Construction Stability Analysis of Shallow Covering Shield Tunnel under
Ancient City Wall and Moat
李利军 LI Li-jun
（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410004）
（Sinohydro Bureau 8 Co.，Ltd.，Changsha 410004，China）
摘要：南京地铁5号线七桥瓮站-小天堂站区间双线盾构隧道下穿明朝古城墙和护城河，具有较大的施工难度和风险。论文建立了三维数值模型，模拟现场施工作业，分析了围岩的变形情况。结果表明，施工现场安全性较高。经过模拟优化分析，当注浆压力小于0.3MPa时，注浆压力对位移影响较小。
Abstract: The double-line shield tunneling between Qiqiao Weng Station and Xiaotiantang Station of Nanjing Metro Line 5 runs through the ancient city wall and moat of Ming Dynasty, which is of great construction difficulty and risk. A three-dimensional numerical model is built to simulate the site construction and analyze the deformation of surrounding rock. The results show that the construction site safety is high. After simulation and optimization analysis, when grouting pressure is less than 0.3MPa, grouting pressure has little effect on displacement.
关键词：浅覆；盾构；古城墙；护城河
Key words: shallow covering；shield；ancient city wall；moat
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0168-04
0 引言
随着城市化进程的发展，交通拥堵成为许多大中型城市的普遍存在的现象，为解决这样的难题，隧道工程越来越受到建设者的青睐[1]。在南京这种历史悠久的大都市，隧道有时会难以避免下穿古城墙。同时由于受既有建筑物、地下管网和地质条件的限制，隧道离城墙基础底面最近仅30cm。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[2]。
近年来也有一些学者对隧道下穿古城墙进行了研究。杨韶林发表论文西安地铁1号线玉祥门站-洒金桥站区间盾构穿越国家级重点保护文物玉祥门城墙采取多项技术措施，保证了穿越过程中城墙的安全，对类似工程的施工具有借鉴和指导作用[3]。康佐针对西安地铁一号线盾构隧道下穿朝阳门段城墙及朝阳门门洞具体工程，通过建立三维有限元模型，模拟分析了盾构掘进过程中的沉降机理，对古城墙受力进行了理论分析，预判出古城墙及附近地面的沉降值，并制定出了针对性的加固方案[4]。
总体而言，盾构穿越古城墙已经有所研究，但紧贴城墙基础底部掘进尚属少见，必须考虑城墙结构及基础的空间效应及其稳定性，以确保工程的安全，在此方面也应开展相应的研究。
本文针对南京地铁5号线七桥瓮站-小天堂站区间下穿古城墙和护城河的特殊工况，通过有限元软件进行了数值模拟分析，研究了隧道管片、围岩、城墙及河底的变形位移发展状况，利用计算结果对施工现场的安全性进行评估。
1 工程概况
南京市轨道交通5号线工程南起吉印大道站，北至方家营站，是南京市城市轨道交通线网中东南至西北方向的一条极为重要的城区干线。线路总长37.4km。
地铁5号线线路总长37.4km，采用双线单洞隧道结构型式，左右线均为内径5.5m、外径6.2m的圆形盾构隧道。
本工程中出现的隧道下穿古城墙及护城河无论是从施工难度上，还是从工程的重要性上都是值得注意和研究的。
盾构隧道采用单层衬砌，管片（壁）厚0.35m，宽度1.2m，图1为双线双洞隧道结构设计图。采用6分块，错缝拼装。管片采用C50、P10钢筋砼，内部回填采用C25素砼。全线采用铰接型加泥式土压平衡盾构机进行隧道掘进施工。注浆层厚度为14cm。
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古城墙大致结构及和隧道位置关系见图2，墙体高为15m，底宽为24m，顶宽为14m，隧道中心距城墙基础底面3.4m，内、外侧墙面均用青砖包砌。
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2 数值计算
数值模型是运用有限元方法的计算的模型，在施工工况以及材料参数尽可能地还原实际工况的情况下，能较好的完成对岩土体变形的模拟以达到预测和评估的目的。
2.1 模型概况
地层模型大小为129m×60m×40m。前后两个面施加沿轴线方向的位移约束，左右两面施加沿横断面的约束，底面为固定边界，上表面为自由边界，整个模型施加竖直向下的重力，不考虑时间效应，围岩的初始应力全部由地层的自重应力产生。土体均采用莫尔-库伦本构关系，采用实体单元。模型网格划分采用混合网格划分，以六面体网格为主，整个模型总共有72978个单元，30766个节点，整体模型网格划分如图3。根据计算需求，将隧道部分以及第二层土体的网格尺寸定为1.5m，其余部分定为4m。
根据现场地质勘探报告，将现场土体地质情况分为3层，从上到下，依次为粉质粘土1层、粉质粘土2层和全风化泥质砂岩层，隧道处于第一层土体中施工。各单元参数取值详见表1。
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2.2 工况模拟
双线隧道先后开挖，先开挖左线，左线全部开挖完毕后开挖右线。
计算中通过激活、钝化不同部位的单元网格来模拟施工过程中的土体开挖、支护和衬砌注浆。采用4.8m作为一个大步长简化计算（隧道管片宽度1.2m），盾构开挖施工分步示意见图4，每个步长代表的施工意义如表2。
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3 计算结果分析
3.1 土层竖向和水平位移分析
模型竖直方向的位移云图如图5。可以看出，施工结束后，城墙底部隧道上部附近的土体下沉，护城河附近隧道上部的土体隆起，城墙下方隧道下部附近的土体隆起，护城河下方隧道下部的土体隆起。拱顶最大沉降-5.5mm（双线开挖结束时的城墙下拱顶），拱顶最大隆起5.2mm（双线开挖结束时的护城河底拱顶），隧底最大隆起11.7 mm（发生于左线开挖至城墙时的城墙下隧底），均小于规范标准控制值30mm。
对比模型各点竖直位移，发现城墙和护城河附近的土体的竖直位移明显比其他部位的大，可见城墙和护城河附近土体位移的控制对盾构隧道施工的安全性起着至关重要的作用。
模型水平方向位移云图如图6（图中垂直城墙及护城河向右的方向为正向）。可见施工结束后，城墙与护城河之间的土体水平位移基本都朝向护城河（背离城墙），最大位移12.2mm，出现在护城河底隧道拱顶，发生于右线开挖至护城河底时。
3.2 城墙位移和变形分析
由于工程的特殊性，城墙的稳定性是隧道施工安全的一大指标。对于城墙的沉降和水平位移，除靠近隧道处，城墙各部位的位移数值较小，分布基本较为均匀，说明隧道开挖对附近城墙部位有较明显影响，但对城墙整体影响不大。
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通过对城墙的各方向应力和有效塑性应变图的分析，可以看出，在城墙侧面和底面范围内存在塑性应变，拉应变最大为0.003，最大应力为y方向上421kPa压应力，城墙上部近侧表面处土体x方向出现很小的拉应力6.8kPa，但考虑到本模型未包含城墙表面包砌的青砖，青砖能对城墙靠近表面的土体起到很好的保护作用，故仍可判定城墙稳定性良好。
3.3 掘进参数优化分析
考虑到掘进压力和千斤顶力在施加后便在下一个施工阶段钝化，方向也与隧道轴线平行，对土体沉降（隆起）变形不大，故主要考虑了注浆压力对土体竖直方向上的位移的影响。在掘进的过程中，注浆压力不易过大，分别将注浆压力设置为300kPa、200kPa和150kPa，经过计算发现注浆压力的改变对竖直位移影响很小，300kPa下最大竖直位移为11.7mm，200kPa下最大竖直位移为10.94mm，150kPa下最大竖直位移为10.91mm，变化最大不超过3%。由此可见通过注浆压力的改变来减小地层变形的空间不大。
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4 结论
本文通过使用有限元软件Midas/GTS来研究隧道下穿古城墙和护城河、双线先后施工过程的土体力学行为，研究盾构法施工条件下隧道围岩变形情况。结果表明：
①施工结束后的最大竖向位移出现在城墙下方的隧道拱顶沉降和隧底隆起，最大水平位移发生在护城河底隧道拱顶，但均小于地铁隧道盾构法施工监控量测控制标准。②在掘进过程中古城墙塑性应变均处于正常范围，城墙小部分出现拉应力但数值很小，稳定性良好，需注意城墙上部表面为敏感部位，必要情况下需对其进行加固处理。③通过对比不同注浆压力下的竖向位移，发现注浆压力小于0.3MPa时对竖向位移的影响比较有限。
参考文献：
[1]张建安，刘发前.超大直径盾构施工对上覆隧道的影响分析[J].地下空间与工程学报，2016，12（04）：1008-1013.
[2]曹振，张宁，杨锋.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[J].城市轨道交通研究，2015，18（08）：119-124.
[3]杨韶林，谯恒.TM614PMX土压平衡盾构机施工技术措施——以国家级重点保护文物西安市玉祥门城墙地下施工为例[J].建筑，2010（15）：59-60.
[4]康佐，王军琪，邓国华，文保军.西安地铁一号线盾构隧道下穿朝阳门段城墙沉降数值模拟分析[J].隧道建设，2015，35（01）：9-15. |
