西安地铁穿越湿陷性黄土层处理原则与措施研究

罗章波

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京　102600)



西安地铁穿越湿陷性黄土层处理原则与措施研究

罗章波

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京102600)

摘要：西安地铁临潼线的部分地铁车站与区间隧道穿越自重湿陷性黄土场地。为研究黄土地层处理的判断原则以及处理措施，分析研究地铁工程基底的受力条件以及环境变化可能性，提出地铁工程基底湿陷可能性判断原则与方法。对西安地铁临潼线的湿陷可能性进行判断，对黄土湿陷变形及结构应力进行建模计算，分析地铁工程不同连接部位处受力变形情况及结构发生应力应变特征，进而提出地铁车站、暗挖隧道和盾构隧道工程的处理措施。为该段地铁工程的设计与施工提供了科学依据，也可为其他类似工程提供参考。

关键词：地铁车站； 湿陷性黄土层； 地基； 暗挖隧道； 盾构隧道

0引言

湿陷性黄土具有大孔隙、结构性、湿陷性和水敏性等力学与工程性质，与其他岩土材料相比，其特殊性在于其变形强度对水作用的特殊敏感性，即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，一旦浸水或增湿时会发生强度骤降和变形突增的特性。它们在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性，是黄土变形影响其上建筑物稳定性的突出问题[1]。

文献[2]通过分析黄土自重湿陷量计算理论建立的条件，以及现场浸水试验中黄土浸水湿陷的实际受力史和变形史，指出自重湿陷量计算值与实测值的构成差异，探讨其主要影响因素，分析作用机制，提出了黄土自重湿陷性评价的改进理论。文献[3]在湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上，进行了隧道的岩土环境等级、浸水等级以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分，得出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法，确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。文献[4]采用模糊综合评判法建立各指标的评判关系，给出评价等级，针对不同等级采取相应的处理原则。

西安地铁是城市轨道工程界在黄土地区展开的首次尝试，由于其显著的水敏性，致使大多数建设者将其列为西安地铁的一个重点问题[5]。

西安地铁1、2、3、4号线仅在地面建筑和极个别主体中遇到湿陷性黄土问题。1号线万寿路站，通过加深车站(增加1层，约5 m)的方法，使车站基底和两侧一定范围内区间隧道的基底坐落在非湿陷性土层上，解决了车站及其西侧(通万区间)400多m、东侧(万长区间)900 m的地基湿陷问题；2号线部分站点的出入口，采用了30 m的桩基穿透自重湿陷性黄土；3号线广泰门站至桃花潭站明挖区间，在长度1 021 m、宽度11 m的范围内采用0.3 m水泥土挤密桩加固湿陷性黄土地基，桩深10 m，地基处理费用均较大。4号线南段6 km范围内穿越大厚度湿陷黄土区，但通过浸水试验研究后发现，该场地为非自重湿陷性黄土场地，不用采取专门的处理措施。

临潼线2标跨越地貌单元复杂，黄土的湿陷性较4号线南段强烈、多变。在浸水试验和室内试验评价完成后，结构底板以下局部仍存在一定量的湿陷性黄土。2标所涉地段为自重湿陷性黄土场地，总湿陷量最大可达200 mm，通过一定的调线措施仍无法避免建基面以下存在湿陷性黄土层，为此，开展专项研究，对工程可行性、工程投资及功能优化具有重要意义。

纵观GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》[6]和地铁工程的实际特点，在地铁工程中执行该规范时存在一定的局限性。

1)规范第3章基本规定，3.0.1条对建筑物分类应用于地铁工程时不够明确。尤其是对浸水可能性的判断，规范主要以多层建筑地基持力层范围内的黄土，或者说距地表10 m以内的浅部黄土为浸水对象(高层桩基穿透深部黄土)，重点讨论供水、雨污水管道的渗漏影响；然而对于城市轨道交通工程，重点关注结构底板以下的浸水可能性，深度距地表在20 m左右，浸水外部环境完全不一致。

2)“自重湿陷性黄土场地”或“非自重湿陷性黄土场地”应用于地铁工程地基处理问题判断时意义不大。地铁工程相对于地层初始应力状态无附加应力存在，地基处理时重点考虑结构底板以下的湿陷特性，与结构底板是否发生关系是处理与否最直接的判断标准。

3)测定湿陷系数的试验压力不能反映地铁工程的实际特征。规范以工民建浅基础(自地面以下1.5 m算起)为前提，规定基底下10 m以内的土层应用200 kPa，10 m以下应用其上覆土的饱和自重压力，地铁工程主体结构底板深度一般在15～25 m，且处于卸荷状态，测定湿陷系数时湿陷压力明显大于实际压力。

4)规范规定地基湿陷量的计算值小于或等于50 mm时，可按一般地区的规定设计。此规定能否满足地铁工程的变形要求，还有待于进一步研究。

由于GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》在地铁工程中的实用性并不明确，需要根据地铁工程的自身特点，分析研究地铁工程基底的受力条件以及环境变化可能性，提出地铁工程基底湿陷可能性判断原则与方法，对西安地铁临潼线的湿陷可能性进行判断，进而提出处理措施。

1工程概况

临潼线土建设计2标包括： 田王站、洪庆站、田王站—洪庆站区间(以下简称田洪区间)和洪庆站—紫霞三路站区间(以下简称洪紫区间)，见图1。

图1　路线示意图

场地地貌单元为塬前洪积台地和洪庆河洪积扇，地下水位线距地面约41 m，均位于结构基础以下，见图2。场地为自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅳ(很严重)，局部区域为Ⅱ级(中等)或Ⅲ级(严重)，湿陷性土层层底深度10.0～31.3 m，地层岩土参数见表1，湿陷特征值见表2。

图2　典型地质剖面图(单位： m)

地层天然重度/(kN/m3)变形模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)新近堆积黄土16.660.33019.5新黄土15.780.33020.0老黄土16.4100.33620.0古土壤17.8100.33820.0粉质黏土18.8200.34020.0

表2　湿陷特征值表

2地铁穿越湿陷性黄土区地基处理原则

依据黄土力学基本知识、规范的核心思想和地铁工程的实际特点判断，见图3。

图3　湿陷性黄土地基处理判断流程图

结合国内有关城市的地铁工程保护标准，建议适当下卧一定量的湿陷性黄土，并分级提出处理措施。当通过湿陷系数校正后，计算剩余湿陷量小于20 mm，可不处理；当底板下计算剩余湿陷量大于20 mm，小于100 mm，且湿陷厚度在10 m以内，应采取地基处理；当底板下计算剩余湿陷量大于100 mm，且湿陷厚度大于10 m时，应考虑调线调坡措施[7]。因此，西安地区地铁工程工后容许沉降控制标准为20 mm。

3临潼线2标段处理与否评判

1)田王站。车站主体结构埋深约26 m，大于湿限性黄土地层深度(约24 m)，所以主体结构底板下无湿陷性土层，不考虑地基处理。

2)田洪区间。基底实际湿陷量为120 mm，大于20 mm，需要进行处理。

3)洪庆站。基底湿陷性土层厚度约5.5 m，基底实际压力为290 kPa，相对应的湿陷起始压力为230 kPa，基底实际压力大于湿陷起始压力，需处理。

4)洪紫区间。结构地下湿陷性土层厚度为4.52～0 m，基底实际压力为425 kPa，相对应的湿陷起始压力为301 kPa，基底实际压力大于湿陷起始压力，需处理。

4地铁车站湿陷性地基处理方法选择与处理措施研究

4.1处理方法综合性选择

根据处理方法的适用性和地铁车站明挖施工的特点，可根据以下原则选取处理方法。

1)当地铁车站底板以下湿陷性黄土层厚度小于2 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。选择2 m作为界限的理由如下： 通常条件下灰土垫层方法处理深度为1～3 m；但是，地铁车站通常为深基坑，周围围护桩的嵌入深度有一定的要求，为了保证原围护桩有一定嵌入深度，不能过深的在地下挖土层；另外，厚度过大的湿陷性土层利用灰土垫层方法来处理也不经济。

2)当地铁车站底板以下湿陷性土层厚度大于2 m时，宜采用桩基础法进行处理。对于大于15 m的湿陷性土层，通常仅有深层搅拌桩法和桩基础法可用，而深层搅拌桩法主要用于处理含水量较高、湿陷性较弱的黄土，对于含水量不太高的地铁车站采用桩基础法是可行的。

4.2典型地段处理措施数值仿真分析

4.2.1分析模型的建立

地铁车站底板约有5 m厚的湿陷性黄土，根据提出的处理方案选择原则，采用桩基础法进行处理。

4.2.2分析区域

1)取车站底板最低处以下60 m，向上取原始地面；

2)水平方向上左右分别取3倍车站范围。

4.2.3模拟单元选择

4.2.3.1土体单元

土体采用平面8结点四边形单元(CPE8R)和平面6结点三角形单元(CPE6M)。平面8结点四边形单元用于形状规则、容易剖分的区域；平面6结点三角形单元对于严格受地形控制的体形在单元剖分上有很好的适应性，可以避免单元剖分质量不好影响到分析计算的精度。这2种单元均为二次单元，计算分析结果的精度高。

4.2.3.2钢筋混凝土、桩等结构单元

在三维分析模型和二维分析模型中，锚杆均用梁单元进行模拟，ABAQUS中提供了三维梁单元(B32)和二维梁单元(B22)等。ABAQUS中的梁单元还能对截面形状进行设置，包括常用的矩形和圆形截面[8]。

4.2.4荷载施加与模拟

分析时采用自重应力场，地应力的施加方式采用体积力的赋值方法。竖直地应力根据岩体的容重与上覆岩体的深度，程序自动进行每个单元的计算赋值。

施工期的开挖卸荷通过释放开挖区土体的初始地应力，并用等效结点荷载的方法转移到开挖边界上。

施工期荷载为初始地应力+开挖地应力释放荷载[9]。

4.2.5分析方案

由于本分析主要是对比分析处理后的效果，所以在分析方案上主要拟定了2个方案，方案1为不进行处理方案，方案2为根据建议的处理方法拟定的处理方案。

4.2.5.1方案1： 不处理方案

此方案模拟地铁车站围护桩施作、车站基坑开挖、主体混凝土结构施作以及最后湿陷性黄土层完全浸水等过程，主要分析湿陷性黄土层完全浸水后的湿陷变形。

4.2.5.2方案2： 处理方案

此方案模拟地铁车站围护桩施作、车站基坑开挖、主体混凝土结构施作、地基加固处理以及最后湿陷性黄土层完全浸水等过程，主要分析主体结构地基处理后湿陷性黄土层完全浸水后的湿陷变形，并与不处理方案进行对比。

处理的具体方案如下： 地基处理采用φ450@900的C15素混凝土桩，正三角形布置，深入非湿陷性土层1 m。

4.2.6不处理完全湿陷情况湿陷变形分析

不处理方案车站周围土体湿陷位移场见图4，沉降位移见表3。

图4　方案1车站完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位： m)

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

表3不处理方案下车站地基位移特征点沉降位移表

Table 3Displacement of Metro station foundation without treatment

mm

注： 其中A、C为底部两侧点，B点为底部中点。

从表3可以看出，在不处理条件下，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为39.8、37.4、39.7 mm。

4.2.7经处理后完全湿陷情况湿陷变形分析

处理方案车站周围土体湿陷位移场见图5，沉降位移见表4。

图5　方案2车站完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位： m)

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

表4　经处理方案下车站地基位移特征点沉降位移表

从表4可以看出，按照拟定的方案处理后，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为15.6、12.7、15.4 mm。经拟定的方案处理后，满足了后期变形控制要求。

4.3小结

1)当地铁车站底板以下湿陷性黄土层厚度小于2 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。

2)当地铁车站底板以下湿陷性黄土层厚度大于2 m时，宜采用桩基础法进行处理。

3)对于以洪庆站为典型的地铁车站，在不处理条件下，底板湿陷沉降约为40 mm，而经φ450@900的C15素混凝土桩正三角形布置、深入非湿陷性土层1 m的方案处理后，车站底板湿陷沉降不超过16 mm，该处理方案可以满足要求。

5暗挖隧道湿陷性地基处理方法选择与处理措施研究

5.1黄土湿限性地层处理方法选择

根据已有的工程经验与实践，暗挖隧道底板以下的处理方法选择原则如下：

1)当暗挖隧道底板以下湿陷性黄土层厚度小于1 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。

2)当暗挖隧道底板以下湿陷性黄土层厚度大于1 m时，宜采用微型桩法进行处理，微型桩嵌入非湿陷性土层1 m。

5.2处理措施数值仿真分析

地基处理采用φ300@750钢筋混凝土微型桩，正三角形布置，深入非湿陷性土层1.0 m。

5.2.1不处理完全湿陷情况湿陷变形分析

不处理方案暗挖隧道周围土体湿陷位移场见图6，沉降位移见表5。

图6方案1暗挖隧道完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位： m)

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

从表5可以看出，在不处理条件下，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为98.6、98.3、98.6 mm。

5.2.2经处理后完全湿陷情况湿陷变形分析

处理方案暗挖隧道周围土体湿陷位移场见图7，沉降位移见表6。

从表6可以看出，按照拟定的方案处理后，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为16.3、15.5、15.9 mm。经拟定的方案处理后，满足了后期变形控制要求。

表5　不处理方案下暗挖隧道地基位移特征点沉降位移表

图7方案2暗挖隧道完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位: m)

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

表6　经处理方案下暗挖隧道地基位移特征点沉降位移表

5.3小结

1)当暗挖隧道底板以下湿陷性黄土层厚度小于1 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。

2)当暗挖隧道底板以下湿陷性黄土层厚度大于1 m时，宜采用微型桩法进行处理，微型桩嵌入非湿陷性土层1 m。

3)对于以田洪区间为典型的矿山法暗挖隧道，在不处理条件下，区间隧道底板湿陷沉降约为100 mm，经φ300@750钢筋混凝土微型桩正三角形布置、深入非湿陷性土层1 m方案处理后，矿山法暗挖隧道底板湿陷沉降不超过17 mm，该处理方案可以满足要求[10]。

6盾构隧道湿陷性地基处理方法选择与处理措施研究

6.1盾构隧道处理方法综合性选择

由于盾构隧道施工方法的特殊性，盾构隧道地基处理方法的可选择性极小，从目前情况来看，仅有注浆法可以选择。

注浆法的具体处理方案为采用水玻璃浆液进行注浆，可将湿陷性土的变形模量以及强度提高20%～30%，注浆范围为隧道底板正下方深入非湿陷性土层1 m。

6.2分析方案

具体的处理方案如下： 在隧道正下方进行水玻璃注浆，注浆深入非湿陷性土层1 m。

6.2.1不处理完全湿陷情况湿陷变形分析

不处理方案盾构隧道周围土体湿陷位移场见图8，沉降位移见表7。

图8方案1盾构隧道完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位： m)

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

表7不处理方案下盾构隧道地基位移特征点沉降位移表

Fig. 7Displacement of shield tunnel foundation without treatment

mm

从表7可以看出，在不处理条件下，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为120.6、120.2、120.6 mm。

6.2.2经处理后完全湿陷情况湿陷变形分析

处理方案盾构隧道周围土体湿陷位移场见图9，沉降位移见表8。

图9方案2盾构隧道完全浸水后周围土体湿陷位移场(单位： m)

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

表8经处理方案下盾构隧道地基位移特征点沉降位移表

Table 8Displacement of shield tunnel foundation after treating

mm

从表8可以看出，按照拟定的方案处理后，地基位移特征点A、B、C的湿陷沉降位移分别为18.4、18.0、18.4 mm。经拟定的方案处理后，满足了后期变形控制要求。

6.3小结

1)对于盾构隧道，建议采用注浆法进行处理。处理方案为采用水玻璃浆液进行注浆，可将湿陷性土的变形模量以及强度提高20%～30%，注浆范围为隧道底板正下方深入非湿陷性土层1 m。

2)对于盾构隧道，在不处理条件下，区间隧道底板湿陷沉降约为120 mm，而采用注浆法处理后，隧道底板湿陷沉降不超过19 mm，该处理方案可以满足要求。

7结论与建议

7.1结论

1)西安地铁工程自重湿限性黄土场地如果严格按照GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》进行处理，处理量巨大，因此，结合地铁工程的特性进行处理措施优化研究非常必要。

2)地铁穿越湿陷性黄土区地基处理原则如下：

①在民建地基中，地基土所受应力大于原自重应力，而在地铁工程地基中，地基土所受应力小于原自重应力。

②提出了地铁工程湿陷性黄土地基处理与否的判断方法。

③提出了西安湿陷性黄土地区地铁工程工后容许沉降控制标准。

3)地铁车站地基处理方法研究如下：

①当车站底板以下湿陷性黄土层厚度小于2 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。

②当车站底板以下湿陷性黄土层厚度大于2 m时，宜采用桩基础法处理。

③对于以洪庆站为典型的地铁车站，在不处理条件下，地铁车站底板湿陷沉降约为40 mm，而经φ450@900的C15素混凝土桩正三角形布置、深入非湿陷性土层1 m的方案处理后，车站底板湿陷沉降不超过16 mm，该处理方案可以满足要求。

4)暗挖隧道地基处理方法研究如下：

①当隧道底板以下湿陷性黄土层厚度小于1 m时，宜采用灰土垫层方法进行换填处理。

②当隧道底板以下湿陷性黄土层厚度大于1 m时，宜采用微型桩法处理，微型桩嵌入非湿陷性土层1 m。

③对于以田洪区间为典型的暗挖隧道，在不处理条件下，底板湿陷沉降约为100 mm，而经φ300@750钢筋混凝土微型桩正三角形布置、深入非湿陷性土层1 m方案处理后，隧道底板湿陷沉降不超过17 mm，该处理方案可以满足要求[11]。

5)盾构隧道地基处理方法研究如下：

①建议采用注浆法进行处理，可将湿陷性土的变形模量以及强度提高20%～30%，注浆的范围为隧道底板正下方深入非湿陷性土层1 m。

②在不处理条件下，底板湿陷沉降约为120 mm，而采用注浆法处理后，隧道底板湿陷沉降不超过19 mm，该处理方案可以满足要求。

7.2建议

1)湿陷沉降发生的条件主要有2个方面： ①大于起始压力的应力状态；②地下水或地表水的入渗。对于修建完成的工程，其应力状态可改变性较小，所以要特别注意防水措施的采用，尤其是地铁车站等明挖法修建的地铁工程。大量实践表明，湿陷性土层只有在长期入渗后才会发生大面积湿陷，所以要注意地铁工程隧道沿线地下水、管线渗漏和大面积地表水体的出现，尽可能采取措施防止此类现象发生。

2)采用换填法处理时，应当注意在换填下挖过程中隧洞或临时基坑的稳定性，采用快挖、快填、分部挖填原则。

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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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)03-0257-07

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

作者简介：罗章波(1969—)，男，湖南岳阳人，1993年毕业于西南交通大学，地下工程与隧道工程专业，本科，教授级高级工程师，主要从事隧道及地下工程设计工作。E-mail： luozhangbo@t5y.cn。

收稿日期：2015-08-03; 修回日期: 2015-10-08