大厚度濕陷性黃土地鐵工程綜合處理措施初探

高虎艷 鄧國華

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

大厚度濕陷性黃土地鐵工程綜合處理措施初探

高虎艷 鄧國華

(西安市地下鐵道有限責任公司 西安 710018)

針對大厚度濕陷性黃土區(qū)段地鐵工程，提出以分析浸水可能性和水敏性為主、防水和地基處理并重、有效發(fā)揮天然黃土承載力的總體處理思路。研究表明，大厚度濕陷性黃土具有地層結構連續(xù)穩(wěn)定、抵抗變形能力強、承載力高、10 m以內浸水可能性較大、10 m以下浸水可能性較小的特點。地鐵工程應充分利用上述特點，結合黃土力學研究新成果，提出技術先進、經濟節(jié)約的綜合處理措施。

地鐵工程;大厚度濕陷性黃土;水敏性;結構性;處理措施

隨著我國黃土地區(qū)公路、鐵路、水利、地鐵、電力等工程建設的穩(wěn)步推進，在大厚度濕陷性黃土地區(qū)展開的工程建設項目日益增多。如甘肅撿財塘風電場工程的濕陷性黃土層厚度大于30.0 m，蒲城電廠的濕陷性黃土層厚度為35.0 m，寧夏扶貧揚黃工程的自重濕陷性黃土層厚度為36.0 m，西安地鐵4號線南段的濕陷性土層厚度達到25 m，地基處理的深度和難度越來越大。

依據《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》，對于建筑工程，處理原則采取以地基處理為主的綜合措施，很顯然，將最大濕陷視為主線的濕陷變形計算理論，以及全部或部分消除濕陷性的地基處理方法［1］，與大厚度濕陷性黃土的工程實際條件和經濟技術指標格格不入。對于甲類地面工程，如變電站、高層建筑，只能采用樁基穿透或大面積浸水的辦法來消除濕陷性的影響，考慮到自重濕陷性土層的負摩阻力，樁基的深度將大大加長，而浸水卻對環(huán)境影響較大，在城市沉降敏感地帶無法實施，這兩種方法在技術上或經濟上都有一定的缺陷;對于甲類地下工程穿越濕陷性黃土層，如鐵路隧道、公路隧道，由于受到操作空間和施工工藝的限制，大部分方法顯得無能為力，如果考慮從地表著手處理，工程造價和地面環(huán)境也是不允許的。實際上，大厚度濕陷性黃土之所以存在，其浸水可能性小的事實已經在長期的存在過程中得到了很好的證明。很顯然，如果仍沿用破壞結構性、消除濕陷性的指導思想，采取以地基處理為主的綜合處理措施，不僅現有的技術達不到處理的要求，而且在處理費用上也使人們望而卻步。

近年來，黃土力學的研究從水敏性、結構性等方面出發(fā)，形成了一大批卓有成效的成果［2-5］，但現行規(guī)范雖幾經易稿，僅是結合建筑工程的經驗數據修修補補，對地下工程指導意義不是很大。在應用于一些大厚度濕陷性黃土工程方面，將會造成不必要的浪費。隨著在甘肅、陜西、寧夏、青海等地大厚度濕陷性黃土地基處理問題的嘗試，越來越多的人對這種破壞結構性、消除濕陷性的處理思路表示了質疑［6-7］，他們通過研究也提出了一些新的構想和技術評判標準，并經受過工程的檢驗。筆者試圖以西安地鐵4號線穿越大厚度濕陷性黃土為背景，嘗試一種濕陷性黃土地基處理的新思路。

1 綜合處理總體思路

正如引言中所提，大厚度濕陷性黃土存在，及其浸水可能性小的事實已經得到了很好的證明。筆者認為制定大厚度濕陷性黃土綜合處理措施應根據地層黃土的特點和工程要求，進行綜合分析，在解決以下問題的基礎上，提出可行的處理措施。

1)預測黃土地基浸水的可能性及程度，應結合工程特點，重點認識降雨、地表水體、生產生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小，并分析浸水后是否能完全飽和等特征，可通過調查分析、現場浸水試驗來確定。

2)認識黃土的水敏性和結構性，應結合黃土地基的浸水程度，進行相應的分析。完成增濕或飽和濕陷等常規(guī)物理和力學試驗，提出濕陷系數(自重和非自重)、濕陷起始壓力等重要的設計參數，有動荷載要求的應進行振陷試驗，再結合工程實際正確估計地基黃土的殘余變形。值得注意的是在濕陷試驗中，應根據基底壓力來確定試驗壓力。

3)分析地鐵工程適應變形的能力，分別認識不同工法車站主體與附屬、暗挖區(qū)間、盾構區(qū)間適應變形的能力，或者采取相關結構措施(如變形縫)以適應地層變形，尤其是不均勻變形的能力。

4)綜合評判上述三方面的內容，分析判斷大厚度黃土地基原始承載力和壓縮變形是否能夠滿足設計要求。如果能夠滿足要求，應制定能充分發(fā)揮天然黃土承載力特性(以防水與地基處理并重)的綜合治理措施;如果不能滿足要求，應制定以消除或穿透地基處理為主的綜合治理措施。

2 浸水可能性分析

浸水可能性分析對指導大厚度濕陷性黃土工程有重要的意義。如果現場沒有浸水的可能性，就不會有濕陷的發(fā)生。西安地鐵4號線在穿越大厚度濕陷性土層時，其浸水因素主要有以下幾種可能:

1)降雨入滲。1951年—2007年，西安地區(qū)年降雨量最大為903.2 mm，年蒸發(fā)量最小為1432.2 mm，蒸發(fā)量大于降雨量，考慮到高峰降雨季節(jié)，地層含水量變化不超過3%，且影響深度不超過8 m［5］。該段地鐵隧道埋深在10～18 m之間，因此不用考慮降雨對地鐵隧道地基的影響，但對于地鐵車站附屬結構應考慮其影響。

2)地表水體。調查表明，目前距該段隧道最近的地表水體約有5～6 km，且位于地下水流向的下游，地表水體高程低于隧道結構底板。但是，隨著城市的發(fā)展，人文景觀大型水體將隨之產生。它的存在必然會改變其周邊地下水力聯系，迫使局部地區(qū)地下水位升高。過去西安市在這方面已有深刻的教訓，如興慶湖的存在使得周邊10 km2的范圍內地下水位抬升了10多m。因此，考慮規(guī)劃和大型地表水體對該區(qū)段地鐵工程的影響是浸水可能性分析的重點。

3)生產生活用水。一般情況下，隨著城市的發(fā)展，道路兩側均會布置一定數量的給水、污水管道，由于其滲漏的不確定性，對預測大厚度濕陷性黃土浸水的可能性有一定的影響。某單位曾在西安韓森寨一帶進行管道漏水影響范圍的試驗，連續(xù)漏水23～153 d，漏水量為600～1 400 t，最大浸濕范圍為 5.0～7.3 m。同時，用φ350 mm的混凝土管做試驗，漏水32 d后浸濕范圍基本穩(wěn)定，最大影響半徑為5.0 m［5］。對于地鐵隧道，這一浸水因素也可忽略不計，但對于埋深較淺的附屬結構應予以考慮。

4)灌溉。據某地質勘測隊對原固海老灌區(qū)地下水的變化調查發(fā)現，老灌區(qū)10多年來的灌溉運行并沒有影響到地下水位的變化，且大量的灌溉水量只能引起地表10 m范圍內的土壤含水量發(fā)生變化，10 m以下的土層含水量仍保持在穩(wěn)定狀態(tài)。對于地鐵隧道，這一浸水因素也可忽略不計。對于埋深較淺的附屬結構應予以考慮。

5)地下水。根據西安地鐵抗浮水位專題研究報告，該段地下水深度在35～60 m之間，百年最高水位在30～50 m之間，地下水位距結構基底約5～30 m，因此也不用考慮地下水對浸水的貢獻。

由上述的5點分析可以看出，該段大厚度濕陷性黃土上部10 m范圍內浸水的可能性較大，下部20 m范圍浸水可能性較小，但在設計中應考慮為了規(guī)劃大型地表水體后對地鐵工程的影響。上述分析僅表明了一種分析方法的思路，并不是所有大厚度濕陷性黃土工程浸水的可能性都一樣。如地面建筑工程地基就應高度重視降雨、生產生活用水和灌溉的影響。

3 地層特征分析

大厚度濕陷性黃土在長期沉積過程中形成了穩(wěn)定的地層結構，盡管各地區(qū)濕陷性黃土的厚度、濕陷性強弱和力學性質都有一定的差異，但在地層結構和影響地基水敏感性方面仍有可以借鑒的共同特征。

為了能夠準確認識大厚度濕陷性黃土的地層特性，在西安地鐵4號線南段兩站兩區(qū)間布置探井12個，深度以25 m為主。配合一定的鉆探，深度為40～50 m。根據井探揭露，沿線地層自上而下依次為第四系全新統人工填土、上更新統風積新黃土、殘積古土壤，中更新統風積老黃土、殘積古土壤等地層。

圖1～圖6給出了該大厚度濕陷性黃土地層的含水量、飽和度、干密度、孔隙比、壓縮系數、壓縮模量隨著深度變化的規(guī)律。含水量平均值在20%～22%之間，飽和度平均值在65% ～70%之間，干密度平均值在1.4 ～1.5 g/cm3之間，孔隙比平均值在0.8 ～0.9 之間，壓縮系數平均值在0.2～1 MPa－1，壓縮模量平均值在8～10 MPa。濕陷類型大部分為自重濕陷性場地，地基濕陷等級主要為Ⅱ級中等和Ⅲ級嚴重，濕陷深度最大可達25 m，濕陷量從地表起算最大可達1 m。

圖1 含水量隨深度的變化

圖2 飽和度隨深度的變化

圖3 干密度隨深度的變化

圖4 孔隙比隨深度的變化

圖5 壓縮系數隨深度的變化(100～200 kPa)

圖6 壓縮模量隨深度的變化(100～200 kPa)

綜合考慮地層結構、物性參數、濕陷特征和工程實際條件，可以分析得出以下結論:

1)地層連續(xù)穩(wěn)定，含水量、飽和度、干密度、孔隙比相對穩(wěn)定，壓縮系數、壓縮模量在地表5 m以下相對穩(wěn)定。從基本物性參數判斷，整個地層濕陷性中等偏弱，水敏性中等偏弱，與區(qū)域經驗一致;2)從濕陷試驗看，在地表5 m以內，濕陷性中等，5～25 m濕陷性輕微。對于地鐵工程來說，主要的地層位于地表下10～25 m;3)古土壤層連續(xù)交替分布，能起到一定的隔水作用;4)壓縮性中等偏弱，具有一定抵抗變形的能力。能夠滿足地鐵隧道變形的要求;5)地層黃土具有一定的結構性［6］，承載力較高。能夠滿足地鐵工程承載力要求;6)Q2老黃土上部，存在一定的濕陷性，但濕陷起始壓力較大［8-9］。對于隧道工程，拱腳壓力較大，在浸水條件下有可能發(fā)生濕陷，其他部位壓力小于土體自重壓力;7)地鐵隧道在運營過程中引起的振動沒有達到黃土的臨界振陷動應力，黃土的變形均在彈性范圍內，可以不用考慮振陷問題;8)對于地鐵工程，設計時應結合結構底板的埋深，重新估算地基濕陷變形和濕陷等級，并以此為基礎，展開相應的設計工作。

4 地鐵工程特點分析

與工業(yè)與民用建筑、鐵路、公路等工程相比，地鐵土建工程有以下特點:

1)絕大多數地鐵工程均位于城市繁華地帶，由于高層建筑、地下管線、文物等密集分布，對地層變形要求嚴格;

2)地鐵工程工法與結構形式繁多。每個車站除主體結構外，還包括出入口、風亭、冷卻塔等附屬建筑。車站施工多采用明挖法，但對交通影響敏感地帶也可選擇暗挖法、蓋挖法。區(qū)間多采用礦山法、盾構法施工，在局部特殊地段也可采用明挖法。區(qū)間工程不僅包括正線、折返線、后配線、停車線等，還包括聯絡通道、施工豎井等附屬工程。當然，地鐵工程可選擇地下、地面、高架等敷設方式;

3)地下鐵道結構中主要構件的設計使用年限為100年。主體結構及其相連的重要構件，其安全等級為一級，其他構件的安全等級為二級，支護結構的安全等級不低于二級;

4)地鐵區(qū)間結構可通過設置變形縫調節(jié)不均勻沉降，地鐵車站適應變形能力相對較弱;

5)地鐵工程承受列車振動的往復應力作用，當列車引起的振動應力大于黃土的振陷臨界應力時，黃土地基也將產生附加變形;

6)根據《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的要求，地鐵車站和區(qū)間主體為甲類建筑，附屬工程為乙類建筑。

5 大厚度濕陷性黃土地鐵工程處理措施

基于對大厚度濕陷性黃土工程浸水可能性分析和地層特點分析，結合工程的實際特點，筆者認為可制定以下的處理原則和措施。

1)處理原則。采取以地基處理和防水并重，主動發(fā)揮天然黃土有效承載力的綜合處理措施。

2)處理措施。對于地鐵隧道工程，可采用三種處理措施:一是對于浸水可能性小的區(qū)間隧道，且地下水深度較深時采用深層散水方案，在隧道兩側10 m左右的位置設置深層砂井散水井，砂井間距根據現場試驗確定，試驗技術要求可參考文獻［10］，砂井深度與地下水位埋深一致，將其周邊的可能水體直接引入地下水(見圖7)，此外，對于礦山法隧道，考慮到拱腳兩側應力集中，為確保安全對洞內拱腳處樹根樁進行加固，樹根樁直徑15～25 cm，長度一般控制在3～5 m，角度可選擇30°～60°，對于盾構工程，可不采取專門的地基處理措施，在結構計算中，應考慮隧道兩側發(fā)生濕陷引起的負摩阻力問題;二是對于浸水可能性較大的地段，下臥有濕陷性黃土層較厚的區(qū)間均采用礦山法施工，選擇雙側壁導坑法，先行實施雙側壁導坑后，采用洞內人工挖孔樁穿透濕陷性黃土層，然后將隧道結構置于人工挖孔樁上(見圖8);三是對于浸水可能性較大的區(qū)間，下臥有濕陷性黃土層較薄時，宜選擇礦山法施工。在初期支護完成后，對地基進行灰土墊層或灰土擠密處理。當然也可選擇盾構法施工，在盾構管片上預留注漿孔。

值得一提的是，礦山法施工由于是在隧道襯砌結構尚未完全封閉的條件下進行，因此首先要制定保證隧道自身穩(wěn)定性的嚴密措施(見圖9)。

圖7 深層散水方案

圖8 雙側壁導坑人工挖孔樁

圖9 灰土墊層或灰土擠密處理

對于地鐵車站主體工程選擇明挖法施工。按甲類工程的要求，對于浸水可能性小的車站，對底板以下的自重濕陷性黃土進行灰土墊層或灰土擠密處理，對車站底板周邊一定范圍的自重濕陷性黃土進行孔內強夯處理;對于浸水可能性較大的車站，對底板以下的濕陷性黃土進行灰土墊層灰土擠密樁處理或樁基穿透。

對于地鐵車站附屬工程，如出入口、冷卻塔等建筑物，按乙類建筑的要求，依據剩余濕陷量的控制標準，選擇明挖法施工，采用灰土墊層和灰土擠密的方法進行處理。

上述的處理措施不僅可以有效發(fā)揮原狀黃土的天然承載力，其技術先進，而且大幅度地降低了處理費用，可操作性強。

6 結論

大厚度黃土地鐵工程治理時，應充分吸收黃土力學研究的新成果，在綜合分析浸水可能性和水敏性的基礎上，制定技術先進、經濟節(jié)約的綜合治理措施。

1)對于大厚度濕陷性黃土，預測地基浸水可能性非常重要，工程中應重點認識降雨、地表水體、生產生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小和浸水后的飽和程度。

2)大厚度濕陷性黃土10 m以下的地層一般具有地層結構連續(xù)穩(wěn)定、抵抗變形能力強、承載力高和浸水可能性小的特點，可作為地基的持力層。地鐵工程應充分利用這些特點，根據浸水可能性的大小，制定合理的地基處理措施。

3)大厚度濕陷性黃土工程應采取以地基處理和防水并重，主動發(fā)揮天然黃土有效承載力的綜合處理措施。

4)三種地鐵隧道地基的處理方案，即深層散水方案、雙側壁導坑人工挖孔樁、灰土墊層與灰土擠密，可有效解決地下隧道工程地基處理問題。與傳統的處理思路相比，不僅可操作性強，而且經濟節(jié)約。

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Research on the Treatment Measures for Heavy Thick Wet Loess for Subway Engineering

Gao Huyan Deng Guohua
(Xi’an Metro Corporation，Xi’an 710018)

Abstract:For the subway engineering in the collapsible heavy thick wet loess region，a general processing idea is proposed based on the analysis of flooding possibility and water sensitivity，waterproof and ground treatment and the carrying capacity of natural loess.The research shows that the heavy thick collapsible loesses have the characteristics of stable and consecutive stratigraphic architecture，high resistance to deformation，high bearing capacity，easily flooding within 10 m and small possibility under 10 m.These characteristics should be fully taken into account in developing subway project.An advanced and economical comprehensive treatment measure is proposed by absorbing the new research results of the loess mechanics.

Key words:subway engineering;collapsible loess;water sensitivity;structure;treatment measure

TU444

A

1672-6073(2014)01-0076-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.019

收稿日期:2013-03-13

2013-07-10

作者簡介:高虎艷，男，教授級高級工程師，從事巖土工程勘察和研究工作，489530341@qq.com

(編輯:郝京紅)