地鐵盾構(gòu)施工對(duì)挹江門城墻安全性的影響分析

范沈龍

(南京東南建設(shè)工程安全鑒定有限公司 210008)

1 工程概況

南京挹江門城墻為國(guó)家級(jí)文物保護(hù)單位，南京地鐵5 號(hào)線鹽倉(cāng)橋至下關(guān)區(qū)間將采用盾構(gòu)施工方式下穿通過(guò)挹江門城墻。該區(qū)間隧道管片外徑6.2m，隧道埋深18.6m；隧道穿越軟硬不均的地質(zhì)，從東向西主要穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)巖石層，見(jiàn)圖1。城墻下部土體及巖石主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

本文就地鐵盾構(gòu)施工對(duì)挹江門城墻安全性影響進(jìn)行評(píng)估分析。

2 挹江門城墻現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

挹江門城墻由下部城墻及上部門樓組成。下部城墻材質(zhì)為磚砌體結(jié)構(gòu)，完整性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均較好。城墻高約10m，寬約17m，城門為三孔拱門。其耳房建筑為三層砌體結(jié)構(gòu)，為縱橫墻承重體系，墻體為城墻磚和石灰砂漿砌筑，墻體厚度上薄下厚，呈收分狀。二層樓面和屋面為混凝土樓面，三層樓面為木擱柵樓面。挹江門門樓為二層磚木結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約36.8m，寬約10.1m，第一層層高4.41m，第二層層高3.72m，為縱橫墻承重體系，墻體為青磚和石灰砂漿砌筑，內(nèi)外墻墻體厚度均為240mm，樓面為木擱柵樓面，屋面為木屋架承重。

圖1 城墻與隧道關(guān)系圖Fig.1 Relative positoin of city wall and tunnel

表1 土體主要物理性能指標(biāo)Tab.1 Main physical performance indicators of soil

表2 巖石主要物理性能指標(biāo)Tab.2 Main physical performance indicators of rock

2.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢查

目前城墻整體性較好，未發(fā)現(xiàn)由于地基不均勻沉降所致的變形及裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，挹江門城墻磚強(qiáng)度約為 10.0MPa，砂漿強(qiáng)度約為0.5MPa～1.5MPa，木材含水率約為 10.3%～13%，城墻目前不存在整體傾斜情況。

2.3 結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

本文采用通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件SAP2000，對(duì)城墻結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行復(fù)核分析(計(jì)算模型見(jiàn)圖2)。經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算，下部城墻墻體在最不利荷載組合(1.2 恒 +0.6 活 +1.3 地震 +0.28 風(fēng))[1]下大部分城墻處于受壓狀態(tài)，下部城墻砌體結(jié)構(gòu)及上部門樓磚木結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。

圖2 SAP2000 計(jì)算模型Fig.2 SAP2000 computational model

3 盾構(gòu)施工影響分析

應(yīng)用盾構(gòu)法建造隧道，不可避免地產(chǎn)生對(duì)土體的擾動(dòng)，并引起洞室周圍地表發(fā)生移動(dòng)和變形[2]。用盾構(gòu)法修建隧道引起地表移動(dòng)和變形的主要原因是施工過(guò)程中的地層損失、地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變、受擾動(dòng)土體的固結(jié)及土體的蠕動(dòng)效應(yīng)、襯砌結(jié)構(gòu)的變形等。針對(duì)隧道施工所引起的地表沉降的計(jì)算主要有理論經(jīng)驗(yàn)法及數(shù)值模擬法兩大類。本文主要基于相關(guān)規(guī)范中的Peck 曲線法以及數(shù)值模擬計(jì)算法對(duì)盾構(gòu)施工的影響范圍及地面沉陷量進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 規(guī)范估算沉降量

盾構(gòu)施工對(duì)該段城墻產(chǎn)生的沉降量主要依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)[3]條文說(shuō)明第3.2.3 條相關(guān)公式進(jìn)行估算。

1.盾構(gòu)施工影響范圍及最大沉降值計(jì)算

下關(guān)-鹽倉(cāng)橋區(qū)間盾構(gòu)隧道工程盾構(gòu)直徑約為6.2m，雙線隧道間距約為13.0m；盾構(gòu)中心埋深z約18.6m，地鐵隧道穿越的中風(fēng)化巖石的內(nèi)摩擦角φ為48.7°。地層損失率的取值與地質(zhì)條件和施工條件密切相關(guān)，本文考慮掘進(jìn)參數(shù)、跟進(jìn)注漿等施工措施取地層損失率Vi為0.3%進(jìn)行計(jì)算。

Peck 法是由大量工程經(jīng)驗(yàn)的實(shí)測(cè)資料得出的計(jì)算方法，地表沉降計(jì)算值主要與隧道埋深與隧道半徑有關(guān)。由于地鐵隧道穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)巖層，根據(jù)地基沉降槽寬度系數(shù)公式來(lái)估算沉降槽寬度系數(shù)i，見(jiàn)式(1)。隧道單位長(zhǎng)度地層損失量V見(jiàn)式(2)，隧道軸線上方地面最大沉降量Smax見(jiàn)式(3)，距離隧道中心軸線為x處的地面沉降量S(x)見(jiàn)式(4)。由于雙線隧道間距為13.0m，兩沉降曲線將形成疊加，則距離雙線隧道中心線處的沉降量見(jiàn)式(5)。

雙線隧道沉降按照單線隧道沉降進(jìn)行疊加，建立以雙線隧道中心為沉降軸的沉降曲線(圖3)。通過(guò)計(jì)算得出：?jiǎn)尉€隧道軸線上方最大沉降量為1.83mm，位于單線隧道上方地表；雙線隧道最大沉降量為3.47mm，位于雙線隧道中線上方地表。雙線隧道橫向主要影響區(qū)范圍為-30.0m～30.0m之間，次要影響區(qū)范圍為-50.0m～-30.0m 之間與30.0m～50.0m 之間(橫坐標(biāo)原點(diǎn)為雙線隧道中心位置)。

圖3 雙線隧道沉降曲線Fig.3 Settlement curve of double-track tunnel

2.最大局部?jī)A斜值計(jì)算

取雙線隧道中心線沉降曲線按8m 間距對(duì)其局部?jī)A斜值進(jìn)行計(jì)算。以距離中心線30m 位置開(kāi)始計(jì)算，計(jì)算步長(zhǎng)0.5m，通過(guò)對(duì)沉降曲線的求導(dǎo)與大量試算，得出在距離中心線6.0m、14.0m處最大局部?jī)A斜值為0.00007。

3.2 數(shù)值模擬估算沉降量

根據(jù)區(qū)間隧道與挹江門城墻的位置關(guān)系，采用PLAXIS 3D 建立三維模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。巖土體采用彈性摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，地質(zhì)基本參數(shù)取值見(jiàn)表3。通過(guò)計(jì)算，可以得出城墻的局部最大沉降量為1.59mm，最小沉降量為0.80mm，未見(jiàn)地面出現(xiàn)明顯隆起量(圖4)。

表3 地質(zhì)基本參數(shù)取值Tab.3 The value of basic geological parameters

圖4 PLAXIS 3D 城墻豎向位移計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of vertical displacement of wall

3.3 規(guī)范及數(shù)值模擬計(jì)算沉降量差異分析

從上文可知，規(guī)范估算的城墻地面最大沉降量較數(shù)值模擬結(jié)果稍大，但基本在同一數(shù)量級(jí)別，能夠相互驗(yàn)證。兩種計(jì)算方法在數(shù)值上出現(xiàn)一定程度的差異主要與兩種計(jì)算方法的以下特征有關(guān)：

(1)規(guī)范估算法是根據(jù)近年來(lái)隧道工程的相關(guān)研究結(jié)論，結(jié)合城市軌道交通隧道工程的特點(diǎn)提出。Peck 計(jì)算公式，力學(xué)概念清晰，但沉降槽寬度系數(shù)、沉降槽面積以及地層損失率需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。

(2)數(shù)值模擬計(jì)算法能夠綜合考慮城墻及下部土體共同變形建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，能應(yīng)用于多種復(fù)雜隧道工程。由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計(jì)算過(guò)程中，需要考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，但同時(shí)會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。

綜上，兩種計(jì)算方法各有利弊，需要結(jié)合工程特點(diǎn)選取合適的計(jì)算方法，必要時(shí)可以通過(guò)兩種方法的相互驗(yàn)證，以保證計(jì)算結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性。若土層分布均勻，盾構(gòu)管線水平和豎向坡度較小時(shí)可以采用規(guī)范估算法；若土層分布不均勻，盾構(gòu)管線線形復(fù)雜且需要考慮上部結(jié)構(gòu)與下部土體共同作用、地面荷載等多種因素耦合作用時(shí)，優(yōu)先使用數(shù)值模擬計(jì)算法。

3.4 地面沉降量對(duì)文物產(chǎn)生附加內(nèi)力分析

1.規(guī)范估算沉降量對(duì)文物產(chǎn)生附加內(nèi)力

按照規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式估算的南京挹江門城墻各點(diǎn)沉降量見(jiàn)圖5。利用ABAQUS[4]軟件對(duì)挹江門城墻在規(guī)范估算地面沉降下受到的影響進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果顯示，在城墻北側(cè)耳房的墻角處，最大拉應(yīng)力達(dá)到了0.6MPa(圖6a)。

圖5 規(guī)范估算沉降量(單位：mm)Fig.5 Estimation of settlement by code(unit：mm)

2.數(shù)值模擬沉降量對(duì)文物產(chǎn)生附加內(nèi)力

數(shù)值模擬得出的城墻最大沉降量為1.586mm，最小沉降量為0.80mm。運(yùn)用ABAQUS 進(jìn)行計(jì)算分析，該沉降量作用下，城墻內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6b。計(jì)算結(jié)果顯示，地面沉降引起文物墻體內(nèi)部的應(yīng)力水平很低，最大拉應(yīng)力值不超過(guò)0.05MPa。

圖6 城墻應(yīng)力云圖Fig.6 Stress of wall caused by estimated settlement

3.5 盾構(gòu)施工影響評(píng)價(jià)

1.沉降量與局部?jī)A斜規(guī)范控制值

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)關(guān)于盾構(gòu)法隧道地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值的規(guī)定：工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)(最嚴(yán)格)的中軟～軟弱土地區(qū)，地表沉降控制值為15mm～25mm，地表隆起控制值為10mm。依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[5]第5.3.4條中關(guān)于建筑物地基變形允許值的規(guī)定：地基土為高壓縮性土?xí)r，砌體承重基礎(chǔ)的局部?jī)A斜允許值為0.003。

2.盾構(gòu)施工影響評(píng)價(jià)

根據(jù)前文計(jì)算可知，挹江門城墻最大的沉降量及局部?jī)A斜值遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。但是，在地面沉降量作用下，城墻局部位置(城墻底部及拱券)會(huì)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，該處城墻可能會(huì)有輕微開(kāi)裂現(xiàn)象。該部分城墻局部開(kāi)裂后，該城墻水平斷面將出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，鑒于城墻中產(chǎn)生的拉應(yīng)力數(shù)值較小，不會(huì)引起嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象，尚不影響城墻整體結(jié)構(gòu)安全性，但對(duì)城墻結(jié)構(gòu)耐久性有不利影響。

4 結(jié)論

1.通過(guò)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模擬計(jì)算，地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)施工會(huì)引起挹江門城墻產(chǎn)生不均勻沉降，但沉降量及局部?jī)A斜值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2.在地面沉降量作用下，城墻局部位置(城墻底部及拱券)會(huì)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，該處城墻可能會(huì)有輕微開(kāi)裂現(xiàn)象，尚不影響城墻結(jié)構(gòu)安全性，但對(duì)城墻耐久性有不利影響(可在施工完畢后，采取耐久性維護(hù)措施)。

3.規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法及數(shù)值模擬計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果有所差異，但數(shù)量級(jí)基本一致，能夠相互驗(yàn)證；兩種計(jì)算方法各有特點(diǎn)，需要結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行選取，必要時(shí)可以對(duì)計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證。