黄土地层浸水对地下综合管廊的影响

常兵

（西安市干道市政建设开发有限责任公司，陕西西安 710077）

0 引言

合理利用城市地下空间是解决城市扩张与土地资源紧张之间矛盾的重要方法，是实现城市立体式发展的重要载体。地下综合管廊是将电力、燃气、通信、给排水等各种工程管线集中在一个地下隧道空间，实现统一设计、建设和维护运行的城市管道综合走廊。随着经济建设的加快，城市地下综合管廊的总长度和现代化程度也在稳步提高，不仅实现了各类城市公共管线的集约式维护和管理，也避免了不同管线单位对城市路面的反复开挖。

我国疆域辽阔，地质结构复杂，不同地质条件进行地下工程作业必须分析土体介质的基本水土特性，确保工程建设和运营的可靠性和安全性。湿陷性黄土主要存在于我国西北地区，在干燥情况下土质坚硬、稳定性好，遇水浸湿后湿陷变形。西安地处渭河流域中部关中盆地，位于黄土高原和秦岭之间，属于湿陷性黄土地区，在地下综合管廊的建设过程中难免会遇到管线穿越湿陷性黄土地层的情况下，容易产生由地基湿陷导致的管廊结构变形甚至塌方[1]。因此，在地下综合管廊的项目评估和规划期间，就应该展开黄土管廊地基湿陷预测以及危害评估。

1 黄土湿陷性分析

黄土由于其特殊的颗粒间架空孔隙造成其在天然低湿度条件下强度较高、抗形变能力较强，但在浸水情况下强度骤降，容易产生大幅度形变，因此导致地下综合管廊由于湿陷性出现工程问题。早期国外学者针对黄土湿陷成因提出的毛管理论[2]、胶体理论、溶盐理论、欠压密理论等都只能对部分现象做出解释，直到电子显微镜等新技术在地质学科投入运用，学术界才对“黄土颗粒间架空孔隙导致湿陷”这一理论达成共识。目前普遍认为，黄土中的颗粒形态、孔隙特征、接合形态和接合材料是决定黄土结构性质的重要因素，黄土湿陷就是由于黄土颗粒间架空孔隙在水分子作用下结构崩塌产生更小孔隙的过程。

非饱和黄土由于其双孔隙结构的特点，其浸水湿陷变形影响因素主要有孔隙比ε、土壤含水率ω、土壤饱和度σ和相对渗透系数k，孔隙比ε是为土颗粒间孔隙和土颗粒内孔隙的比值，土壤饱和度σ为土壤孔隙水体积除以土壤总体积，相对渗透系数k是土体非饱和状态下的渗透系数除以土体饱和状态下的渗透系数。目前对黄土的浸水湿陷性模型仍处于研究阶段，传统研究方向均聚焦于弹塑性理论和损伤理论，这些理论在理论分析和湿陷数值计算等方面都存在较大缺陷。借助SEM（扫描电镜）等技术，通过研究浸水条件下非饱和黄土的渗透特性，根据观测结果，可以得到非饱和黄土在不同压力和含水率条件下的湿陷变型机理。同时为了分析渗透率和孔隙之间关系，需要在现有渗透模型的基础上结合具体孔隙参数解释不同孔隙和不同含水率情况下湿陷性黄土的渗透特性。

此外，基于Olivier等人的多孔介质理论，近些年L.B和B.T.Lai等人提出的土体状态理论建立了孔隙土体由非饱和状态进入饱和状态的数学转换模型，但该模型未考虑气压因素，当土体所处气压环境改变时模型计算得到的土壤排水数据误差较大。同时，这类模型并未考虑孔隙形状对土体渗透特性的影响，忽视了土体中固体、液体和气体之间相互转换的情况，因此仍需要一个能够全面描述非饱和黄土特性的数学模型。

2 非饱和黄土对管廊施工的影响

非饱和黄土地区管廊工程在施工前需要采用模拟实验，通过使用玻璃、塑料等材料模拟管廊衬砌，并利用摄像机、传感器等手段观察土体周边压力矩、浸水深度和地表沉降程度，分析管廊项目施工过程中由于湿陷性黄土遇水造成的工程风险，进而根据分析结果制定管廊工程所处湿陷性黄土区域的黄土控制方法和处置深度，为工程的安全性和可靠性提供支持。

西安已建成或在建的地下综合管廊项目大部分处于黄土地层，部分廊段临近河道，综合管廊项目在建设和运营过程中长期受到地层浸水干扰，土壤含水率、黄土颗粒间孔隙比等水土特性容易受到降雨、河道水量变化、地下水迁移等影响，且地下综合管廊施工改变了水渗流路径和水位，河道裂隙容易在廊体周围富集，导致管廊所在地层浸水改变土壤状态和廊体结构受力、地基强度等参数随时间变化，产生错台、管道结构扭转、衬砌开裂甚至廊体坍塌。现有的《湿陷性黄土地区建筑规范》主要关注点在于地面建筑物和地面基础设施，其针对湿陷性黄土的处置方法并不适用于地下管廊工程的建设，且目前地下综合管廊多采用明挖法，管廊工程导致土体卸载量大于加载量，可能会造成地基受力变形。目前西安地下综合管廊建设尚处在全面建设开始阶段，湿陷性黄土对综合管廊的影响评估尚无一个精确地模型，无法准确计算浸水黄土对工程的危害，因此考虑采用相似模拟实验对西安地下综合管廊建设与维护进行研究。

3 相似模拟实验分析与结论

相似模拟实验是在实验室条件下按照相似原理制造与原物品类似的模型，同时借助仪器仪表等测试手段对模型的状态进行观测和研究，由于基于相似模拟理论的实验结果与虚拟仿真及理论分析相比具有很高的精确度，因而在建筑领域使用十分广泛[3]。根据相似模拟理论，对地下管廊工程进行等比例缩尺，并建立与实际类似的模型，通过调节模型状态参数和环境因素，可以有效分析地下综合管廊施工过程中周围土体环境的非线性变化，避免在管廊工程施工和运行过程中产生不利影响。

以西安常宁新区管廊工程为例，该区段最最浅埋深不足10m，由于管廊埋深较浅，地面雨水汇集以及河道渗水造成湿陷性黄土结构强度降低，地基及围岩承重能力下降，此时管廊侧壁及拱顶受力发生变化，容易产生截面侧切或沉降变形，造成管廊整体结构变形、内部线路遭到破坏。采用相似模拟实验分析方法，设定隧道埋深为35cm（对应实际深度10m）[4]，管廊下部湿陷性黄土厚度为70cm（对应实际深度20m），采用10cm、15cm、20cm、25cm、30cm和35cm六种不同浸水深度，在模型拱璧不同位置安装压力传感器，采用2mm×2mm筛网对黄土过筛，并通过衬砌弯矩和压力分析管廊工程结构稳定性。结果表明，当浸水深度增加时，不仅管廊隧道应力发生改变，围岩承重能力降低，同时管廊底部地基承压也在增加，且地基的强度逐渐减弱，管廊和地基容易出现沉降位移。根据实验结果可以得到，在湿陷性黄土环境修建地下综合管廊应充分考虑可能出现的浸水状况，并采用不同结构件进行结构加固以避免管廊和地基沉降变形。