地铁盾构隧道下穿古城墙变形规律预测与施工安全防控技术

曹 振 张 宁，3 杨 锋

（1.西安市地下铁道有限责任公司，710018，西安；2.中铁十五局集团有限公司，200070，上海；3.西安科技大学，710054，西安∥第一作者，高级工程师）

1 工程概况

西安市地铁2号线安远门至北大街区间隧道下穿西安北门城墙，该处盾构隧道埋深约15.0m。

北门城墙主要包括城门及瓮城、城门楼等。瓮城南北长为52.5 m，东西宽为48.5 m。城墙顶宽14.5 m，底部宽20 m，高12 m。城墙外围砌砖围护，内为夯实填土。城墙下设0.3 m 厚的条石基础，其下为1 m 厚的灰土垫层，再下为2 m 厚的素填土。城墙外部为散体材料砌筑，内部为夯填土层，内外层之间为不同材料不同时期的构筑物，内外层之间没有结构上的连接关系。古城墙采用的建筑材料和建筑形式使其对变形特别敏感，地基极小的变形都有可能对其造成永久的破坏。西安城墙的重点保护范围为明城墙13.7 km 以及4个城门楼，一般保护范围城墙外侧至护城河外沿，城墙内侧20 m 内。该区域地表分布有厚薄不均全新统人工填土），其下为上更新统风积）新黄土（局部为饱和软黄土）及残积）古土壤，再下为中更新统风积（）老黄土、冲积）粉质黏土、粉土、细砂及中砂等。在该区间段的地下水主要赋存于中、上更新统黄土、古土壤及粉质黏土中的砂土、粉土夹层中，含水层的厚度大于50 m，地下水埋深为7.5～8.5 m。

北门城墙与地铁隧道的关系平面图如图1所示。

1.1 盾构下穿古城墙的两种可采用的施工方法

地铁盾构下穿古城墙施工过程中，基础变形是最严重的施工灾害。如果采用常规的盾构施工方案将引起很大的施工变形，无法保证施工过程中古城墙安全，因此需要优化施工方案。

利用FLAC 软件计算预测盾构下穿古城墙施工变形规律时，分2种不同的工法计算盾构下穿城墙施工引起的古城墙变形，并进行对比分析，说明古城墙在2种不同工况下的变形特性，以确定合理的施工方案，保证古城墙的安全。

工法一：采用常规的施工方法。即根据正常的盾构施工参数、土仓压力、注浆量等参数施工，并进行地表沉降监测、城墙沉降监测和倾斜监测。

图1 地铁隧道与北门城墙平面关系图

工法二：采用盾构施工前预加固法。在距城墙两侧5 m 位置处采用直径为1.0m、桩距为1.4 m 的钻孔灌注桩进行加固，桩间采用冠梁连接；对城墙门洞采用钢拱架进行加固。加固后再进行盾构施工，并进行地表沉降监测、城墙沉降监测和倾斜监测。

1.2 盾构下穿城墙施工应急预案

在穿越过程中一旦出现不可预见因素而引起基础沉降、倾斜超过预警值，采取如下应急预案：

在距城墙2 m 位置采用注浆方案，具体施工参数如下：用钻机钻Φ130 mm 孔，埋设直径Φ108 mm、壁厚5 mm 的无缝钢管，由1排竖直管，2排斜管组成，沿古城墙走向，间距为1 m，呈梅花形布置，横向间距0.5 m。插入角度为分别为30°、60°、90°，长度根据实际情况来确定，浆液采用双液注浆（水泥、水玻璃浆液）。

2 盾构下穿古城墙施工FLAC3D建模

2.1 盾构下穿城墙施工模拟区域简化

该区间段地铁隧道以R＝400 m 下穿北门城墙，然后继续以R＝400 m 的半径旁穿城墙，地铁隧道下穿区域部分城墙基础的宽度为20 m，根据圣维南原理可知，盾构下穿城墙区域长度与绕行半径比值很小，故可将曲线段简化为直线。

2.2 盾构下穿城墙FLAC3D模型与单元划分

从图2可知，该模拟区域为对称模型，现选取右半部分作为模拟对象，进行FLAC3D 建模。经现场调查可知，城墙上有游客，地表道路上有车辆运行，故在城墙表面处施加5 kN／m2，地表处施加20 kN／m2，该模型共有70 936个单元、78 699个节点。

2.3 盾构下穿城墙FLAC3D计算参数

根据该区间段的岩土工程勘察报告，经换算可得到FLAC3D模型计算所需的参数如表1及表2所示。

图2 盾构下穿北门城墙FLAC3D 模型图

表1 盾构下穿城墙FLAC3D模拟计算参数表

表2 盾构下穿城墙FLAC3D模拟管片、等代层计算参数表

3 盾构下穿城墙施工变形规律FLAC3D预测结果

为了分析2种不同工况下盾构下穿引起的地表及城墙情况，现选取典型断面的位移云图及位移曲线进行对比分析。

3.1 地表变形对比分析

沿Y＝10 m 处位移云图及位移曲线对比图分别如图3、图4所示。

图3 2种不同工况下沿Y＝10 m 处位移云图对比图

对图3a）和b）进行对比分析可知，工况一条件下进行施工时，施工后隧道拱顶的最大沉降值为88.5 mm，隧道拱底的最大隆起值为47.04 mm；而采用工况二进行施工时，隧道拱顶的最大沉降值为18.95 mm，隧道拱底的最大隆起值为13.02 mm。采用工况二进行施工时，隧道周围的地层位移量明显减小，隧道上方的地表地层位移量也明显减小。

图4 2种不同工况下沿Y＝10 m 处位移曲线对比图

从图4的2种不同工况下位移曲线对比来看，工况二施工后的地表沉降槽宽度明显小于工况一施工后的地表沉降槽宽度。同时工况一施工后地表的最大沉降值位于隧道轴线正上方，最大沉降值为34.70 mm，在隧道轴线±15 m 范围内地表的沉降值均超过了其变形允许值（10 mm）；而采用工况二进行施工时，地表最大沉降值为6.89 mm，地表最大变形值均在变形允许范围之内。

3.2 城墙变形对比分析

为了研究盾构下穿城墙施工盾构对城墙的变形影响，现对2种不同工况下盾构施工对城门洞中间平面处位移云图及位移曲线进行对比分析。现选取以下典型断面处的位移云图及沉降监测曲线进行对比。沿Y＝35m 处城墙位移云图对比图如图5所示，位移曲线对比图如图6所示。

对图5分析可得，由图5a）可知，工况一条件下施工后该断面城墙最大变形量为11.75 mm，东边城门洞周围区域的变形量最大，该区域及西边城门洞的变形量均超出了10 mm。对图5b）分析可知，在工况二条件下施工时，施工后该断面的城墙最大变形量为3.95 mm，变形量均小于10 mm。

图5 2种不同工况下沿Y＝35 m 处城墙位移云图对比图

图6 两种不同工况下沿Y＝35 m 处位移曲线对比图

从图6中位移曲线来看，工况一条件下盾构施工城墙地表最大沉降值为11.53 mm，沿X轴方向坐标介于53～67 m 期间的城墙地表沉降值大于10 mm；工况二条件下施工时，城墙地表最大沉降值为3.86 mm，城墙地表变形值均在10 mm 之内。综上所述，在工况一条件下施工时，城墙部分变形将超出其变形允许值，该条件下施工将导致城墙发生破坏，而在工况二条件下施工时，城墙的变形均在变形允许范围之内，可保证城墙的安全。

4 盾构下穿古城墙施工灾害防控技术

4.1 盾构施工技术措施

（1）严格控制土压力，确保土压平衡，在土压平衡状态下均速通过。

（2）及时注浆减少地层损失，并且严格控制同步注浆量和注浆压力，注入量一般为理论盾尾空隙量的150%～200%。注浆压力一般稍微大于隧道底部的土压力。

（3）采用二次注浆辅助施工法，进一步加固因开挖松动的土层，防止松动现象向上扩展。

（4）严格控制同步注浆及二次注浆的浆液质量、注浆量、注浆压力、速度等，防止注浆引起土体隆起。施工过程中在地上地下进行跟踪监测，并结合反馈数据及时调整施工参数。

（5）盾构掘进前准备支顶加固材料、注浆材料、抢险机具设备、车辆、警戒标识物等备用。

（6）在盾构到达城墙影响范围前，选择开挖面自稳性较好的地段对盾构机进行全面检修，以减少在下穿城墙段停机检修风险。

（7）在盾构下穿城墙前，对盾构在邻近区间段的施工参数进行总结分析，确定出合理的盾构施工参数，这些参数主要含：盾构掘进土压、掘进速度、同步注浆压力、注浆量等，从而得出盾构下穿古城墙时的最佳通过参数，保证古城墙的安全。

4.2 盾构下穿明城墙基础变形控制措施

在盾构穿越城墙前在距离城墙两侧5 m 位置打设直径1 m 钻孔灌注桩，桩心间距1.4 m，共设204根。桩长分两种：盾构线路两侧桩长至盾构底下3 m；盾构穿越处桩长至盾构顶1.5 m，桩间采用冠梁连接。在沿左右侧门洞脚各预设4排袖阀管，共计88根，沿墙宽方向间距为2 m、外插角5°、管长10 m。此加固方法使城墙基座周围的土体形成统一整体，不易变形。

4.3 北城门洞的保护措施

为确保下穿施工时城门洞的安全，施工前在门洞内沿门洞轮廓设置一圈I22d工字钢内支护，纵向间距为1 000 mm；在工字钢背后贴近门洞壁全断面铺设3 mm 厚钢板，并沿洞门环向设置槽钢加强纵向联系，间距为1 000 mm，加强整体稳定。城墙门洞加固方案示意图如图7所示。

图7 城墙门洞加固方案示意图

4.4 盾构下穿明城墙施工变形监测

（1）在城墙上布置监测点。在城墙脚下两侧埋设位移监测点和在城墙顶上两侧埋设沉降、倾斜监测点，每天设置专人观测城墙外观和监测点情况并做好原始记录。

（2）为了满足测量精度，选用精密的水准仪及配套的铟钢尺进行观测。基准点和沉降点采用国家二等水准测量的技术要求施测，观测时专人负责，每次观测线路相同。

（3）监测频率视施工进度及沉降速度而定，当出现较大或不均匀沉降时应加大监测频率。

（4）通过监控量测，及时将信息反馈给设计与施工作业面，以采取措施优化盾构施工参数。

（5）变形控制标准：地表变形最大沉降值为15 mm，最大隆起值为5 mm；城墙变形最大沉降值为10 mm，最大隆起值为3 mm；最大倾斜斜率为3‰。

4.5 盾构下穿城墙施工典型断面现场变形监测与预测对比

为了检验盾构下穿城墙施工措施的有效性，在盾构施工过程中对地表及城墙的变形展开监测，并将典型断面的实测沉降曲线与预测曲线进行对比。

4.5.1 地表沉降变形

地表典型断面预测沉降曲线与实测沉降曲线对比图如图8所示。

对图9分析可得，从4个地表典型断面的实测沉降曲线与预测沉降曲线的对比情况来看，预测沉降曲线与实测沉降曲线在趋势上能较好地吻合，但实测值均比预测值大。因地表有车辆运行，在数值模拟时将地面的车辆荷载按静载来考虑，而实际上车辆的荷载为动载，动载的作用效果比静载的作用效果大，故导致实测沉降值比预测沉降值大。从实测的沉降值来看，地表最大变形位于Y＝10 m 断面处，最大沉降值为11.31 mm，均在地表变形允许范围之内。Y＝33 m 断面和Y＝53 m 断面处在钻孔灌注桩加固区域范围内，对城墙基础起到了隔离作用，这2个监测断面的沉降值均在变形允许范围之内。综合上述分析，预测沉降曲线能与实测沉降曲线较好地吻合，能较好地预测出盾构下穿城墙施工时地表的沉降趋势。实测沉降值均在其变形允许范围之内，表明变形控制措施是有效的。

4.5.2 城墙典型断面沉降变形

城墙典型断面预测沉降曲线与预测沉降曲线对比图如图9所示。

图8 地表典型断面预测与实测沉降曲线对比图

图9 城墙典型断面预测与实测沉降曲线对比图

从图可知，沿Y＝35 m 断面处位于城墙上部最南侧，沿Y＝51 m 断面处于城墙上部最北侧。从图中可以看出，预测沉降曲线能较好地和预测沉降曲线相吻合，实测沉降曲线在沿X轴方向坐标介于30～75 m 之间比预测沉降值大，其余部分能较好地吻合。两断面中沉降值最大处均位于X＝58 m 附近，即位于两城门洞的中间处，最大沉降值为4.63 mm，沉降值均在其变形允许值范围之内。

4.5.3 城墙沿隧道轴线方向沉降

城墙沿隧道轴线方向沉降监测结果如图10所示。从图10可知，城墙沿X＝46 m 处位于沿隧道轴线方向城墙上部最外侧，距隧道轴线16 m，而X＝40 m 位于距沿隧道轴线方向城墙最东侧距离6 m，距离隧道轴线距离22 m。从图中2个监测断面的沉降曲线来看，距隧道轴线越近变形越大，城墙距隧道轴线最小距离为16 m，该断面最大沉降值为1.18 mm，在变形允许范围之内。证明在距城墙基础5 m 处采用直径1.0m、间距1.4 m 的钻孔灌注桩进行加固，可以有效地减小沉降的沉降变形，保证城墙的安全。

图10 沿隧道轴线方向城墙沉降监测

4.5.4 城墙倾斜监测

在盾构下穿城墙施工过程中对城墙的倾斜进行监测。根据现场的监测结果可知，城墙沿Y＝35 m断面处最大倾斜斜率为0.038‰，倾斜斜率较大者主要集中在城门洞附近区域；城墙沿Y＝51 m 断面处最大倾斜斜率为0.389‰。远小于其允许倾斜斜率3‰；沿隧道轴线方向的城墙墙体主要是因为盾构施工导致地表沉降变形使城墙墙体产生沿X轴方向的倾斜。盾构施工后距隧道轴线16 m 处城墙断面的最大倾斜斜率为0.092‰，远小于其允许倾斜斜率3‰。从倾斜斜率的大小来看，离城门洞距离越远，城墙墙体的倾斜斜率越小。

综上所述，在盾构施工前在距城墙基础5 m 处采用直径1.0m、间距1.4 m 的钻孔灌注桩对城墙基础进行预加固，同时对城门洞采用工字钢及钢板进行临时支护后，在进行盾构下穿北门城墙施工，可以有效地减小城墙基础及城墙上部结构的沉降变形、倾斜变形，从而保证城墙的安全。

5 结语

本文采用FLAC3D 软件计算预测了2种不同工况时盾构下穿明城墙施工的城墙变形值。研究结果表明，在未对城墙进行预加固时，城墙变形量将超出了其变形允许值，最终导致其破坏；而采取加固措施后再进行施工可有效地保证城墙变形在允许范围之内。提出的盾构下穿城墙施工的施工灾害防控技术措施及变形控制措施合理可行。目前西安地铁2号线已经建成并投入试运营，目前运营正常，表明本文的研究成果是可靠的。

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