西安地鐵穿越濕陷性黃土層處理原則與措施研究

羅章波

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京　102600)

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西安地鐵穿越濕陷性黃土層處理原則與措施研究

羅章波

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京102600)

摘要：西安地鐵臨潼線的部分地鐵車站與區間隧道穿越自重濕陷性黃土場地。為研究黃土地層處理的判斷原則以及處理措施，分析研究地鐵工程基底的受力條件以及環境變化可能性，提出地鐵工程基底濕陷可能性判斷原則與方法。對西安地鐵臨潼線的濕陷可能性進行判斷，對黃土濕陷變形及結構應力進行建模計算，分析地鐵工程不同連接部位處受力變形情況及結構發生應力應變特征，進而提出地鐵車站、暗挖隧道和盾構隧道工程的處理措施。為該段地鐵工程的設計與施工提供了科學依據，也可為其他類似工程提供參考。

關鍵詞：地鐵車站； 濕陷性黃土層； 地基； 暗挖隧道； 盾構隧道

0引言

濕陷性黃土具有大孔隙、結構性、濕陷性和水敏性等力學與工程性質，與其他巖土材料相比，其特殊性在于其變形強度對水作用的特殊敏感性，即天然低濕度下具有明顯高強度和低壓縮性的黃土，一旦浸水或增濕時會發生強度驟降和變形突增的特性。它們在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發展性，是黃土變形影響其上建筑物穩定性的突出問題[1]。

文獻[2]通過分析黃土自重濕陷量計算理論建立的條件，以及現場浸水試驗中黃土浸水濕陷的實際受力史和變形史，指出自重濕陷量計算值與實測值的構成差異，探討其主要影響因素，分析作用機制，提出了黃土自重濕陷性評價的改進理論。文獻[3]在濕陷性黃土隧道修建和運行中工程特性認識的基礎上，進行了隧道的巖土環境等級、浸水等級以及濕陷性黃土隧道的環境等級劃分，得出了隧道黃土地基濕陷變形量的計算分析方法，確定了隧道濕陷性黃土地基等級的劃分標準。文獻[4]采用模糊綜合評判法建立各指標的評判關系，給出評價等級，針對不同等級采取相應的處理原則。

西安地鐵是城市軌道工程界在黃土地區展開的首次嘗試，由于其顯著的水敏性，致使大多數建設者將其列為西安地鐵的一個重點問題[5]。

西安地鐵1、2、3、4號線僅在地面建筑和極個別主體中遇到濕陷性黃土問題。1號線萬壽路站，通過加深車站(增加1層，約5 m)的方法，使車站基底和兩側一定范圍內區間隧道的基底坐落在非濕陷性土層上，解決了車站及其西側(通萬區間)400多m、東側(萬長區間)900 m的地基濕陷問題；2號線部分站點的出入口，采用了30 m的樁基穿透自重濕陷性黃土；3號線廣泰門站至桃花潭站明挖區間，在長度1 021 m、寬度11 m的范圍內采用0.3 m水泥土擠密樁加固濕陷性黃土地基，樁深10 m，地基處理費用均較大。4號線南段6 km范圍內穿越大厚度濕陷黃土區，但通過浸水試驗研究后發現，該場地為非自重濕陷性黃土場地，不用采取專門的處理措施。

臨潼線2標跨越地貌單元復雜，黃土的濕陷性較4號線南段強烈、多變。在浸水試驗和室內試驗評價完成后，結構底板以下局部仍存在一定量的濕陷性黃土。2標所涉地段為自重濕陷性黃土場地，總濕陷量最大可達200 mm，通過一定的調線措施仍無法避免建基面以下存在濕陷性黃土層，為此，開展專項研究，對工程可行性、工程投資及功能優化具有重要意義。

縱觀GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》[6]和地鐵工程的實際特點，在地鐵工程中執行該規范時存在一定的局限性。

1)規范第3章基本規定，3.0.1條對建筑物分類應用于地鐵工程時不夠明確。尤其是對浸水可能性的判斷，規范主要以多層建筑地基持力層范圍內的黃土，或者說距地表10 m以內的淺部黃土為浸水對象(高層樁基穿透深部黃土)，重點討論供水、雨污水管道的滲漏影響；然而對于城市軌道交通工程，重點關注結構底板以下的浸水可能性，深度距地表在20 m左右，浸水外部環境完全不一致。

2)“自重濕陷性黃土場地”或“非自重濕陷性黃土場地”應用于地鐵工程地基處理問題判斷時意義不大。地鐵工程相對于地層初始應力狀態無附加應力存在，地基處理時重點考慮結構底板以下的濕陷特性，與結構底板是否發生關系是處理與否最直接的判斷標準。

3)測定濕陷系數的試驗壓力不能反映地鐵工程的實際特征。規范以工民建淺基礎(自地面以下1.5 m算起)為前提，規定基底下10 m以內的土層應用200 kPa，10 m以下應用其上覆土的飽和自重壓力，地鐵工程主體結構底板深度一般在15～25 m，且處于卸荷狀態，測定濕陷系數時濕陷壓力明顯大于實際壓力。

4)規范規定地基濕陷量的計算值小于或等于50 mm時，可按一般地區的規定設計。此規定能否滿足地鐵工程的變形要求，還有待于進一步研究。

由于GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》在地鐵工程中的實用性并不明確，需要根據地鐵工程的自身特點，分析研究地鐵工程基底的受力條件以及環境變化可能性，提出地鐵工程基底濕陷可能性判斷原則與方法，對西安地鐵臨潼線的濕陷可能性進行判斷，進而提出處理措施。

1工程概況

臨潼線土建設計2標包括： 田王站、洪慶站、田王站—洪慶站區間(以下簡稱田洪區間)和洪慶站—紫霞三路站區間(以下簡稱洪紫區間)，見圖1。

圖1　路線示意圖

場地地貌單元為塬前洪積臺地和洪慶河洪積扇，地下水位線距地面約41 m，均位于結構基礎以下，見圖2。場地為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅳ(很嚴重)，局部區域為Ⅱ級(中等)或Ⅲ級(嚴重)，濕陷性土層層底深度10.0～31.3 m，地層巖土參數見表1，濕陷特征值見表2。

圖2　典型地質剖面圖(單位： m)

地層天然重度/(kN/m3)變形模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)新近堆積黃土16.660.33019.5新黃土15.780.33020.0老黃土16.4100.33620.0古土壤17.8100.33820.0粉質黏土18.8200.34020.0

表2　濕陷特征值表

2地鐵穿越濕陷性黃土區地基處理原則

依據黃土力學基本知識、規范的核心思想和地鐵工程的實際特點判斷，見圖3。

圖3　濕陷性黃土地基處理判斷流程圖

結合國內有關城市的地鐵工程保護標準，建議適當下臥一定量的濕陷性黃土，并分級提出處理措施。當通過濕陷系數校正后，計算剩余濕陷量小于20 mm，可不處理；當底板下計算剩余濕陷量大于20 mm，小于100 mm，且濕陷厚度在10 m以內，應采取地基處理；當底板下計算剩余濕陷量大于100 mm，且濕陷厚度大于10 m時，應考慮調線調坡措施[7]。因此，西安地區地鐵工程工后容許沉降控制標準為20 mm。

3臨潼線2標段處理與否評判

1)田王站。車站主體結構埋深約26 m，大于濕限性黃土地層深度(約24 m)，所以主體結構底板下無濕陷性土層，不考慮地基處理。

2)田洪區間。基底實際濕陷量為120 mm，大于20 mm，需要進行處理。

3)洪慶站。基底濕陷性土層厚度約5.5 m，基底實際壓力為290 kPa，相對應的濕陷起始壓力為230 kPa，基底實際壓力大于濕陷起始壓力，需處理。

4)洪紫區間。結構地下濕陷性土層厚度為4.52～0 m，基底實際壓力為425 kPa，相對應的濕陷起始壓力為301 kPa，基底實際壓力大于濕陷起始壓力，需處理。

4地鐵車站濕陷性地基處理方法選擇與處理措施研究

4.1處理方法綜合性選擇

根據處理方法的適用性和地鐵車站明挖施工的特點，可根據以下原則選取處理方法。

1)當地鐵車站底板以下濕陷性黃土層厚度小于2 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。選擇2 m作為界限的理由如下： 通常條件下灰土墊層方法處理深度為1～3 m；但是，地鐵車站通常為深基坑，周圍圍護樁的嵌入深度有一定的要求，為了保證原圍護樁有一定嵌入深度，不能過深的在地下挖土層；另外，厚度過大的濕陷性土層利用灰土墊層方法來處理也不經濟。

2)當地鐵車站底板以下濕陷性土層厚度大于2 m時，宜采用樁基礎法進行處理。對于大于15 m的濕陷性土層，通常僅有深層攪拌樁法和樁基礎法可用，而深層攪拌樁法主要用于處理含水量較高、濕陷性較弱的黃土，對于含水量不太高的地鐵車站采用樁基礎法是可行的。

4.2典型地段處理措施數值仿真分析

4.2.1分析模型的建立

地鐵車站底板約有5 m厚的濕陷性黃土，根據提出的處理方案選擇原則，采用樁基礎法進行處理。

4.2.2分析區域

1)取車站底板最低處以下60 m，向上取原始地面；

2)水平方向上左右分別取3倍車站范圍。

4.2.3模擬單元選擇

4.2.3.1土體單元

土體采用平面8結點四邊形單元(CPE8R)和平面6結點三角形單元(CPE6M)。平面8結點四邊形單元用于形狀規則、容易剖分的區域；平面6結點三角形單元對于嚴格受地形控制的體形在單元剖分上有很好的適應性，可以避免單元剖分質量不好影響到分析計算的精度。這2種單元均為二次單元，計算分析結果的精度高。

4.2.3.2鋼筋混凝土、樁等結構單元

在三維分析模型和二維分析模型中，錨桿均用梁單元進行模擬，ABAQUS中提供了三維梁單元(B32)和二維梁單元(B22)等。ABAQUS中的梁單元還能對截面形狀進行設置，包括常用的矩形和圓形截面[8]。

4.2.4荷載施加與模擬

分析時采用自重應力場，地應力的施加方式采用體積力的賦值方法。豎直地應力根據巖體的容重與上覆巖體的深度，程序自動進行每個單元的計算賦值。

施工期的開挖卸荷通過釋放開挖區土體的初始地應力，并用等效結點荷載的方法轉移到開挖邊界上。

施工期荷載為初始地應力+開挖地應力釋放荷載[9]。

4.2.5分析方案

由于本分析主要是對比分析處理后的效果，所以在分析方案上主要擬定了2個方案，方案1為不進行處理方案，方案2為根據建議的處理方法擬定的處理方案。

4.2.5.1方案1： 不處理方案

此方案模擬地鐵車站圍護樁施作、車站基坑開挖、主體混凝土結構施作以及最后濕陷性黃土層完全浸水等過程，主要分析濕陷性黃土層完全浸水后的濕陷變形。

4.2.5.2方案2： 處理方案

此方案模擬地鐵車站圍護樁施作、車站基坑開挖、主體混凝土結構施作、地基加固處理以及最后濕陷性黃土層完全浸水等過程，主要分析主體結構地基處理后濕陷性黃土層完全浸水后的濕陷變形，并與不處理方案進行對比。

處理的具體方案如下： 地基處理采用φ450@900的C15素混凝土樁，正三角形布置，深入非濕陷性土層1 m。

4.2.6不處理完全濕陷情況濕陷變形分析

不處理方案車站周圍土體濕陷位移場見圖4，沉降位移見表3。

圖4　方案1車站完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位： m)

Fig. 4Scheme No.1: Displacement field of soil around when Metro station is completely immersed (m)

表3不處理方案下車站地基位移特征點沉降位移表

Table 3Displacement of Metro station foundation without treatment

mm

注： 其中A、C為底部兩側點，B點為底部中點。

從表3可以看出，在不處理條件下，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為39.8、37.4、39.7 mm。

4.2.7經處理后完全濕陷情況濕陷變形分析

處理方案車站周圍土體濕陷位移場見圖5，沉降位移見表4。

圖5　方案2車站完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位： m)

Fig. 5Scheme No.2: Displacement field of soil around when Metro station is completely immersed (m)

表4　經處理方案下車站地基位移特征點沉降位移表

從表4可以看出，按照擬定的方案處理后，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為15.6、12.7、15.4 mm。經擬定的方案處理后，滿足了后期變形控制要求。

4.3小結

1)當地鐵車站底板以下濕陷性黃土層厚度小于2 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。

2)當地鐵車站底板以下濕陷性黃土層厚度大于2 m時，宜采用樁基礎法進行處理。

3)對于以洪慶站為典型的地鐵車站，在不處理條件下，底板濕陷沉降約為40 mm，而經φ450@900的C15素混凝土樁正三角形布置、深入非濕陷性土層1 m的方案處理后，車站底板濕陷沉降不超過16 mm，該處理方案可以滿足要求。

5暗挖隧道濕陷性地基處理方法選擇與處理措施研究

5.1黃土濕限性地層處理方法選擇

根據已有的工程經驗與實踐，暗挖隧道底板以下的處理方法選擇原則如下：

1)當暗挖隧道底板以下濕陷性黃土層厚度小于1 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。

2)當暗挖隧道底板以下濕陷性黃土層厚度大于1 m時，宜采用微型樁法進行處理，微型樁嵌入非濕陷性土層1 m。

5.2處理措施數值仿真分析

地基處理采用φ300@750鋼筋混凝土微型樁，正三角形布置，深入非濕陷性土層1.0 m。

5.2.1不處理完全濕陷情況濕陷變形分析

不處理方案暗挖隧道周圍土體濕陷位移場見圖6，沉降位移見表5。

圖6方案1暗挖隧道完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位： m)

Fig. 6Scheme No.1: Displacement field of soil around when tunnel is completely immersed (m)

從表5可以看出，在不處理條件下，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為98.6、98.3、98.6 mm。

5.2.2經處理后完全濕陷情況濕陷變形分析

處理方案暗挖隧道周圍土體濕陷位移場見圖7，沉降位移見表6。

從表6可以看出，按照擬定的方案處理后，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為16.3、15.5、15.9 mm。經擬定的方案處理后，滿足了后期變形控制要求。

表5　不處理方案下暗挖隧道地基位移特征點沉降位移表

圖7方案2暗挖隧道完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位: m)

Fig. 7Scheme No.2: Displacement field of soil around when tunnel is completely immersed (m)

表6　經處理方案下暗挖隧道地基位移特征點沉降位移表

5.3小結

1)當暗挖隧道底板以下濕陷性黃土層厚度小于1 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。

2)當暗挖隧道底板以下濕陷性黃土層厚度大于1 m時，宜采用微型樁法進行處理，微型樁嵌入非濕陷性土層1 m。

3)對于以田洪區間為典型的礦山法暗挖隧道，在不處理條件下，區間隧道底板濕陷沉降約為100 mm，經φ300@750鋼筋混凝土微型樁正三角形布置、深入非濕陷性土層1 m方案處理后，礦山法暗挖隧道底板濕陷沉降不超過17 mm，該處理方案可以滿足要求[10]。

6盾構隧道濕陷性地基處理方法選擇與處理措施研究

6.1盾構隧道處理方法綜合性選擇

由于盾構隧道施工方法的特殊性，盾構隧道地基處理方法的可選擇性極小，從目前情況來看，僅有注漿法可以選擇。

注漿法的具體處理方案為采用水玻璃漿液進行注漿，可將濕陷性土的變形模量以及強度提高20%～30%，注漿范圍為隧道底板正下方深入非濕陷性土層1 m。

6.2分析方案

具體的處理方案如下： 在隧道正下方進行水玻璃注漿，注漿深入非濕陷性土層1 m。

6.2.1不處理完全濕陷情況濕陷變形分析

不處理方案盾構隧道周圍土體濕陷位移場見圖8，沉降位移見表7。

圖8方案1盾構隧道完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位： m)

Fig. 8Scheme No.1: Displacement field of soil around when shield tunnel is completely immersed (m)

表7不處理方案下盾構隧道地基位移特征點沉降位移表

Fig. 7Displacement of shield tunnel foundation without treatment

mm

從表7可以看出，在不處理條件下，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為120.6、120.2、120.6 mm。

6.2.2經處理后完全濕陷情況濕陷變形分析

處理方案盾構隧道周圍土體濕陷位移場見圖9，沉降位移見表8。

圖9方案2盾構隧道完全浸水后周圍土體濕陷位移場(單位： m)

Fig. 9Scheme No.2: Displacement field of soil around when shield tunnel is completely immersed (m)

表8經處理方案下盾構隧道地基位移特征點沉降位移表

Table 8Displacement of shield tunnel foundation after treating

mm

從表8可以看出，按照擬定的方案處理后，地基位移特征點A、B、C的濕陷沉降位移分別為18.4、18.0、18.4 mm。經擬定的方案處理后，滿足了后期變形控制要求。

6.3小結

1)對于盾構隧道，建議采用注漿法進行處理。處理方案為采用水玻璃漿液進行注漿，可將濕陷性土的變形模量以及強度提高20%～30%，注漿范圍為隧道底板正下方深入非濕陷性土層1 m。

2)對于盾構隧道，在不處理條件下，區間隧道底板濕陷沉降約為120 mm，而采用注漿法處理后，隧道底板濕陷沉降不超過19 mm，該處理方案可以滿足要求。

7結論與建議

7.1結論

1)西安地鐵工程自重濕限性黃土場地如果嚴格按照GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》進行處理，處理量巨大，因此，結合地鐵工程的特性進行處理措施優化研究非常必要。

2)地鐵穿越濕陷性黃土區地基處理原則如下：

①在民建地基中，地基土所受應力大于原自重應力，而在地鐵工程地基中，地基土所受應力小于原自重應力。

②提出了地鐵工程濕陷性黃土地基處理與否的判斷方法。

③提出了西安濕陷性黃土地區地鐵工程工后容許沉降控制標準。

3)地鐵車站地基處理方法研究如下：

①當車站底板以下濕陷性黃土層厚度小于2 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。

②當車站底板以下濕陷性黃土層厚度大于2 m時，宜采用樁基礎法處理。

③對于以洪慶站為典型的地鐵車站，在不處理條件下，地鐵車站底板濕陷沉降約為40 mm，而經φ450@900的C15素混凝土樁正三角形布置、深入非濕陷性土層1 m的方案處理后，車站底板濕陷沉降不超過16 mm，該處理方案可以滿足要求。

4)暗挖隧道地基處理方法研究如下：

①當隧道底板以下濕陷性黃土層厚度小于1 m時，宜采用灰土墊層方法進行換填處理。

②當隧道底板以下濕陷性黃土層厚度大于1 m時，宜采用微型樁法處理，微型樁嵌入非濕陷性土層1 m。

③對于以田洪區間為典型的暗挖隧道，在不處理條件下，底板濕陷沉降約為100 mm，而經φ300@750鋼筋混凝土微型樁正三角形布置、深入非濕陷性土層1 m方案處理后，隧道底板濕陷沉降不超過17 mm，該處理方案可以滿足要求[11]。

5)盾構隧道地基處理方法研究如下：

①建議采用注漿法進行處理，可將濕陷性土的變形模量以及強度提高20%～30%，注漿的范圍為隧道底板正下方深入非濕陷性土層1 m。

②在不處理條件下，底板濕陷沉降約為120 mm，而采用注漿法處理后，隧道底板濕陷沉降不超過19 mm，該處理方案可以滿足要求。

7.2建議

1)濕陷沉降發生的條件主要有2個方面： ①大于起始壓力的應力狀態；②地下水或地表水的入滲。對于修建完成的工程，其應力狀態可改變性較小，所以要特別注意防水措施的采用，尤其是地鐵車站等明挖法修建的地鐵工程。大量實踐表明，濕陷性土層只有在長期入滲后才會發生大面積濕陷，所以要注意地鐵工程隧道沿線地下水、管線滲漏和大面積地表水體的出現，盡可能采取措施防止此類現象發生。

2)采用換填法處理時，應當注意在換填下挖過程中隧洞或臨時基坑的穩定性，采用快挖、快填、分部挖填原則。

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Treating Principle of and Countermeasures for Collapsible Loess:Case Study on Lintong Line of Xi’an Metro

LUO Zhangbo

(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Beijing102600,China)

Abstract:Part of the Metro stations and tunnel sections on Lintong Line of Xi’an Metro cross dead weight collapsible loess. In this paper, the stressing conditions and probability of environmental change of foundation of Metro projects are analyzed and studied. And then the treating principle of and countermeasures for collapsible loess are proposed. The collapsible probability of Lintong Line of Xi’an Metro is estimated; the collapsible deformation of the loess and structural stress are calculated; the stress deformation and stress-strain characteristics of the structure at different connection points of Metro projects are analyzed. Finally, some countermeasures for collapsible loess of Metro tunnel, mined tunnel and shield tunnel are proposed. The resalts can provide reference for the design and construction of Xi’an Metro and other similar projects.

Keywords:Metro station; collapsible loess layer; foundation; mined tunnel; shield tunnel

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0257-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.002

作者簡介：羅章波(1969—)，男，湖南岳陽人，1993年畢業于西南交通大學，地下工程與隧道工程專業，本科，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程設計工作。E-mail： luozhangbo@t5y.cn。

收稿日期：2015-08-03; 修回日期: 2015-10-08