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家級文物保護單位，南京地鐵5 號線鹽倉橋至下關(guān)區(qū)間將采用盾構(gòu)施工方式下穿通過挹江門城墻。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，見圖1。城墻下部土體及巖石主要物理性能指標(biāo)見表1和表2。

本文就地鐵盾構(gòu)施工對挹江門城墻安全性影響進行評估分析。

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)場檢測，挹江門城墻磚強度約為 10.0MPa，砂漿強度約為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)計軟件SAP2000，對城墻結(jié)構(gòu)承載力進行復(fù)核分析(計算模型見圖2)。經(jīng)過復(fù)核計算，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)生對土體的擾動，并引起洞室周圍地表發(fā)生移動和變形[2]。用盾構(gòu)法修建隧道引起地表移動和變形的主要原因是施工過程中的地層損失、地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變、受擾動土體的固結(jié)及土體的蠕動效應(yīng)、襯砌結(jié)構(gòu)的變形等。針對隧道施工所引起的地表沉降的計算主要有理論經(jīng)驗法及數(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)值模擬計算法對盾構(gòu)施工的影響范圍及地面沉陷量進行計算分析。

3.1 規(guī)范估算沉降量

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

1.盾構(gòu)施工影響范圍及最大沉降值計算

下關(guān)-鹽倉橋區(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)，本文考慮掘進參數(shù)、跟進注漿等施工措施取地層損失率Vi為0.3%進行計算。

Peck 法是由大量工程經(jīng)驗的實測資料得出的計算方法，地表沉降計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)公式來估算沉降槽寬度系數(shù)i，見式(1)。隧道單位長度地層損失量V見式(2)，隧道軸線上方地面最大沉降量Smax見式(3)，距離隧道中心軸線為x處的地面沉降量S(x)見式(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式(5)。

雙線隧道沉降按照單線隧道沉降進行疊加，建立以雙線隧道中心為沉降軸的沉降曲線(圖3)。通過計算得出：單線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.最大局部傾斜值計算

取雙線隧道中心線沉降曲線按8m 間距對其局部傾斜值進行計算。以距離中心線30m 位置開始計算，計算步長0.5m，通過對沉降曲線的求導(dǎo)與大量試算，得出在距離中心線6.0m、14.0m處最大局部傾斜值為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，進行數(shù)值計算分析。巖土體采用彈性摩爾-庫侖本構(gòu)模型，地質(zhì)基本參數(shù)取值見表3。通過計算，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)量級別，能夠相互驗證。兩種計算方法在數(shù)值上出現(xiàn)一定程度的差異主要與兩種計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提出。Peck 計算公式，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)驗進行取值，對計算結(jié)果影響較大。

(2)數(shù)值模擬計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行計算，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)格按照實際的施工步驟進行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計算過程中，需要考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問題進行適當(dāng)簡化，但同時會影響計算結(jié)果。

綜上，兩種計算方法各有利弊，需要結(jié)合工程特點選取合適的計算方法，必要時可以通過兩種方法的相互驗證，以保證計算結(jié)果的相對準(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，優(yōu)先使用數(shù)值模擬計算法。

3.4 地面沉降量對文物產(chǎn)生附加內(nèi)力分析

1.規(guī)范估算沉降量對文物產(chǎn)生附加內(nèi)力

按照規(guī)范經(jīng)驗公式估算的南京挹江門城墻各點沉降量見圖5。利用ABAQUS[4]軟件對挹江門城墻在規(guī)范估算地面沉降下受到的影響進行模擬。計算結(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。運用ABAQUS 進行計算分析，該沉降量作用下，城墻內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力云圖見圖6b。計算結(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)施工影響評價

1.沉降量與局部傾斜規(guī)范控制值

依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)關(guān)于盾構(gòu)法隧道地表沉降監(jiān)測項目控制值的規(guī)定：工程監(jiān)測等級為一級(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)的局部傾斜允許值為0.003。

2.盾構(gòu)施工影響評價

根據(jù)前文計算可知，挹江門城墻最大的沉降量及局部傾斜值遠(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)會出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，該處城墻可能會有輕微開裂現(xiàn)象。該部分城墻局部開裂后，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，不會引起嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，尚不影響城墻整體結(jié)構(gòu)安全性，但對城墻結(jié)構(gòu)耐久性有不利影響。

4 結(jié)論

1.通過規(guī)范經(jīng)驗公式及數(shù)值模擬計算，地鐵5 號線盾構(gòu)施工會引起挹江門城墻產(chǎn)生不均勻沉降，但沉降量及局部傾斜值均在規(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)會出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，該處城墻可能會有輕微開裂現(xiàn)象，尚不影響城墻結(jié)構(gòu)安全性，但對城墻耐久性有不利影響(可在施工完畢后，采取耐久性維護措施)。

3.規(guī)范經(jīng)驗法及數(shù)值模擬計算法的計算結(jié)果有所差異，但數(shù)量級基本一致，能夠相互驗證；兩種計算方法各有特點，需要結(jié)合工程特點進行選取，必要時可以對計算結(jié)果相互驗證。