隧道施工过古城墙的地表变形及控制措施

摘 要 西安地铁二号线区间隧道施工对城墙等国家级文物的影响是隧道安全施工中需要解决的关键问题之一。 文章针对该地铁工程介绍了上行线隧道盾构下穿护城河及城墙时的地表变形控制措施和施工变形监测方案，并对监测结果进行分析。 分析结果表明，隧道盾构施工中，造成地表沉降是多种因素共同作用的结果；盾构施工过程中，注浆必须同步、足量且补浆及时；随着盾构的推进，需要不断调整土压力以适应地层的变化。 隧道已经安全通过城墙，表明所采用的地表沉降控制措施和监测方案是合理可行的。

关键词 地铁区间隧道 城墙 盾构 地表沉降

      盾构隧道施工技术可在不影响城市正常功能的前提下快速完成隧道建设， 已成为城市地铁隧道及越江隧道施工的主要方法^[1~2]。 尽管盾构法隧道施工技术已发展得很成熟， 但不可避免地仍要产生对土体的扰动，引发不同程度的地层位移和变形。如何最大限度地减少地表沉降是盾构施工的核心问题^[3~9]。西安地铁二号线盾构隧道是在西安地区特有的土质情况下首次采用盾构法进行施工， 隧道穿过的城墙是保存最完整的中国古代城垣建筑，属国家级文物保护单位。在盾构通过时必须保证万无一失，不能对其造成任何损害。因此，对控制地面沉降措施和施工监测方案的研究和制定十分重要。

 

      西安地铁二号线南门到钟楼区间（上行线）隧道采用盾构法施工，施工中需穿越护城河与城墙 （图1）。 西安护城河深度约 12 m，河岸采用浆砌片石护坡，河床底宽度约22 m，河床面宽度约 40 多米，水深约2 m。 区间下穿西安南护城河，此处拱顶覆土最小处仅有3.5~4.5 m， 属于薄覆土条件下进行施工。西安城墙高12 m，顶宽 12～14 m，底宽 15～18 m；隧道线路以350 m 曲线半径先后下穿南门门洞。

 

      根据勘察报告所揭示的土层， 按成因及年代分为人为杂填土、素填土、饱和软黄土、古土壤、老黄土和粉质粘土。表 1 所示为土层分类及其物理参数，取自试验室所得数据。

      受护城河的影响，该段地层内水位埋深较浅，位于地表以下6~10 m，水位标高在隧道顶部以上 3~6m，对盾构施工有较大影响。

      隧道施工采用整环管片做支护的方式进行掘进，管片拼装顺序为 B1 块、 B2 块、B3 块、L1 块、L2块以及F 块 （即楔形块 ）。 其中管片外径为 6 000mm、 内径为 5 400 mm、 管片厚度为 300 mm、 管片环宽1 500 mm。 整环管片拼装完后，在盾尾密封刷内填塞密封油脂，以保护盾尾密封刷不被磨损，然后将管片往盾尾后推出1 500 mm。 支护结构见图 2。

      盾构掘进时， 如果开挖面土体受到的水平应力小于原始应力，开挖面土体则向盾构内移动，引起地层损失从而导致盾构上方地面沉降； 反之正面土体则向上、向前移动，引起负地层损失（欠挖）而导致盾构上方土体的隆起。 另外， 盾构在曲线段掘进纠偏时，实际开挖断面呈椭圆形，也会造成一定的地层损失；并且盾构轴线与隧道轴线的夹角越大，则对土体的超挖量越大，所造成的地层损失也越大。在盾构推进的过程中，应根据监测数据及时调整土压力值，科学合理地设计土压力值及相宜的推进速度等参数，以防止超挖和减少对土体的扰动。

      （1）护城河段盾构覆土厚度为4.5 m，河底沙袋堆载厚度为4 m，将沙袋堆载以覆土来计算，盾构土压力为0.08 MPa，但堆载沙袋的稳定性及粘聚力远不如覆土，因此在盾构通过护城河段时，宜将土压力控制在0.06 MPa 左右、推力控制在 1 200 t 左右，并根据实际情况进行调节。

      （2）盾构推进过程中的同步注浆及二次补浆是控制地面沉降的主要因素，以往的经验显示，盾构推进过程中的盾构姿态不好易造成盾尾处漏浆、 地面沉降。 因此，在盾构试验段期间，要确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合、盾尾四周间隙均匀。

      （1）南城墙段隧道埋深15~17 m， 考虑到南城墙自身重量，根据计算和以往施工经验，土压力控制在0.18～0.20 MPa 之间， 推力控制在 1 200 t 左右，并根据施工情况调整。

      （2）为防止在盾构通过城墙下方时发生险情导致城墙垮塌，对城门洞施作临时钢拱支护，可对城墙起临时加固作用。盾构穿越时降低推进速度，保证平稳推进；严格控制盾构推进方向，减少纠偏，特别是大量值纠偏；合理确定配合比,保证浆液在进入间隙后4 h 内初凝。

 

      盾构隧道施工有以下几个监测项目：地表沉降、隧道沉降、地下水位、建筑物变形、深层沉降、地表水平位移、衬砌变形和地下管线变形等。所用测量仪器为徕卡TCA1800 全站仪 （标称精度为 1″1+2 ppm）、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。

      城墙的重要性决定需对其沉降进行重点监测；同时由于护城河靠近城墙，盾构施工时的地层沉降（隆起）易引起河床底部开裂，使河水沿着贯通面下渗到隧道周围，不利于隧道防水，需同步监测河底沉降。

      护城河监测网由纵横各6 个监测断面组成 ；城墙监测网分别由位于两边墙壁上的监测点组成。 测点布置见图3、图 4(1-1 剖面为城墙基础监测网剖面)。

      盾构过护城河与城墙时， 由于护城河底在隧道上部覆土层较薄， 监测频率定为每天 3 次。 在盾构掘进过程中，对路面及周围建(构)筑物实行 24 h 巡逻、观察。加强对监控量测的监督，保证监测数据采集、传递能够准确、及时、可靠；当有异常情况出现时应提高观测次数，保证监测与施工进度同步进行。表2 所示为变形监测时有关的位移极限控制值 （根据西安市轨道交通二号线土建工程建设工程测量管理办法及业主提供的测量方面相关要求， 经专家听证会讨论制定），在此变形极限值范围内，可以保证城墙的安全。

      限于篇幅， 仅对具有代表性的护城河底隧道两旁的HZ3、HZ4 截面进行分析。 HZ3-1、HZ3-2、HZ3-3、HZ3-4、HZ3-5、HZ3-6 监测点在图 3 的 HZ3 截面上从南向北排列，HZ4-1，HZ4-2、HZ4-3、HZ4-4、HZ4-5、HZ4-6 监测点在图 3 的 HZ4 截面上从南向北排列。

      从图5 可以看出， 从盾构机进入护城河南岸段起到盾尾脱离护城河北岸止， 监测点基本上均呈现负值（负值表示下沉），并有增大趋势。当离盾构切口较近时，受开挖面土体位移的影响而发生隆沉。河岸的覆土层厚度随盾构机的前推逐渐变薄， 开挖面土体承受的水平应力可能会略小于原始应力， 开挖面土体则向盾构内移动，从而引起地层损失，即导致盾构上方地面沉降。河底处土层最薄，而盾构机又保持在以河南岸时的速度和压力前进， 因此该曲线一直呈负值状态。

      因为采取的是同步注浆，并及时、充足地进行补浆，故盾构机后边的沉降曲线趋于平缓。直至盾构脱出北河岸， 护城河底的沉降速率才逐渐减小至基本不变（保持在-2 mm 左右）。

      图6 是城墙 CQZ1、CQZ2、CQZ3 和 CQZ4 监测断面测点变化曲线，各监测点在截面上从南向北排列。其下隧道线路为半径350 m 的左转圆曲线。 总体来看, 在盾构通过期间， 地表沉降并未超出警戒值，保证了城墙的安全。

      （1）盾构施工中，地表沉降是多种因素共同作用的结果，如地质情况、地下水位、隧道埋深及截面特征等。 特别是在湿陷性黄土地区更要注意施工方法和技术水平等主观因素的影响。

      盾构通过护城河分为三个关键阶段：

      ① 盾构下穿护城河南岸段时， 即切口从第 62环(掘进第 58 环)开始 ，覆土埋深逐渐降低 ，为避免 南河岸护坡出现裂缝或隆起现象， 需要逐步降低盾构土压力；同时盾构掘进速度控制在 20~30 mm/min左右，并以该速度保持匀速前进。

      ② 盾构通过护城河底期间，土压力宜控制在0.06 MPa 左右 ， 同时盾构掘进速度控制在 20~30mm/min 左右，并以该速度保持匀速前进。

      ③ 盾构完成穿越护城河后，向河北岸前进，以盾构切口接触河岸开始，土压力逐渐提高，由 0.06 MPa提高至0.08~0.1 MPa 左右； 同时盾构掘进速度控制在20~30 mm/min 左右，并以该速度保持匀速前进。