摘  要：以西安地铁2号线区间隧道下穿南门古城墙工程为依托，通过建立FLAC^3D数值模型对可能的3种施工方案进行了对比分析，建议将管片支护及壁后注浆、城门基础范围内土体化学注浆加固和城墙南面基础附近施工钻孔灌注桩的联合变形控制方案作为最优的可行性方案，并对该方案引起的古城墙变形规律进行了预测研究，根据预测结果制定了监测方案。工程实践表明，建议的古城墙变形控制施工技术是合理的，隧道施工时引起的城墙和地表变形值处于安全值范围内。得到的地铁隧道盾构施工引起的古城墙变形规律及其控制技术对西安地铁1号线下穿东西古城墙的安全施工具有借鉴价值。

关键词：盾构隧道施工；古城墙；变形规律；现场监测；控制技术

 

      修建地铁是缓解西安市地上交通拥挤的重要手段，在已规划的15条地铁线路中，1、2号线在施工时均需下穿西安市重要古建筑物即明城墙。明城墙是现今保存最完整的中国古代城垣建筑，属国家级文物保护单位。在地铁施工通过时必须保证不能对其造成丝毫损害，同时也为了减少对地面交通及建筑物的影响，选用盾构法施工。盾构法隧道施工技术尽管已发展得很成熟^[1–2]，但不可避免仍要产生对土体的扰动，引发不同程度的地层位移和地表变形^[3–4]。盾构法修建地铁隧道在西部黄土地区尚属首次，有许多技术问题需要仔细研究。如何控制地铁隧道上方的地面沉降及其附近建筑物的安全使用亟需分析研究。如何最大程度减少地表沉降成为隧道盾构施工的核心问题^[5―6]。本文依托地铁2号线（下行线）下穿南门古城墙工程，采用FLAC^3D数值分析模型，开展盾构施工引起的南门古城墙及地表的沉降规律研究，为信息化施工方案的确定提供重要依据。研究结果对西安地铁2号线安全下穿南门古城墙具有重要价值。对西安地铁1号线安全下穿东、西门古城墙也具有借鉴意义。

 

      南门古城墙处于市区繁华地段，南临护城河，北接西安市重要商业街即南大街，东侧为古玩一条街即书院门大街，西连环城南路。既是古城墙观光入口处，更是联系古城内外的重要通道，其附近地表状况较好，有小型绿化广场。在建的地铁 2 号线下行线呈半径 350 m 弧形绕过瓮城（图 1），向北从城墙门洞下穿过。地铁隧道与城墙位置关系立面图见图 2（I–I 剖面为城墙基础监测网剖面）。施工场地内地层分布为：地表分布有厚薄不均全新统人工填土（Q₄^ml）；其下为上更新统风积（Q₃^eol）新黄土（局部为饱和软黄土）及残积（Q₃^el）古土壤，往下为中更新统风积（Q₂^eol）老黄土和冲积（Q₂^al）粉质黏土、粉土等。

      FLAC^3D（fast Lagrangian analysis of continua，连续介质快速拉格朗日分析）是由Cundall和美国ITASCA公司开发出的有限差分数值计算程序，主要适用于岩土工程问题分析。该程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟材料大变形和扭曲问题^[7]。FLAC^3D采用显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解，从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落，本文采用该软件进行数值分析工作。

      由于是第一次在黄土地区使用盾构法施工修建地铁，故可借鉴的资料不多。为了验证使用FLAC^3D软件对盾构施工时地表沉降进行预估的适用性，将选择靠近城墙已施工的地段建立数值模型（图 3），对盾构施工引起的地表沉降进行计算，使之与已有的监测资料相吻合，从而得到合理的计算参数。该段和城墙处的地质情况接近，故可服务于计算城墙变形的模型。

      观察图 4 的计算与实测地表沉降值对比曲线可知，地表沉降计算值和实测值差别不大，能够较好地吻合，同时也表明了 FLAC^3D软件在计算黄土地区修建地铁时盾构施工引起的地表沉降的正确性。

      已知研究区域在城墙沿向和隧道沿向上都是平面应变问题。根据圣唯南原理，将模型尺寸取为地铁隧道开挖洞径的 3～5 倍最为合理，既能满足求解精度要求，也能满足计算速度要求^[8–9]。选取60 m×36 m×36 m（宽×高×长）的区域建立 FLAC^3D计算模型（图 5）。通过对比不同工况下的模拟计算结果进行地表变形规律研究。因为该处紧邻的地铁2 号线南门车站在施工期间进行了降水，且相邻的护城河也进行了截流措施，故模拟计算不考虑地下水的影响。

      古城墙结构见图 6，墙体高约为 12 m，底宽为15～18 m，顶宽为 12～14 m，内、外侧墙面均用青砖包砌，顶面以青砖铺平，称为“海墁”，外侧有高1.9 m 的垛墙，内侧有高 0.75 m 的女儿墙，城墙芯墙以黄土为主要物质夯筑而成，城墙基础为夯筑，其深度距现在地表约有 4 m 左右。

      因为所取研究段长 36 m，圆心角小于 5°，为建模方便，将研究段隧道处理为直线段。该段隧道平均埋深为 16 m，直径为 6 m。采用 C50 混凝土管片支护。管片规格为长度方向 1.5 m 1 环，厚度是0.3 m，每一支护环由 5 块常规管片和 1 块楔形管片组成（见图 6）。

      计算模型中的地层采用实体单元，按弹塑性材料模拟，取用 Mohr-Coulomb 屈服准则；钻孔灌注桩采用桩单元，管片采用 Shell 单元，用线弹性材料模拟；模型的四周边界分别施加法向约束，限制边界的水平位移；底部边界施加固端约束，限制边界位移，同时进行初始地应力的施加。壁后注浆用等代层模拟^[2]，等代层中的材料是土、浆体及土与浆体的混合物，其弹性模量与土的性质、浆体材料及其组成比例等有关，本例中取为 1.2 MPa。泊松比取为 0.17。模型共划分了 19 288 个单元、22 035个节点。每一计算步开挖 1 环，共计 24 步。

      根据岩土工程勘察报告，将城墙基础下土体整合为 6 层，计算所取参数值见表 1。另外，桩体和管片的弹性模量分别取 2.80×10⁴、3.45×10⁴MPa，桩体和管片的泊松比均取 0.17。

      根据可能的 3 种地层预加固盾构施工方案，分为 3 种工况进行计算，通过分析确定最优的施工方案，3 种工况包括：①工况 1，城墙下土层无加固措施，仅进行管片支护及壁后注浆，隧道盾构施工；②工况 2，进行管片支护及壁后注浆，且对 3 个城门洞基础范围内的土体进行化学注浆（聚安酯）加固（加固体参数见表 2），隧道盾构施工；③工况 3，进行管片支护及壁后注浆，且对 3 个城门洞范围内的土体进行化学注浆加固，同时分别在城墙南基础即靠近护城河一侧的隧道两侧 8 m 处以及在城墙南面 5 m 处打 C25 混凝土钻孔灌注排桩，规格为φ 1 000 mm@1 300 mm（图 6 中标注处），进行隧道盾构施工。

      图 7 是 3 种工况条件下局部放大的城墙及其基础竖向位移图。通过对计算云图及关键点位移分析可以得知：

      （1）工况 1 条件下，最大沉降量在–18 mm 左右，而工程要求最大沉降值不得超过–15 mm，显然，工况 1 不能满足施工要求。

      （2）工况 2 条件下，因为对地层进行了化学注浆加固，最大沉降量仅为–7.5 mm 左右，虽然有大幅度减小，但是仍然超过了预警值（–5 mm），城墙安全存在隐患，控制城墙变形措施需要进一步加强。

      （3）工况 3 条件下，在对地层进行化学注浆的同时，施加了钻孔灌注桩加固，最大沉降量只有–2.5 mm 左右，在城墙允许变形范围之内。也就是说，工况 3 地层加固措施完全能够保证盾构通过期间城墙的安全。

      （4）从各工况的沉降云图可以看出，盾构施工对隧道轴线平行走向的城墙的位移影响远远小于对隧道轴线垂直走向的城墙的位移影响，工况 3 加固措施对减小城墙位移的效果最明显，沉降影响范围及沉降值明显减小。

      因此，建议在地铁隧道盾构施工通过南城墙时，按照工况 3 对地层进行预加固处理。具体加固措施见图 8。

 

      FLAC 计算表明，在工况 3 条件下进行盾构施工时，城墙及其基础变形量最小，均能满足安保要求。因此，在实际施工时选用工况 3 的工程措施对城门洞范围内的土层进行预加固处理。按照此施工方案，根据监测点布置原则，在城墙基础上及地面布置监测网。城墙的重要性决定需对其基础沉降进行重点监测。在各关键点上布置监测点，监测网布置见图 7，图 7(a)对应图 2 的 Ι—Ι剖面。

      监测所用测量仪器为徕卡 TCA1800 全站仪，标称精度为 1 mm+2×10^–3mm；DINI 电子水准仪，标称精度为 0.3 mm/km 及配套条形码水准标尺。盾构施工过城墙过程中，对路面及周围建(构)筑物实行 24 h 巡视。监测频率为 1 次/d，其中在盾构切口到达前一倍盾构直径时和盾尾通过后 3 d 内应加密监测，监测频率加密到 2 次/d，以确保盾尾推进安全；盾尾通过 3 d 后，监测频率为 1 次/d，以后每周监测 1～2 次。以保证监测数据采集、传递能够准确、及时、可靠；保证监测与施工进度同步进行。施工时可以根据具体情况进行酌情处理。沉降监测极限值分为 3 级：预警值为 5 mm，报警值为 10 mm，警戒值为 15 mm。

 

      为了更好地研究地铁隧道施工时古城墙的变形规律，将数值模拟计算结果和实际监测结果对比分析。因 37^#测点损坏，采集数据不全，故不计入对比结果。监测点沉降数据见表 2、3。“-”表示地层向下沉降，“+”表示地层向上隆起。

      对于工况 3 来说，各实测观测点的沉降值与计算预测值趋势一致，数据基本接近，排除模拟计算时误差，说明建议的控制城墙变形的地层加固施工措施效果良好。

      隧道轴线地表处的位移计算值表明（表 3），在盾构推进过程中，地面沉降最大值为 4.1 mm 左右，与工程实测结果比较相吻合，同时也印证了 FLAC模拟计算预测城墙沉降变形的可信性。