地铁盾构施工下古城墙病害成因分析及防治方法研究

许炳刚 余 魁 郭 敏 黄 诚

1. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122 2. 南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009

0 引言

古城墙蕴藏着地方文化内涵，历史悠久。由于其年代久远，部分结构和材料受损或强度降低，当拟建地铁线路盾构施工影响区波及古城墙时，若没有做好保护工作，可能会造成城墙开裂、沉降、坍塌等破坏（图1），带来巨大的经济损失。例如，某地地铁施工期间，邻近城墙多段均不同程度地出现了城砖破损、开裂等现象。

图1 古城墙病害

作为历史文化名城的南京、西安等地，城区地铁规划中多处线路穿越古城墙，因此盾构施工中古城墙的保护问题亟待研究。康锦霞等针对平遥古城墙砂浆和砖的力学性能进行了试验研究，为墙体养护维修提供参考。任建喜等采用数值模拟手段，模拟了西安地铁2 号线穿越明城墙南大门时不同的施工工况，并提出了最佳方案。梁志闯等针对西安南门古城墙进行动力分析，结果表明：城墙水平位移和加速度突出，最大值均出现在城墙顶部并呈现出衰减趋势。夏倩等采用动力测试方法对西安古城墙进行结构模态参数识别，并运用峰值法（PP）、特征系统实现算法（ERA）等进行模态分析，并基于此建立城墙有限元模型，验证了数值模型的有效性。周长东等为减小降雨入渗对故宫城墙的破坏提出了采用对穿碳纤维增强聚合物（CFRP）锚杆加固城墙的措施。申喜旺等提出在城墙土体分层夯筑时可采用玻璃纤维拉筋支撑和拉结夯土，从而提高墙体稳定性。综上可以看出：各类学者对古城墙的保护研究多集中在现场试验和数值模拟上，研究成果主要关注古城墙的病害影响，需要进一步系统性地总结盾构施工对土体的扰动机制及古城墙的保护措施。

本文回顾总结了有关地铁盾构施工穿越古城墙的研究，分析了盾构施工作用下古城墙的病害成因，并从城墙本体加固、建设过程中施工控制和建设前期路线规划等方面总结盾构施工过程中城墙安全保护措施。

1 盾构施工引起的地层变形机制

盾构法由于安全性高、防渗性能好，被广泛应用于地铁施工。但施工开挖会对原状土产生扰动，在盾构机的卸加载下，土体孔隙水压、含水量发生变化，造成土体应力重分布，应力路径发生变化，进而引起周围土层变形，产生地表沉降。盾构施工过程中，原状土体可能会出现3 种扰动类型。一是盾构过程中顶推力大于土压力，开挖前方土体受挤压出现顶部隆起现象；二是盾构过程中顶推力小于土压力导致刀盘超挖，或由于地层软硬不均，局部软土体超挖坍塌，开挖前方土体产生沉降；三是盾构机推出管片时，由于同步注浆控制不良导致地层损失，从而引起后方土体产生沉降。通常前方原状土体主要受挤压力作用，侧面主要受剪切力作用，且前方原状土的扰动程度大于侧面。

2 盾构近接施工作用下古城墙病害成因

国内现有城墙大多都是典型的砌体结构，存在砖体与胶结材料强度差异大、抗风化能力弱等缺点，再加上历经多年，墙体受损较严重。造成古城墙病害的原因多种多样，如地铁开挖引起的地表沉降或施工产生的振动导致墙体自身抗损能力降低。

2.1 地铁施工作用

南京、西安等地的古城墙自身存在较多暗堡和人防洞，其存在造成部分墙体出现“空洞区”，施工过程中更易引起城墙局部松动。盾构施工引起的地表沉降会导致城墙地基下沉，进而导致墙体变形破坏。钱春宇等以西安城墙为研究对象，系统地研究了地铁盾构施工对城墙的影响，建议将城墙地表变形量控制在-15 ～5 mm，局部倾斜控制在0.001；并建立隧道-土体-城墙有限元模型，针对变形预测和加固进行分析研究。范沈龙对南京地铁5 号线下穿挹江门城墙工程进行了安全评估分析。研究结果表明：地铁盾构施工会引起城墙产生不均匀沉降，使城墙局部位置产生拉应力，导致城墙局部产生裂缝，对城墙的结构安全性产生不利影响。

2.2 施工机械振动作用

地铁盾构过程中，城墙所受到的工业振动激励源主要分为以下3 个方面（表1）。

表1 工业振动激励源

虽然经过隧道上覆土层的过滤与衰减，施工振动产生的振动响应会减小，但对城墙本体还是会产生一定的影响。故施工机械振动不容忽视。

3 古城墙保护原则及安全控制标准

当地铁盾构施工穿越古城墙时，若不采取合适的加固措施势必影响古城墙结构的稳定性。地铁建设与古城墙保护同样重要，在确保地铁顺利建设的同时，要采取科学合理的施工方式与相配套的治理体系，坚持不改变古城墙原貌以及尽量保存古城墙原有材料完整性的原则，制定完善的管理制度和合理的施工参数。古城墙加固原则如表2 所示。

表2 古城墙加固原则

严格控制地表沉降量可有效减少对城墙的损坏，制定合适的控制标准可保证城墙的安全使用。国家标准规定地铁盾构下地表最大沉降不超过30 mm，城墙倾斜控制在2‰内，我国城市地铁施工时周边城墙与地表变形预警值如表3 所示。

表3 城墙与地表变形预警值[10]单位：mm

对于地铁邻近古城墙的安全性评价，归根结底是要明确土层的变化规律，进而明确土层的变形控制指标。然而单一的监测控制指标往往很难对古城墙由于复杂多样的原因产生的破坏损伤进行评估，因此需从多方面、采用多指标对其进行综合评价。

4 盾构近接施工作用下古城墙保护措施

为保护地铁邻近的古城墙，防止盾构施工对城墙造成不利影响，一般采取加固措施减小城墙变形。此外，也可采取一些被动措施对城墙进行保护。结合盾构施工过程中墙体破坏机制，可分别从土体加固、墙体加固、盾构施工控制和路线合理规划4 个方面来考虑。

4.1 土体加固

随着地下空间的不断拓展，基坑工程越来越多，对周边临近建筑的地基加固方法也越来越多，按加固方式大致分为土体置换、土体加筋、土体振密和土体固化。针对人工填土、黏性土、淤泥质土、黄土等土体，采用注浆的手段进行土体固化，土层性质的改善提高了土体刚度，进而抵消部分沉降变形，达到了保护城墙的目的。此外，采用土体加筋的方法，通过在城墙外设置钻孔灌注桩来隔断沉降槽，也可达到减少城墙周边土体扰动的效果。

4.2 墙体加固

在对城墙周边地基进行加固处理的同时，也可对城墙墙体进行结构构造上的加固改造，从而达到减少土体扰动，进而减小地表变形的效果；在城墙墙面设置钢板网、门洞设置加固钢架可有效减小墙体的变形，提高墙体整体的稳定性。

4.3 盾构施工控制

对盾构工程进行施工控制可减少土层的扰动和施工中可能出现的风险。在地铁穿越古城墙工程中，主要施工控制措施包括以下两点。

（1）盾构穿越城墙段时，保持掘进速度恒定，确保方向正确，减小偏差。盾构掘进必须在合适位置开始，施工过程中严格控制盾构轴线方向。

（2）为保证盾构施工质量，可在施工前初步选定盾构掘进参数：①土仓压力；②推进速度；③总推力；④排土量；⑤刀盘转速和扭矩；⑥注浆压力和注浆量。其中土仓压力的控制是整个掘进过程控制的核心。当穿越与古文物类似的地层时可进行盾构试掘进，通过分析试掘进段地表沉降与施工参数之间的关系，调整盾构掘进推力、掘进速度、盾构正面土压力及壁后注浆量和压力等参数。

4.4 路线合理规划

路线的合理规划可从源头上减小盾构施工对古城墙的影响。现有的地铁穿越城墙工程均是从城墙下方穿越的，适当增加双线分离的间距可有效解决左右线的叠加影响，也有利于减少土体扰动造成的地表沉降。

5 结语

我国正处在城市地下隧道快速发展阶段，盾构施工法由于推进速度快、受外界环境干扰小，已成为我国地下隧道建设的主要方法之一。但其对土体的扰动也不可避免地带来了一系列问题。本文系统梳理了盾构施工对邻近古城墙的影响及控制标准，从地表沉降变形机制、邻近城墙结构安全性和城墙加固措施等方面进行总结和分析，主要结论如下。

（1）古城墙自身存在的暗堡和人防洞造成部分墙体出现“空洞区”。施工过程中更易引起城墙局部松动，使其产生不均匀沉降，局部位置产生拉应力，导致裂缝的产生，对城墙的结构安全性造成不利影响。

（2）对古城墙保护而言，土体固化和土体加筋的方式均可有效改善土体刚度，进而抵消部分沉降变形，达到保护城墙的目的。

（3）为保护邻近古城墙，防止盾构施工对城墙造成不利影响，一般采取加固手段减小城墙变形。此外，也可采取一些被动措施对城墙进行保护，如合理的盾构施工控制和路线规划均可减少对古城墙的影响。

若想要进一步减少盾构施工产生的不利影响，需深入研究盾构施工引起的邻近城墙结构变形机制，因此进一步研究可以从以下两个方面考虑。

（1）城墙由于存在砌体结构固有特性，自身裂缝扩展复杂。由于裂缝的存在，盾构施工会引起城墙墙体局部应力变化，因此可对城墙墙体局部损伤进行进一步研究分析，提出有效的城墙局部临时保护措施。

（2）古城墙的内部存在或多或少的空洞和裂缝，整体结构松散且复杂，建模难度大。可针对数值模型假设进行合理性研究，为精细化建模提供有效、合理的理论参考。