地铁三管隧道下穿唐城墙沉降分析及控制

地铁三管隧道下穿唐城墙沉降分析及控制
摘要唐长安城墙遗址属国家重点文物保护单位，城墙本身具有极高的历史、艺术及文化价值。

西安地铁六、八号线在科技八路北侧分别以大断面矿山法隧道及盾构隧道下穿唐南城墙遗址，以此为背景，利用数值模拟软件，对下穿过程进行全程三维数值模拟分析，结果表明，通过预加固改良砂层力学参数后可以有效控制隧道施工引起的地层沉降；并据此提出相应盾构掘进参数控制、信息化施工相关措施，从而确保下穿对唐城墙的影响降到最低，本结论可为类似工程提供参考与借鉴。

关键词矿山法隧道盾构隧道文物保护预加固
1 前言
西安市为十三朝古都，古代多个都城建造于此，文物、古迹极多，其中唐西安城城墙为国家级重点保护文物；根据西安市线网规划，西安地铁6、8号线需在科技八路附近下穿南城墙遗址。

文物保护等级较高，对沉降要求严格；同时有三条浅埋隧道先后下穿，城墙受到叠加作用的相互干扰和影响大；西安地铁类似项目先例较少。

因此在下穿过程中保证隧道安全施工的同时还需要控制因此引起的城墙沉降。

本文以上述工程为背景，结合数值模拟分析提出相关施工措施建议，可为类似工程提供参考。

2 工程概况
西安地铁6号线科技八路站位于唐延路与科技八路路口，为6号线和规划8号线（环线）换乘车站，受周边陕西省体育训练中心等几栋房屋控制，最终确定车站为地下2层，采用双岛四线实现6、8号线的平行换乘；其中六号线双线位于中间，线间距5m，采用单洞双线矿山法断面，八号线位于两边，断面采用6m 标准断面盾构隧道，六、八号线线间距15.1m。

唐西安城南城墙位于科技八路北侧，横穿唐延路，城墙距离车站端头约30m，区间隧道从车站引出后埋深调整余地较小：下穿段矿山法隧道拱顶距离城墙底净距6.4m、盾构法隧道拱顶距离墙底净距9.1m、矿山法隧道二衬距离盾构隧道管片最小净距8.4m，三条隧道均属于典型的浅埋隧道。

为确保隧道下穿过程中唐城墙的安全，暂时采用上超前预加固技术对隧道开挖轮廓线周围约3m范围内的上半断面进行超前加固，加固完成后再分别进行矿山隧道和盾构隧道的施工。

区间隧道与唐城墙的位置关系如图1所示。

图1隧道与唐城墙遗址关系图
目前文保部门尚未提出唐城墙的具体沉降要求，故参照隧道下穿重要管线/建构筑物时的沉降标准15mm，初步拟定工后沉降限值为10mm。

3 工程及水文地质条件
场址周边地貌属于二级洪积台地，地形整体平坦开阔。

地质勘查资料揭露，场地地层由人工填土，第四系全新世冲洪积黄土状土、冲击粉土、粉质粘土及砂土、晚更新世冲击粉质粘土及砂土组成；场地地层自上而下依次为：黄土状土、古土壤、粉质粘土、粉细砂、中砂，各岩土层工程地质性质一般。

场地地下水属于第四系松散层空隙潜水，主要复存于粉质粘土层中，主要靠区域外径流和大气降水入渗补给，地下水年变化幅度>2.0m。

4 数值模拟计算
4.1 模型建立及参数选取
本模型采用三维有限差分软件进行模拟，为简化计算，主要假定如下：
1）考虑本文研究重点为唐城墙的沉降，因此矿山法施工时（工法为CRD法）不考虑施工步序，按照全断面一次性开挖考虑，其开挖后土层卸荷效应及支护时机根据经验通过荷载步进行模拟；
2）隧道基本位于砂层，超前加固后，可以极大改良和强化该区域岩土特性，本文通过改变加固区域土层力学参数来模拟土层加固效果；同时唐城墙顶部上方0.7m即为地面，真实情况下应考虑上方车辆荷载的动力效应，但考虑到城墙在长期动荷载作用下沉降已趋于稳定，故本次模拟中也不再考虑车辆动荷载。

3）本模型采用了两种本构模型：盾构隧道管片、矿山法隧道初期支护及二次衬砌采用各向同性弹性材料模型；土层、唐南城墙及加固区土层均采用摩尔-库仑材料模型。

计算模型沿线路方向取60m，深度取50m，宽度取80m；盾构隧道直径取
6.0m，厚度取0.3m；矿山法隧道宽度12.3m、高度10.2m，初支及二衬厚度分别为0.35m、0.50m；计算模型如图2所示。

结合本工程的特点，对三管隧道主要施工工序进行全程模拟，同时考虑后期施工结构对先施工完成的隧道的影响。

计算工况选取情况如表1所示，地层加固前围岩参数如表2所示，地层加固主要改良了拱顶以上中砂的力学性质，利用等代层的概念，改良后的砂层力学参数可强化为原参数的3倍，如表3所示。

图2计算模型示意图
表1 主要支护材料力学参数表
表2 地层加固前围岩物理力学参数
表3 地层加固后围岩物理力学参数
4.2 施工过程模拟
施工过程主要分为以下3个阶段：
1）隧道上半断面加固模拟：采用等带层概念，土体强度在旋喷桩施工过程降低至原强度的1/3，施工结束后强度提高至原强度的3倍。

旋喷桩加固区高度
取4.5m，加固宽度取23.3m，加固范围如图3所示。

图3 下穿城墙段超前注浆加固范围图
2）矿山施工阶段模拟：掘进步序1m，洞周及掌子面均采用壳单元模拟初期支护及掌子面封闭，下一进尺时再移除壳单元。

3）盾构掘进阶段模拟：盾构机长度取9m，掘进步序取管片宽度1.5m；采用shell单元模拟盾构机对土体的支撑作用；给掌子面施加面压力模拟盾构掌子面泥水压力。

为模拟盾构掘进同步注浆的过程，模拟过程给同步注浆层赋予两种属性，硬化前注浆材料及硬化后注浆材料。

盾构掘进及同步注浆材料硬化过程模拟示意如图4所示。

图4 盾构掘进及同步注浆过程模拟示意图
盾壳、管片、注浆层均采用弹性材料模拟，计算参数取值见表4所示盾构机壳采用HPB235钢的相关参数，及弹性模量206GPa，泊松比0.3；根据经验，注浆层弹模150MPa，泊松比0.25；管片参数详表1。

4.3 模拟计算结果
1）六号线矿山法施工下穿后,加固及不加固情况下唐城墙沉降云图如图5～6所示，加固前矿山法施工完成后最大沉降为9.61mm，加固后最大沉降为5.39mm 最大沉降位置位于矿山隧道拱顶附近。

图5 加固前矿山施工城墙沉降云图
图6 加固后矿山施工城墙沉降云图
2）八号线盾构隧道下穿后，两种工况下唐城墙沉降云图如图7～8所示。

加固前矿山法施工完成后最大沉降为27.5mm，加固后最大沉降为8.57mm，最大沉降位置位于右线盾构隧道拱顶附近。

图7 加固前盾构施工城墙沉降云图
图8 加固后盾构施工城墙沉降云图
1）根据模拟分析，加固前后不同工法施工引起的城墙沉降对比如图9所示。

不加固情况下城墙沉降槽宽度约50m，最大沉降值为27.5mm，远远超过文物保护沉降限值，证明不经加固直接下穿的方案不可行；进行超前加固后，城墙沉降槽宽度减为约20m，最大沉降值降低至8.6mm左右，加固效果明显。

图9 加固前后城墙沉降对比折线图
5 施工措施建议
（1）下穿期间进行地面限速限重
本次计算未考虑地面动荷载的作用，但是显然在动荷载和开挖双重因素的交替作用下，城墙必然会加剧沉降，因此，建议施工方在下穿段（掌子面距离城墙水平距离小于30m时）应控制地面重车的通行，待施工结束并且矿山法二衬修筑完成后再行解除地面管制,以确保高铁运营安全万无一失。

（2）加强盾构参数控制
盾构掘进施工引起地表沉降的主要原因为地层损失及后续固结沉降。

在盾构掘进掌子面压力接近原始地内应力时，引起地表沉降最小；掌子面压力小于或大于原始地内应力时，会引起掌子面前方地表沉陷或隆起，对控制过程及最终沉降均不利。

建议施工期间采取如下措施：
①根据地面变形监测情况进行反馈，通过设定掘进速度来调整排土量，以保持盾构开挖面的稳定与平衡。

②加强盾尾同步注浆与管片背后二次注浆，二次（或多次）注浆可弥补同步注浆的不足，是减小地表沉降的有效辅助手段，重点对拱部120度范围进行施作。

③加强盾构姿态控制，曲线上掘进时，需放慢掘进速度、小幅纠偏、减少超挖并加大注浆量。

④建立地面、地层内及盾构机内全方位监测系统，通过提高信息化施工水平，做到精细化施工，并制定各种可能情况下的应急预案，以确保安全。

（3）自动化实时监测，提高信息化水平
由于文物与地面连为一体，对沉降变化及地层扰动较为敏感，因此对矿山法施工及盾构掘进全过程进行自动化实时监测是非常必要的。

施工盾构隧道时，可采用测量机器人、高精度静力水准仪等设备对矿山隧道不同位置的监测点进行全方位自动化实时监测。

，以便及时调整施工参数，提高信息化施工水平及精度。

（5）做好各项施工应急预案
本工程施工难点多，施工要求严，因此施工前应做好各种最不利情况下的应急预案，准备充分的应急设备及材料，同时应加强与文保部门、设计单位、地铁公司、市政管理部门的沟通与联系，若监测出现沉降过大的问题，应及时上报、研究、解决。

6 结语
本工程隧道埋深浅，不加固情况下直接采用浅埋盾构穿越，高铁无砟轨道道床板沉降值不能满足文物的沉降限值。

结合计算分析，提前对隧道上半断面一定范围内土体进行预加固是非常必要的，效果也非常明显。

通过模拟分析并结合本工程的特点可以得出如下几点结论，可为类似工程提供借鉴与参考。

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作者简介：王科甫，1987年生，男，助理工程师，硕士，2012年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，主要从事隧道及地下工程设计与研究。