盾构隧道穿越西安永宁门城墙段的施工加固措施

胡自全 姜雁飞 晁召波

(1.西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安; 2.机械工业勘察设计研究院,710043,西安∥第一作者，工程师)



盾构隧道穿越西安永宁门城墙段的施工加固措施

胡自全1姜雁飞1晁召波2

(1.西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安; 2.机械工业勘察设计研究院,710043,西安∥第一作者，工程师)

根据西安城墙的结构特点及其工程地质、工程设计和施工工艺情况,确定了西安地铁二号线穿越西安城墙永宁门段施工加固方案及监测项目。监测数据分析显示,地铁施工对城墙永宁门区段的影响在预期的控制范围内,施工加固措施及监测方案可行,达到了保护文物的目的。

隧道; 盾构法; 监测; 古城墙; 加固

First-author′s address Xi′an Metro Co.,Ltd.,710018,Xi′an,China

西安城墙是明洪武三年(公元1370年)在隋、唐皇城遗址上开始扩建,至明洪武十一年(公元1378年)完工,是我国规模宏大、保存最完整的一座古代城垣建筑之一。西安地铁2号线工程,北起西安铁路北客站,南至韦曲南,正线全长26.456 km,共设21座车站。地铁2号线穿越西安城墙永宁门区段,由永宁门车站开始向钟楼站掘进,隧道左右线分别从永宁门瓮城东西两侧的城门洞下绕行通过。绕行线路曲线半径为350 m,轨顶标高为384.7 m,轨顶埋深为地表下22.0～23.6 m,隧道顶埋深为17.4～18.5 m[1]。在盾构法施工期间,对古城墙的保护及监测工作是西安地铁工程建设的主要课题之一。

1 西安城墙结构及水文地质情况

1.1 西安城墙结构特点

地铁穿越城墙的永宁门区段地层主要是第四系人工筑填土、风积黄土、残积古土壤及冲积的粉质黏土、粉土、砂土等。西安城墙的结构特点是“砖表土芯”结构[1],其城墙结构土体分层分析见表1。

西安城墙永宁门区段,目前在其土芯墙、外包砖砌体和海墁砖砌体上表层都产生了一定数量的裂缝,构成了不利于城墙安全的结构面。

表1 西安城墙永宁门区段土体分层系统一览表

西安城墙永宁门区段外部形态特征的几何尺寸如下:城墙高约12 m,底部宽16～18 m,顶部宽12～14 m;永宁门门洞为拱券形,长29 m;永宁门正上方砌置有一城楼,楼体高19.6 m。瓮城东西长70 m,南北宽50 m,瓮城墙顶宽13.5 m,周长395 m。瓮城东西各设一偏门,均为拱券形门洞。瓮城外侧为月城,月城城墙为砖砌体结构,瓮城正南方为闸楼;永宁门瓮城外两侧分别有3个并行相邻排列的城门,为现代交通之用,城门亦为拱券形。

1.2 地质状况

1.2.1 工程地质

盾构下穿护城河段的地质情况依次为:3-1-1饱和软黄土,影响深度为5～7 m;3-2古土壤,影响深度为3 m;4-1老黄土,影响深度为3～5 m;4-4粉质黏土,影响深度为0～3 m[2]。

1.2.2 水文地质

根据勘察结果,该场地所揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水,含水层主要为第四系弱透水的黏性土。受护城河的影响,该段地层内水位埋深较浅,位于地表以下6.0～10.0 m,水位标高在隧道顶部以上3～6 m。潜水补给主要来自侧向径流补给、大气降水入渗及绿化灌溉水的入渗补给;地下水的总体流向与地形一致,由东南流向西北;潜水的排泄方式为人工开采、蒸发、向下游径流等。地下水位变化主要受降水、蒸发、人工开采等因素影响。根据对护城河段长期地下水动态监测资料分析:一般7～9月水位埋深最大,为枯水期;12月到次年的2月水位埋深最小,为丰水期。年水位变化量为2～3 m。

2 永宁门城墙加固措施及工程监测方案

2.1 加固措施

2.1.1 地面加固措施

在盾构通过城墙前在地表沿城墙四周对城墙基底下方预埋袖阀管注浆加固,袖阀管埋深应在地下水位以下,以防止沉降。袖阀管埋深在地下水位以下,间距为0.6 m×0.6 m,呈梅花形布置,加固范围为地面下3 m。在盾构穿越前,根据盾构施工过程中监测情况及时注浆,注浆选用水泥、水玻璃双液浆。双液浆配合比采用:水泥浆水灰质量比为0.8∶1～1∶1,水玻璃浓度为35～45波美度,水泥浆与水玻璃体积比为1∶3～1∶2,拟定注浆压力为1.0～1.5 MPa。在盾构掘进过程中,对路面及周围建(构)筑物进行巡逻、观察。每4 h进行一次地面沉降及城墙基础沉降测量,根据地面沉降的监测数据控制注浆量和注浆压力,防止注浆压力过大,造成隆起,对城墙基础产生破坏。

2.1.2 城门洞加固措施

在城墙门洞内侧设置工字钢临时支撑,工字钢采用27a型,纵向间距为1 000 mm,沿环向每隔1 m设一道16#槽钢加强纵向联结,以增加拱架的整体稳定性,如图1所示。对城墙外表面采用外挂钢板网墙护壁保护,要求尽量密贴,并实时观测,如发现有砖块脱落趋势时对城墙局部注入黏结胶。

图1 盾构穿越永宁门区段时城门洞钢结构加固实况

2.1.3 盾构隧道内加固辅助措施

本工程两条隧道均采用日本小松PMX614土压平衡盾构进行隧道掘进施工,预制混凝土管片外径为6.0 m,内径为5.4 m,每环为1.5 m。盾构掘进过程中,做好同步注浆和二次注浆工作,对稳定管片、减少建筑物及地面沉降起到非常重要的作用。

为有效控制施工沉降,保护古城墙,在盾构穿越期间从隧道内对土体进行注浆加固,即在盾尾后5环位置采用钢花管注浆，如图2所示。施工工艺如下:①在盾构穿越永宁门城墙段采取注浆加固措施;②将管片吊装孔凿开,打入长为3.5 m、φ42的钢花管,并及时用球阀封住注浆管,防止漏浆;③连接球阀与注浆泵,准备进行注浆工作;④每孔注入1.5 m3左右,注浆压力为0.2～0.3 MPa;⑤采用一台ZBY-80/70液压注浆泵进行注浆;⑥浆液采用超细水泥、水玻璃双液浆。

图2 隧道内注浆加固示意图

2.2 工程监测方案

在西安地铁二号线永宁门站至钟楼站盾构机从永宁门站始发前,收集了与城墙永宁门监测有关的地质、水文、地理环境、工程设计方案、施工组织设计等相关资料[1-4],在文献[4-7]的基础上确定了以下监测内容:①永宁门主体基础沉降监测,监测点为1～43。盾构隧道正上方城墙顶部沉降监测,监测点为92～109。监测范围为永宁门中线东西两侧各150 m以内,如图3所示。②监测地下水位变化,范围为永宁门城墙主体周边区域,如图3所示。③对永宁门砖土结构上现有的主要裂缝进行测量、巡视观察,主要为地铁线路两侧各20 m范围内长度大于6 m但未贯通、裂缝宽度一般10～20 mm及长度贯通墙体、裂缝宽度一般超过20 mm的裂缝。④对城墙永宁门处于地铁线路两侧各20 m范围,破损现状严重区内存在鼓胀的部位进行监测,结合沉降监测结果实时分析变形情况。

根据施工设计要求,西安城墙永宁门区段地铁盾构施工期间,盾构施工对城墙基础及地面沉降影响允许值为:上升量小于5 mm,下沉量小于15 mm;预警值取限值的70%,即沉降变化上升量大于4 mm,下沉量大于10 mm[3-4]。

图3 盾构穿越永宁门段沉降及水位监测点布置图

3 盾构穿越永宁门段的影响分析

3.1 地下水位监测结果分析

根据水文地质资料,护城河水体是西安城墙附近地下水的重要补给源。为消除护城河水在地铁穿越城墙时对地铁主体施工的影响,施工方对护城河进行了截流。盾构施工期间,对地下水位进行监测。地下水位变化情况如图4所示。

图4 地下水位变化曲线

在盾构施工期间护城河被截流,护城河河水补给地下水的渠道被切断是导致地下水位下降的主要原因,其次是受盾构施工的影响。当护城河截流段放流后地下水位恢复到常年正常水平。监测结果显示，盾构穿越永宁门施工期间最低水位比勘察时的低水位低0.85 m。地下水位在护城河截流期间总体呈下降趋势,水位监测井NS1最大波动为2.04 m,水位监测井NS2最大波动为1.63 m,而永宁门段一年中水位变化在2～3 m。因此,护城河截流及盾构施工引起永宁门城墙下地下水位波动很小,对永宁门城墙造成的变形影响甚微。

3.2 永宁门沉降分析

根据施工组织设计及监测技术方案，将永宁门沉降分为盾构穿越处沉降、城墙底部沉降，分析盾构施工期间沉降变化规律,来判断盾构穿越施工对永宁门城墙的影响。

3.2.1 盾构穿越处沉降分析

地铁二号线穿越永宁门城墙东西两侧门洞,门洞处结构较为薄弱。在施工前,施工方在门洞内侧加固了钢板支撑,在东西门洞正上方的海墁上各设置了1个监测断面；每个断面布设9个监测点,以监测地铁穿越时该处的变形情况。盾构左线和右线穿越城墙施工期间隧道上方城墙平均沉降量随时间变化曲线如图5和图6所示。断面1和断面2的最终沉降曲线如图7和图8所示。

图5 盾构左线穿越城墙沉降曲线

图6 盾构右线穿越城墙沉降曲线

由图5和图6可知,东、西门洞上方海墁在整个监测期间沉降量及沉降量变化值较小,体现在图中曲线较平缓,说明盾构施工对该处的影响较小。

图7 断面1监测点沉降量

盾构穿越永宁门2个月后沉降值趋于稳定,由图7和图8可知,受钢拱架支撑的城门洞的最大值约为8 mm,在预期的沉降控制范围之内。

3.2.2 断面沉降量与地铁中心线距离的关系分析

根据沉降监测点与地铁中心线距离的位置关系并结合永宁门的结构特点,将沉降监测点1～24、25～43视为2个断面,监测点沉降量随其距离隧道中心线距离的变化曲线,如图9和图10所示。

图8 断面2监测点沉降量

图9 永宁门城门内墙沉降曲线(1～24号监测点)

图10 永宁门城门外墙沉降曲线(25～43号监测点)

盾构穿越施工期间,由施工期间注浆数据统计显示,同步注浆量平均每环约为4.4 m3,二次注浆量平均为0.7 m3,钢花管地层注浆加固环注浆量为1.07～1.32 m3(平均量为1.21 m3)，注浆压力为0.21～0.26 MPa。地面袖阀管注浆量根据盾构穿越时地表的沉降速率而定。当监测点总沉降量超过4 mm,且当日沉降量超过1 mm时,即开始二次注浆。注浆时控制注浆量和注浆压力,实时监测,防止因注浆压力过大、超量注浆引起地面隆起。通过实时监测和注浆加固有效地控制了城墙及地面沉降。

由图9和图10可知,随着监测点距地铁中心线距离的增大,沉降量逐渐减小,说明盾构施工对永宁门城墙的影响随着距离的增大在逐步减弱。经图9、图10和图7、图8的对比可知,城门洞正方的沉降趋势、沉降量和沉降值大小的分布范围基本一致。因此,地铁施工对永宁门城墙的影响在可控范围内,施工方采取的措施可行,达到了保护文物的目的。

3.3 墙体裂缝监测结果分析

永宁门监测了NN1/C、NN2/D、NN3/D、NN14/C、NN17/C、NN19/D、NWW1/D、NWW8/D、NWW9/C、NWN13/D共10条裂缝。在盾构机从永宁门站始发、穿越永宁门城墙及驶离永宁门50 m范围之外时,分别在2008-08-28、2009-01-22和2009-05-22对上述裂缝进行了3次监测,均量取了裂缝监测点间的距离,拍摄了照片,如图11和图12所示。由量取结果求出裂缝宽度的变化值,变化值结果均较小,如表2所示。说明2号线盾构施工对城墙永宁门主体稳定性的影响很小。

表2 墙体裂缝监测结果汇总表

图11 NWW8/D裂缝量测图

图12 NWW8/D裂缝全貌图

3.4 水平位移

2008-09-20～2009-05-21共监测13次水平位移。对每次监测数据取平均值,最小平均位移量为-1.73 mm,最大平均位移量为0.66 mm(-表示向城墙外侧偏移,+表示向城墙内侧偏移)。说明2号线盾构施工对永宁门城墙主体结构稳定性的影响很小。

4 结语

为了有效地保护古城墙,西安地铁2号线下穿永宁门城墙段采取了对地面加固、城墙门洞加固、盾构隧道内加固等措施；并对护城河进行截流,以消除护城河水补给地下水对盾构施工的影响。盾构施工期间，在施工影响范围内地下水的波动值<2.04 m,并在年水位变化范围之内。城墙及地面监测数据显示,累计沉降量较大的点均在线路通过的上部附近,沉降量主要产生在隧道穿越地下时段,施工期间地面上升小于2.5 mm、地面下沉不大于8 mm,均在控制范围之内。盾构隧道施工期间,永宁门城墙的裂缝宽度、水平位移量有一定的变化,但绝对值较小,均在可控范围之内。地铁施工对永宁门城墙的影响在预期的可控范围内,施工加固措施可行,达到了保护文物的目的。

[1] 机械工业勘察设计研究院有限公司.西安城墙南门、北门地铁二号线穿越区段安全评估及西安地铁二号线施工沉降与运行振动对西安城墙影响研究成果报告[R].西安:西安市地下铁道有限责任公司,2009.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.西安市城市快速轨道交通二号线一期工程详细勘察阶段北大街—钟楼区间岩土工程勘察报告[R].西安:西安市地下铁道有限责任公司,2006.

[3] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.西安市城市轨道交通二号线通过钟楼及城墙文化保护方案[R].西安:西安市地下铁道有限责任公司,2008.

[4] 机械工业勘察设计研究院.西安市城市快速轨道交通二号线施工期间城墙永宁门监测技术报告[R].西安:西安市地下铁道有限责任公司,2009.

[5] 胡新朋,孙谋,王俊兰.盾构隧道穿越既有建筑物施工应对技术[J].现代隧道技术,2006,43(6):60-65.

[6] 尹旅超,朱振宏,李玉珍，等.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.

[7] 任建喜,张引,冯超.地铁隧道盾构施工引起的古城墙变形规律及其控制技术[J].岩土力学,2011,32(增1):445-450.

Reinforcement Measures of Tunnel Construction When Crossing beneath the Old Citywall in Xi′an City

HU Ziquan, JIANG Yanfei, CHAO Zhaobo

According to the structural characteristics of Xi′an citywall, the engineering geology, design and construction process, the reinforcement measures and monitoring projects of Xi′an metro Line 2 are determined, which crosses beneath the Yongning Gate of Xi′an old citywall. The observed data show that the influence of tunnel construction on Yongning Gate walls is within the expected control range,the reinforcement measures and monitoring schemes are feasible, which can achieve the purpose of cultural relics protection.

tunnel; shield method; monitoring measurement; old citywall; reinforcement

U 455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.05.029

2015-07-06)