盾構(gòu)隧道穿越西安永寧門城墻段的施工加固措施

胡自全 姜雁飛 晁召波

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安; 2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,710043,西安∥第一作者，工程師)

?

盾構(gòu)隧道穿越西安永寧門城墻段的施工加固措施

胡自全1姜雁飛1晁召波2

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安; 2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,710043,西安∥第一作者，工程師)

根據(jù)西安城墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工程地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)和施工工藝情況,確定了西安地鐵二號(hào)線穿越西安城墻永寧門段施工加固方案及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示,地鐵施工對(duì)城墻永寧門區(qū)段的影響在預(yù)期的控制范圍內(nèi),施工加固措施及監(jiān)測(cè)方案可行,達(dá)到了保護(hù)文物的目的。

隧道; 盾構(gòu)法; 監(jiān)測(cè); 古城墻; 加固

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

西安城墻是明洪武三年(公元1370年)在隋、唐皇城遺址上開始擴(kuò)建,至明洪武十一年(公元1378年)完工,是我國(guó)規(guī)模宏大、保存最完整的一座古代城垣建筑之一。西安地鐵2號(hào)線工程,北起西安鐵路北客站,南至韋曲南,正線全長(zhǎng)26.456 km,共設(shè)21座車站。地鐵2號(hào)線穿越西安城墻永寧門區(qū)段,由永寧門車站開始向鐘樓站掘進(jìn),隧道左右線分別從永寧門甕城東西兩側(cè)的城門洞下繞行通過(guò)。繞行線路曲線半徑為350 m,軌頂標(biāo)高為384.7 m,軌頂埋深為地表下22.0～23.6 m,隧道頂埋深為17.4～18.5 m[1]。在盾構(gòu)法施工期間,對(duì)古城墻的保護(hù)及監(jiān)測(cè)工作是西安地鐵工程建設(shè)的主要課題之一。

1 西安城墻結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)情況

1.1 西安城墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

地鐵穿越城墻的永寧門區(qū)段地層主要是第四系人工筑填土、風(fēng)積黃土、殘積古土壤及沖積的粉質(zhì)黏土、粉土、砂土等。西安城墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“磚表土芯”結(jié)構(gòu)[1],其城墻結(jié)構(gòu)土體分層分析見表1。

西安城墻永寧門區(qū)段,目前在其土芯墻、外包磚砌體和海墁磚砌體上表層都產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂縫,構(gòu)成了不利于城墻安全的結(jié)構(gòu)面。

表1 西安城墻永寧門區(qū)段土體分層系統(tǒng)一覽表

西安城墻永寧門區(qū)段外部形態(tài)特征的幾何尺寸如下:城墻高約12 m,底部寬16～18 m,頂部寬12～14 m;永寧門門洞為拱券形,長(zhǎng)29 m;永寧門正上方砌置有一城樓,樓體高19.6 m。甕城東西長(zhǎng)70 m,南北寬50 m,甕城墻頂寬13.5 m,周長(zhǎng)395 m。甕城東西各設(shè)一偏門,均為拱券形門洞。甕城外側(cè)為月城,月城城墻為磚砌體結(jié)構(gòu),甕城正南方為閘樓;永寧門甕城外兩側(cè)分別有3個(gè)并行相鄰排列的城門,為現(xiàn)代交通之用,城門亦為拱券形。

1.2 地質(zhì)狀況

1.2.1 工程地質(zhì)

盾構(gòu)下穿護(hù)城河段的地質(zhì)情況依次為:3-1-1飽和軟黃土,影響深度為5～7 m;3-2古土壤,影響深度為3 m;4-1老黃土,影響深度為3～5 m;4-4粉質(zhì)黏土,影響深度為0～3 m[2]。

1.2.2 水文地質(zhì)

根據(jù)勘察結(jié)果,該場(chǎng)地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水,含水層主要為第四系弱透水的黏性土。受護(hù)城河的影響,該段地層內(nèi)水位埋深較淺,位于地表以下6.0～10.0 m,水位標(biāo)高在隧道頂部以上3～6 m。潛水補(bǔ)給主要來(lái)自側(cè)向徑流補(bǔ)給、大氣降水入滲及綠化灌溉水的入滲補(bǔ)給;地下水的總體流向與地形一致,由東南流向西北;潛水的排泄方式為人工開采、蒸發(fā)、向下游徑流等。地下水位變化主要受降水、蒸發(fā)、人工開采等因素影響。根據(jù)對(duì)護(hù)城河段長(zhǎng)期地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料分析:一般7～9月水位埋深最大,為枯水期;12月到次年的2月水位埋深最小,為豐水期。年水位變化量為2～3 m。

2 永寧門城墻加固措施及工程監(jiān)測(cè)方案

2.1 加固措施

2.1.1 地面加固措施

在盾構(gòu)通過(guò)城墻前在地表沿城墻四周對(duì)城墻基底下方預(yù)埋袖閥管注漿加固,袖閥管埋深應(yīng)在地下水位以下,以防止沉降。袖閥管埋深在地下水位以下,間距為0.6 m×0.6 m,呈梅花形布置,加固范圍為地面下3 m。在盾構(gòu)穿越前,根據(jù)盾構(gòu)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)情況及時(shí)注漿,注漿選用水泥、水玻璃雙液漿。雙液漿配合比采用:水泥漿水灰質(zhì)量比為0.8∶1～1∶1,水玻璃濃度為35～45波美度,水泥漿與水玻璃體積比為1∶3～1∶2,擬定注漿壓力為1.0～1.5 MPa。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,對(duì)路面及周圍建(構(gòu))筑物進(jìn)行巡邏、觀察。每4 h進(jìn)行一次地面沉降及城墻基礎(chǔ)沉降測(cè)量,根據(jù)地面沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制注漿量和注漿壓力,防止注漿壓力過(guò)大,造成隆起,對(duì)城墻基礎(chǔ)產(chǎn)生破壞。

2.1.2 城門洞加固措施

在城墻門洞內(nèi)側(cè)設(shè)置工字鋼臨時(shí)支撐,工字鋼采用27a型,縱向間距為1 000 mm,沿環(huán)向每隔1 m設(shè)一道16#槽鋼加強(qiáng)縱向聯(lián)結(jié),以增加拱架的整體穩(wěn)定性,如圖1所示。對(duì)城墻外表面采用外掛鋼板網(wǎng)墻護(hù)壁保護(hù),要求盡量密貼,并實(shí)時(shí)觀測(cè),如發(fā)現(xiàn)有磚塊脫落趨勢(shì)時(shí)對(duì)城墻局部注入黏結(jié)膠。

圖1 盾構(gòu)穿越永寧門區(qū)段時(shí)城門洞鋼結(jié)構(gòu)加固實(shí)況

2.1.3 盾構(gòu)隧道內(nèi)加固輔助措施

本工程兩條隧道均采用日本小松PMX614土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工,預(yù)制混凝土管片外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m,每環(huán)為1.5 m。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,做好同步注漿和二次注漿工作,對(duì)穩(wěn)定管片、減少建筑物及地面沉降起到非常重要的作用。

為有效控制施工沉降,保護(hù)古城墻,在盾構(gòu)穿越期間從隧道內(nèi)對(duì)土體進(jìn)行注漿加固,即在盾尾后5環(huán)位置采用鋼花管注漿，如圖2所示。施工工藝如下:①在盾構(gòu)穿越永寧門城墻段采取注漿加固措施;②將管片吊裝孔鑿開,打入長(zhǎng)為3.5 m、φ42的鋼花管,并及時(shí)用球閥封住注漿管,防止漏漿;③連接球閥與注漿泵,準(zhǔn)備進(jìn)行注漿工作;④每孔注入1.5 m3左右,注漿壓力為0.2～0.3 MPa;⑤采用一臺(tái)ZBY-80/70液壓注漿泵進(jìn)行注漿;⑥漿液采用超細(xì)水泥、水玻璃雙液漿。

圖2 隧道內(nèi)注漿加固示意圖

2.2 工程監(jiān)測(cè)方案

在西安地鐵二號(hào)線永寧門站至鐘樓站盾構(gòu)機(jī)從永寧門站始發(fā)前,收集了與城墻永寧門監(jiān)測(cè)有關(guān)的地質(zhì)、水文、地理環(huán)境、工程設(shè)計(jì)方案、施工組織設(shè)計(jì)等相關(guān)資料[1-4],在文獻(xiàn)[4-7]的基礎(chǔ)上確定了以下監(jiān)測(cè)內(nèi)容:①永寧門主體基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)為1～43。盾構(gòu)隧道正上方城墻頂部沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)為92～109。監(jiān)測(cè)范圍為永寧門中線東西兩側(cè)各150 m以內(nèi),如圖3所示。②監(jiān)測(cè)地下水位變化,范圍為永寧門城墻主體周邊區(qū)域,如圖3所示。③對(duì)永寧門磚土結(jié)構(gòu)上現(xiàn)有的主要裂縫進(jìn)行測(cè)量、巡視觀察,主要為地鐵線路兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)長(zhǎng)度大于6 m但未貫通、裂縫寬度一般10～20 mm及長(zhǎng)度貫通墻體、裂縫寬度一般超過(guò)20 mm的裂縫。④對(duì)城墻永寧門處于地鐵線路兩側(cè)各20 m范圍,破損現(xiàn)狀嚴(yán)重區(qū)內(nèi)存在鼓脹的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)合沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)分析變形情況。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求,西安城墻永寧門區(qū)段地鐵盾構(gòu)施工期間,盾構(gòu)施工對(duì)城墻基礎(chǔ)及地面沉降影響允許值為:上升量小于5 mm,下沉量小于15 mm;預(yù)警值取限值的70%,即沉降變化上升量大于4 mm,下沉量大于10 mm[3-4]。

圖3 盾構(gòu)穿越永寧門段沉降及水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 盾構(gòu)穿越永寧門段的影響分析

3.1 地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)水文地質(zhì)資料,護(hù)城河水體是西安城墻附近地下水的重要補(bǔ)給源。為消除護(hù)城河水在地鐵穿越城墻時(shí)對(duì)地鐵主體施工的影響,施工方對(duì)護(hù)城河進(jìn)行了截流。盾構(gòu)施工期間,對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地下水位變化情況如圖4所示。

圖4 地下水位變化曲線

在盾構(gòu)施工期間護(hù)城河被截流,護(hù)城河河水補(bǔ)給地下水的渠道被切斷是導(dǎo)致地下水位下降的主要原因,其次是受盾構(gòu)施工的影響。當(dāng)護(hù)城河截流段放流后地下水位恢復(fù)到常年正常水平。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，盾構(gòu)穿越永寧門施工期間最低水位比勘察時(shí)的低水位低0.85 m。地下水位在護(hù)城河截流期間總體呈下降趨勢(shì),水位監(jiān)測(cè)井NS1最大波動(dòng)為2.04 m,水位監(jiān)測(cè)井NS2最大波動(dòng)為1.63 m,而永寧門段一年中水位變化在2～3 m。因此,護(hù)城河截流及盾構(gòu)施工引起永寧門城墻下地下水位波動(dòng)很小,對(duì)永寧門城墻造成的變形影響甚微。

3.2 永寧門沉降分析

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，將永寧門沉降分為盾構(gòu)穿越處沉降、城墻底部沉降，分析盾構(gòu)施工期間沉降變化規(guī)律,來(lái)判斷盾構(gòu)穿越施工對(duì)永寧門城墻的影響。

3.2.1 盾構(gòu)穿越處沉降分析

地鐵二號(hào)線穿越永寧門城墻東西兩側(cè)門洞,門洞處結(jié)構(gòu)較為薄弱。在施工前,施工方在門洞內(nèi)側(cè)加固了鋼板支撐,在東西門洞正上方的海墁上各設(shè)置了1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；每個(gè)斷面布設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),以監(jiān)測(cè)地鐵穿越時(shí)該處的變形情況。盾構(gòu)左線和右線穿越城墻施工期間隧道上方城墻平均沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖5和圖6所示。斷面1和斷面2的最終沉降曲線如圖7和圖8所示。

圖5 盾構(gòu)左線穿越城墻沉降曲線

圖6 盾構(gòu)右線穿越城墻沉降曲線

由圖5和圖6可知,東、西門洞上方海墁在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間沉降量及沉降量變化值較小,體現(xiàn)在圖中曲線較平緩,說(shuō)明盾構(gòu)施工對(duì)該處的影響較小。

圖7 斷面1監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量

盾構(gòu)穿越永寧門2個(gè)月后沉降值趨于穩(wěn)定,由圖7和圖8可知,受鋼拱架支撐的城門洞的最大值約為8 mm,在預(yù)期的沉降控制范圍之內(nèi)。

3.2.2 斷面沉降量與地鐵中心線距離的關(guān)系分析

根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與地鐵中心線距離的位置關(guān)系并結(jié)合永寧門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～24、25～43視為2個(gè)斷面,監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨其距離隧道中心線距離的變化曲線,如圖9和圖10所示。

圖8 斷面2監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量

圖9 永寧門城門內(nèi)墻沉降曲線(1～24號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))

圖10 永寧門城門外墻沉降曲線(25～43號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))

盾構(gòu)穿越施工期間,由施工期間注漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,同步注漿量平均每環(huán)約為4.4 m3,二次注漿量平均為0.7 m3,鋼花管地層注漿加固環(huán)注漿量為1.07～1.32 m3(平均量為1.21 m3)，注漿壓力為0.21～0.26 MPa。地面袖閥管注漿量根據(jù)盾構(gòu)穿越時(shí)地表的沉降速率而定。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總沉降量超過(guò)4 mm,且當(dāng)日沉降量超過(guò)1 mm時(shí),即開始二次注漿。注漿時(shí)控制注漿量和注漿壓力,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),防止因注漿壓力過(guò)大、超量注漿引起地面隆起。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和注漿加固有效地控制了城墻及地面沉降。

由圖9和圖10可知,隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地鐵中心線距離的增大,沉降量逐漸減小,說(shuō)明盾構(gòu)施工對(duì)永寧門城墻的影響隨著距離的增大在逐步減弱。經(jīng)圖9、圖10和圖7、圖8的對(duì)比可知,城門洞正方的沉降趨勢(shì)、沉降量和沉降值大小的分布范圍基本一致。因此,地鐵施工對(duì)永寧門城墻的影響在可控范圍內(nèi),施工方采取的措施可行,達(dá)到了保護(hù)文物的目的。

3.3 墻體裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

永寧門監(jiān)測(cè)了NN1/C、NN2/D、NN3/D、NN14/C、NN17/C、NN19/D、NWW1/D、NWW8/D、NWW9/C、NWN13/D共10條裂縫。在盾構(gòu)機(jī)從永寧門站始發(fā)、穿越永寧門城墻及駛離永寧門50 m范圍之外時(shí),分別在2008-08-28、2009-01-22和2009-05-22對(duì)上述裂縫進(jìn)行了3次監(jiān)測(cè),均量取了裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離,拍攝了照片,如圖11和圖12所示。由量取結(jié)果求出裂縫寬度的變化值,變化值結(jié)果均較小,如表2所示。說(shuō)明2號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)城墻永寧門主體穩(wěn)定性的影響很小。

表2 墻體裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總表

圖11 NWW8/D裂縫量測(cè)圖

圖12 NWW8/D裂縫全貌圖

3.4 水平位移

2008-09-20～2009-05-21共監(jiān)測(cè)13次水平位移。對(duì)每次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值,最小平均位移量為-1.73 mm,最大平均位移量為0.66 mm(-表示向城墻外側(cè)偏移,+表示向城墻內(nèi)側(cè)偏移)。說(shuō)明2號(hào)線盾構(gòu)施工對(duì)永寧門城墻主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響很小。

4 結(jié)語(yǔ)

為了有效地保護(hù)古城墻,西安地鐵2號(hào)線下穿永寧門城墻段采取了對(duì)地面加固、城墻門洞加固、盾構(gòu)隧道內(nèi)加固等措施；并對(duì)護(hù)城河進(jìn)行截流,以消除護(hù)城河水補(bǔ)給地下水對(duì)盾構(gòu)施工的影響。盾構(gòu)施工期間，在施工影響范圍內(nèi)地下水的波動(dòng)值<2.04 m,并在年水位變化范圍之內(nèi)。城墻及地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,累計(jì)沉降量較大的點(diǎn)均在線路通過(guò)的上部附近,沉降量主要產(chǎn)生在隧道穿越地下時(shí)段,施工期間地面上升小于2.5 mm、地面下沉不大于8 mm,均在控制范圍之內(nèi)。盾構(gòu)隧道施工期間,永寧門城墻的裂縫寬度、水平位移量有一定的變化,但絕對(duì)值較小,均在可控范圍之內(nèi)。地鐵施工對(duì)永寧門城墻的影響在預(yù)期的可控范圍內(nèi),施工加固措施可行,達(dá)到了保護(hù)文物的目的。

[1] 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.西安城墻南門、北門地鐵二號(hào)線穿越區(qū)段安全評(píng)估及西安地鐵二號(hào)線施工沉降與運(yùn)行振動(dòng)對(duì)西安城墻影響研究成果報(bào)告[R].西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,2009.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.西安市城市快速軌道交通二號(hào)線一期工程詳細(xì)勘察階段北大街—鐘樓區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告[R].西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,2006.

[3] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.西安市城市軌道交通二號(hào)線通過(guò)鐘樓及城墻文化保護(hù)方案[R].西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,2008.

[4] 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院.西安市城市快速軌道交通二號(hào)線施工期間城墻永寧門監(jiān)測(cè)技術(shù)報(bào)告[R].西安:西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,2009.

[5] 胡新朋,孫謀,王俊蘭.盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物施工應(yīng)對(duì)技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(6):60-65.

[6] 尹旅超,朱振宏,李玉珍，等.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1999.

[7] 任建喜,張引,馮超.地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的古城墻變形規(guī)律及其控制技術(shù)[J].巖土力學(xué),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)