力的確定

普氏理論認(rèn)為洞室開挖后，在洞室上部會(huì)出現(xiàn)曲線狀的塌落拱，支護(hù)結(jié)構(gòu)僅需承擔(dān)拱內(nèi)的土體的重量，作用于人防洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖垂直均布?jí)毫纯杀硎緸椋?/p>

式中，q為作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直均布?jí)毫?；γ為巖土體的重度。

根據(jù)式（3）計(jì)算得到作用于人防洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直均布?jí)毫＝40.9kPa。

根據(jù)上述分析可知，作用于人防洞室襯砌拱頂?shù)膲毫χ饕艿綁π疚锢砹W(xué)性能以及人防洞

2.模型參數(shù)的確定

城墻模型包括城墻外包砌體、墻芯、磚襯砌、地基土四部分。城墻外包砌體、墻芯采用Drucker-Prager本構(gòu)模型進(jìn)行模擬［9］；地基土采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，該模型可以較好地模擬材料受剪破壞的問題［10］。根據(jù)相似的研究成果確定九華山段明城墻外包砌體及墻芯的計(jì)算參數(shù)［11，12］。人防工事的磚襯砌采用雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論計(jì)算得到黏聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，再利用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行模擬［13，14］。模型各部分結(jié)構(gòu)的具體計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Material physical and mechanical parameters

3.模擬工況

人防洞室施工和磚襯砌強(qiáng)度折減必然會(huì)引起城墻的應(yīng)力變化而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致城墻發(fā)生破壞。為研究人防洞室施工和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能惡化對(duì)城墻以及人防洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，考慮如下兩種工況：工況一：進(jìn)行人防洞室的開挖模擬，分析人防洞室開挖對(duì)城墻受力和變形的影響；工況二：受雨水和地下水侵蝕，磚襯砌的強(qiáng)度會(huì)顯著降低，進(jìn)行磚襯砌性能惡化的模擬，分析襯砌結(jié)構(gòu)性能惡化對(duì)城墻邊墻和襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。本文通過減小磚襯砌的黏聚力和內(nèi)摩擦角的方式來(lái)模擬磚襯砌材料性能的惡化，劣化后磚襯砌的黏聚力和內(nèi)摩擦角取為原來(lái)的80%。

4.結(jié)果分析

（1）城墻水平位移分析

人防洞室施工完成后城墻內(nèi)外側(cè)水平位移曲線如圖6 所示，正值表示朝向城墻外側(cè)方向的位移，負(fù)值表示朝向城墻內(nèi)側(cè)方向的位移?？梢园l(fā)現(xiàn)，人防洞室施工引起墻芯應(yīng)力重分布，導(dǎo)致作用在城墻外包砌體的作用力發(fā)生變化，城墻產(chǎn)生向墻外側(cè)的水平位移，城墻水平位移從下至上逐步增大；工況二城墻水平位移趨勢(shì)與工況一一致，城墻水平位移繼續(xù)發(fā)展，位移值約為工況一的2 ～3 倍，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能劣化會(huì)加劇城墻外包砌體變形。

圖6 城墻水平位移曲線Fig.6 Horizontal displacement curve of city wall

（2）襯砌結(jié)構(gòu)變形及受力分析

1）襯砌結(jié)構(gòu)變形

圖7反映了不同工況下磚襯砌的變形情況，可以看出：磚襯砌出現(xiàn)了拱頂下沉和底板向上隆起的現(xiàn)象，為典型的直墻拱形襯砌破壞模式，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的人防洞室襯砌結(jié)構(gòu)的變形破壞趨勢(shì)一致；磚襯砌兩側(cè)邊墻墻底出現(xiàn)差異沉降，磚襯砌對(duì)基礎(chǔ)的不均勻沉降極為敏感，所以有必要采取措施控制人防洞室左右拱腳的差異沉降，保證人防洞室的穩(wěn)定；工況一人防洞室開挖完成后，拱頂沉降量為1.45mm，底板隆起量為6.40mm；工況二拱頂沉降量為2.56mm，底板隆起量為9.64mm，相較工況一均有不同程度的增加，見表2，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能的劣化會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)變形的進(jìn)一步發(fā)展，增加人防洞室坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同工況磚襯砌豎向變形Tab.2 Vertical deformation of brick lining under different working conditions

圖7 不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)變形云圖（單位： m）Fig.7 Deformation nephogram of lining structure under different working conditions（unit：m）

2）襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖8反映了不同工況下直墻拱磚襯砌的受力規(guī)律，結(jié)合工況一和工況二可知：人防洞室開挖后，直墻拱磚襯砌拱頂、拱肩內(nèi)側(cè)和底板附近主要呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，邊墻中部呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在拱底中部；支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能的劣化會(huì)導(dǎo)致直墻拱磚襯砌受拉區(qū)域的增大，磚襯砌容易產(chǎn)生受拉破壞。

圖8 直墻拱磚襯砌最大主應(yīng)力云圖（單位： kPa）Fig.8 Maximum principal stress nephogram of straight wall arch brick lining（unit：kPa）

3 加固方案研究

3.1 加固方案

為阻止九華山段城墻及人防洞室變形的持續(xù)發(fā)展，保證城墻的穩(wěn)定性，擬定錨噴支護(hù)＋注漿＋磚墻支承的加固設(shè)計(jì)方案，如圖9 所示。

圖9 人防斷面加固圖（單位： mm）Fig.9 Reinforcement of Civil Air Defense Section（unit：mm）

3.2 監(jiān)控量測(cè)

施工過程中監(jiān)控量測(cè)城墻的水平位移、人防工事支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和凈空水平收斂，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖10 所示。城墻水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)間從施工開始至施工完成后3 個(gè)月，施工過程中平均每1 ～2 天監(jiān)測(cè)一次，施工完成后平均每5 ～7天監(jiān)測(cè)一次。人防工事拱頂沉降及凈空水平收斂監(jiān)測(cè)時(shí)間為施工完成后3 個(gè)月，平均每2 ～4 天監(jiān)測(cè)一次。施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工前進(jìn)速度和注漿參數(shù)。

圖10 城墻及人防工事測(cè)點(diǎn)布置（單位： mm）Fig.10 Layout of measuring points for urban walls and civil defense works（unit：mm）

施工期間城墻水平位移曲線如圖11 所示?？梢钥闯?，人防工事加固工程開始施工后，城墻呈現(xiàn)出向城墻外側(cè)偏移的趨勢(shì)，最大位移0.3mm。初步分析原因是人防洞室靠近左側(cè)城墻，墻芯受施工的擾動(dòng)，外側(cè)城墻承擔(dān)更大的土壓力。整個(gè)施工過程中，城墻整體水平位移不大，加固施工未對(duì)城墻本體造成較大影響。

圖11 施工過程中城墻水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of city wall during construction

加固完成后，城墻水平位移及人防洞室變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12 ～圖14 所示。由圖12 可知，施工完成后3 個(gè)月內(nèi)，城墻水平位移曲線基本穩(wěn)定，內(nèi)外邊墻水平位移趨勢(shì)一致，城墻水平位移不再發(fā)展。由圖13 和圖14 可知，加固工程施工完成后，受支護(hù)結(jié)構(gòu)上部荷載的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂整體呈下沉趨勢(shì)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量基本一致，沉降速率約為0.011mm／d；支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)墻向內(nèi)收斂，各測(cè)點(diǎn)水平凈空收斂量基本一致。在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，水平凈空收斂速率保持平穩(wěn)，約為0.005mm／d；在施工完成110d后，人防洞室拱頂下沉和水平凈空收斂均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 城墻水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curve of the city wall

圖13 人防洞室拱頂下沉曲線Fig.13 The vault subsidence curve of civil air defense cavern

圖14 人防洞室水平凈空收斂曲線Fig.14 Horizontal clearance convergence curve of civil air defense cavern

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)南京城墻內(nèi)部人防工事常見病害進(jìn)行了總結(jié)分析，并通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬的方法研究了人防工事支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，提出了九華山段城墻內(nèi)部人防工事的加固方案，最后對(duì)人防工事加固施工過程中以及加固完成后城墻的水平位移、人防洞室拱頂沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該加固措施的安全和有效性。主要得到以下結(jié)論：

1.本文基于普氏理論計(jì)算得到南京九華山段城墻內(nèi)部人防洞室塌落拱高度為2.15m，作用于襯砌拱頂?shù)木級(jí)毫s為40.9kPa，人防洞室襯砌拱頂?shù)膲毫χ饕艿綁π疚锢砹W(xué)性能以及洞室尺寸的影響。建議通過注漿的方式加固人防洞室周邊土體，減小作用于襯砌的荷載。

2.通過建立城墻和人防洞室數(shù)值模型進(jìn)行分析，人防洞室開挖會(huì)造成城墻的水平位移，磚襯砌出現(xiàn)底板隆起以及拱頂下沉的現(xiàn)象，底板隆起量為6.40mm，拱頂下沉量為1.45mm。

3.支護(hù)結(jié)構(gòu)材料性能惡化會(huì)造成城墻和人防洞室變形的進(jìn)一步發(fā)展，城墻水平位移增加1 ～2倍，底板隆起量增加0.51 倍，拱頂下沉量增加0.77倍，襯砌底板和拱頂可能產(chǎn)生受拉破壞，與現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)的襯砌變形破壞趨勢(shì)一致。因此，進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意這些部位的加固。

4.通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)論證本文提出的城墻內(nèi)部人防工事加固方案，該方案可以保證施工過程中城墻的安全，并且有效控制襯砌結(jié)構(gòu)的收斂變形，因此錨噴支護(hù)＋注漿＋磚墻支承的加固方案是可行的。