地铁穿越湿陷性黄土地层浸水破坏机制试验

张晓光，余航飞，高 强，王 登，李梦瑶

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 广东 广州 510010；2.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

随着地下空间的不断开发，地铁成为城市交通的重要干线。陕西黄土分布广泛，西安已建成的两条地铁线有不少区间位于湿陷性黄土地区，而黄土常常具有浸水湿陷特性，探明湿陷性对地铁隧道结构的影响对运营安全有重要意义[1]，另外合理确定湿陷地基处理深度对地铁隧道建设也具有指导意义[2-3]。土工离心试验技术广泛应用于岩土工程各项领域，离心试验系统能够通过调节加速度再现地铁隧道所处的不同应力场[4]，但由于离心系统多按常规试验条件进行设计，未考虑地基浸水等特殊工况，因此无法模拟离心场浸水湿陷对隧道结构的影响[5]。目前为了模拟浸水影响，常常采用停机浸水的方式，但停机浸水与离心机运行时浸水明显不同，水分迁移规律存在差异，并且停机浸水法存在一些不可控性，如水量大小，浸水方式等均存在盲目性。为了满足浸水模拟条件，需要对离心系统进行功能开发，基于离心试验系统研制一种新型浸水装置对试验结果可靠性具有重要意义。

为满足试验需要，许多研究人员对离心系统进行了不同程度以及不同形式的开发，如詹良通等[6]自行研发了一种新型的离心机机载降雨模拟装置，通过调整电磁阀和调压设备模拟了不同的降雨强度条件下非饱和粉土边坡的失稳破坏；潘皇宋等[7]通过改进离心试验技术，探究了滑面为折线型的大型滑坡稳定性分别受开挖和降雨两类工况的影响，剖析两种情况下大型滑坡变形破坏的失稳模式及特征；杨文琦等[8]分析探讨在不同降雨历时和降雨强度下,不同的膨胀土边坡裂隙的分布位置和深度、膨胀力的大小等对边坡的变形破坏过程及稳定安全系数变化的影响规律；钱纪芸[9-10]利用非接触位移测量系统，得出了监测边坡的位移场在降雨环境下的变化情况；中科院田海等[11]采用新型介质雾化喷嘴离心场降雨模拟设备，对松散堆积体边坡进行了离心模型试验，对比了在模拟降雨及格栅支护措施条件下的不同工况；程永辉等[12]通过典型膨胀土边坡在降雨条件下的离心模型实验，实现了对边坡失稳破坏的全过程模拟，揭示了膨胀土边坡在降雨条件下的失稳破坏机理；周健等[13]利用自主研制的离心机可视化装置，在保持坡度和降雨强度不变的条件下开展了降雨诱发泥石流离心模型试验，在不同颗粒组分下泥石流的形成机理进行了研究，对水分迁移、孔隙水压力，宏观位移场进行了分析；柳旻等[14]对湿陷性砂土进行强夯处理，基本可以消除湿陷性。

可以看出，目前对离心试验系统的研发多为了满足边坡降雨模拟，而针对地铁隧道地基浸水装置的研究并不多见，即目前只能实现地面降水模拟，尚未实现对地下渗水的成熟的模拟装置，对地下结构和地上结构的湿陷性产生条件以及评价机制等方面相差甚远[15]，现有的地面降水模拟装置无法满足隧道地基不同浸水工况的模拟，因此，基于离心试验系统研究黄土在不同渗水条件下的湿陷产生条件和评价机制、隧道结构对变形破坏的适应能力以及与隧道周围土体间的相互作用机理等十分必要。基于此，为满足湿陷模拟要求，在长安大学离心试验系统基础上升级了离心场浸水装置和量测系统，利用升级的试验系统进行了在不同浸水工况的条件下对地铁隧道影响的离心试验，试验数据可指导实际黄土地层的地铁设计和建设工作。

1 离心试验浸水系统

1.1 离心设备与量测系统

试验所用离心机为长安大学土工试验离心机(TLJ-3)，该设备的有效半径为1.5 m，最大容量为60 g·t，最大加速度为200g，两个大小不同的模型箱尺寸分别为700 mm×360 mm×500 mm和500 mm×360 mm×400 mm。通过利用摄像机和传感器组等主要设备，对试验数据进行实时量测及图像采集，传感器组主要包含土压力盒，位移传感器，应变片等。本次试验主要采用传感器量测系统进行数据采集。

1.2 地基浸水系统

借助长安大学土工离心试验平台进行了离心场浸水系统的研发，本系统主要包括输水系统和分散系统两个子系统。其中，输水系统用于储水和输水，分散系统用于确保地基土体中的水分均匀扩散，从而使土体实现均匀饱和状态。该系统的浸水开关可通过操作电磁阀实现远程控制，不同的浸水深度和浸水点位置可通过浸水探头进行调整设置，停机浸水的盲目性在该系统中得到一定程度的降低，并且不同浸水点浸水量的精准度得到了大幅提高。图1为浸水系统设计，储水箱、输水管、电磁阀、直通龙头等部件并行组成输水系统，其中储水箱箱体由3 mm不锈钢板制成，可在离心机转臂进行固定；分散系统包括浸水控制水箱和浸水探头，为了使土体浸水达到均匀饱和状态，将浸水控制水箱划分为四部分，形成独立的四个隔间，且各隔间内部的输水管直径和长度完全相同，输水管由电磁阀自动控制，连接储水箱与浸水控制水箱。浸水探头直径1 cm，通过直通接头安装于浸水控制水箱下部，实验中可进行浸水探头长度的调节，以适应不同的实验工况。浸水孔设置在浸水探头下端的四个方向。

图1 浸水系统设计图

1.3 浸水控制

原状黄土达到饱和湿陷状态时，其饱和度要不小于85%，所以在试验前可根据模型土样用量计算求得所需储备水量，但是实际储水量应按照计算水量的110%添加，这样可以确保土体全部饱和湿陷。完成试验模型箱的安装后，运行离心机使之逐渐达到所需要的加速度并稳定1 min，然后可通过操作电磁阀来实现对浸水过程的远程控制，在离心力作用下，土体中水分逐渐发生迁移，直至黄土层完全湿陷。试验采用自主研发的离心机浸水系统，远程遥控离心机运行时的地基浸水工况，并通过预先计算用水量更加精确地控制了不同工况下的土层浸水程度。

1.4 浸水效果验证

理论上，研发的离心场浸水系统可模拟隧道地基周边浸水、全幅浸水及半幅浸水等工况。但是由于该装置是初次使用，需要设计几组基础实验来验证本装置的合理性。验证试验所用土体选择重塑黄土，土层初始含水率和孔隙比分别为16.7%、1.16%，黄土层厚度取25 cm。设计浸水试验共计两组(如图2所示)，第一组试验在黄土层的中心位置布置浸水探头，土层状态为半幅不均匀浸水；第二组试验在黄土层上表面布置浸水探头，使黄土层可以达到全幅均匀浸水状态。试验用水量按照1.3节所述计算规则添加，含水率测点均已在模型中布置，但由于目前土壤分析仪器体积较大所占空间较多，在离心模型箱中很难应用，所以当离心机的进水运行完成后，关闭机器，取出部分测点处的土，对其含水率进行检测。

图2 浸水测点布置图

图3(a)在土层中心可看到有浸水探头，处于半幅浸水状态时，浸水效果良好的地方是浸水探头下方的位置，含水率达到了34%，浸水效果在左右水平方向上减弱趋势比较明显，模型箱边缘L5测点9，其含水率为27.1%，而且位于浸水探头上方测线处的土体，其含水率普遍较低，浸水效果并未达预期，L1和L2测线位于测点的上方，此两处含水率仅为21.7%和19.6%，这种情况的原因可能是当水份向上方迁移时受到离心力的阻碍作用，这也说明了水分离心场的迁移并非简单的空间扩散，其迁移方向以向离心力方向为主。因此，对于浸水探头下方的土体，均满足在半幅浸水工况下的浸水湿陷要求。图3(b)显示浸水探头下方的土层，在全幅浸水时的含水率曲线整体表现为M型，左右浸水点的含水率达到了最高值，分别为34.1%以及33.9%，浸水效果随着距浸水探头水平距离的在增加表现出减弱趋势，在竖直方向上也有相同的规律，L5测点的含水率达到了27.1%和27.3%，测点5位于左、右浸水探头中间，含水率达到了29.5%，隧道模型受到边缘浸水的影响并不明显，所以认为全幅浸水效果也可满足要求。

图3 浸水试验结果

2 地铁隧道浸水离心试验

2.1 模型材料

运用研制的离心场浸水装置开展地铁隧道地基不同浸水工况的试验，本次试验土样取自西安地铁临潼线洪庄站附近，自重湿陷性黄土场地浅基础地基的湿陷等级为IV级，本次试验的取样层底深度为14.7 m～22.5 m，且为老黄土，平均自重湿陷系数为0.045。本次试验的湿陷性黄土层选取原状土，在保证其天然含水率和结构性的前提下，将其加工成符合试验尺寸的模型土块，表1为土体基本力学参数。

表1 土体物理力学参数

基于地铁隧道基地黄土，不同浸水湿陷工况对隧道结构受力变形的影响是本次试验研究的重点，并且为了排除隧道施工过程的影响，使用有机玻璃管作为隧道模型材料且一次加工成型，模型材料的弹性模量E=6 GPa，泊松比μ=0.3，该模型管径拟为100 mm，管壁厚度为10 mm。采用在原状土层中凿空暗挖通道的方法，将隧道模型推入土体实现对湿陷性工况的模拟，并且使用细沙吹填的方法密实隧道模型与原状黄体土层之间产生的缝隙[16]。

2.2 相似准则

本次试验所使用的模型箱尺寸(横×纵×高)为700 mm×360 mm×500 mm，设置模型试验相似比例N=60，如表2所示，根据相似理论[17]制定出离心试验的相似法则，根据抗弯刚度等效原则[18]，处在横向抗弯的条件下，模型与原型隧道管片厚度的弯矩比尺关系为EmIm=N-3EpIp，式中N为模型比；Em,Im分别为离心模型隧道管片的弹性模量与横截面惯性矩；Ep，Ip分别为原型隧道管片的弹性模量与横截面惯性矩横截面惯性矩的计算式为I=t3/12，式中t表示隧道管片厚度。因此原型厚度为350 mm的混凝土管片盾构隧道与有机玻璃材质隧道模型相当(弹性模量E=30 GPa)。

表2 离心试验相似法则

2.3 模拟工况

本次试验模拟工况包括隧道基底土层半幅非均匀湿陷和全幅均匀湿陷，测试隧道结构在不同工况下弯矩和径向土压力的变化规律。隧道拱顶埋深为15 cm(相当于原型9 m)，以隧道仰拱底板为分割线，上下土层厚度分别为2.5 cm和15 cm，基底黄土层剩余湿陷工况分别为15 cm全湿陷、剩余10 cm湿陷和剩余5 cm湿陷。每种模拟工况下监测断面为隧道模型中间断面，沿该监测断面均匀布设八个土压力测点(其编号为C1—C8)，各土压力测点处使用的量测仪器为通用微型土压力计，测试工况见表3，测试断面和测点布置见图4。

2.4 结果分析

图5为半幅不均匀浸水和全幅均匀浸水两种不同的工况下，不同湿陷地基厚度时隧道周边土压力变化包络线。由图5(a)可看出，半幅不均匀浸水时，整体上隧道左幅土压力增加，右幅减小，这是因为右幅地基浸水后强度降低，而左幅地基保持原有强度不变，荷载作用下，右幅地基承担荷载减小，相应的左幅地基承担荷载增大，拱顶荷载也呈增大趋势，但增幅小于地基位置；剩余地基厚度也对土压力变化有重要影响，剩余湿陷厚度为5 cm时，左幅225°位置土压力增值为7.3 kPa，剩余湿陷厚度为15 cm时，土压力增值达到了31 kPa，剩余湿陷厚度越大，对隧道的湿陷性影响越明显。

表3 测试工况

图4 浸水情况设计

由图5(b)可看出，全幅均匀浸水时，隧道全幅地基强度均降低，承担荷载均有一定幅度减小，左右边墙处土压力增值较大，这是因为地基承载力降低情况下，整体荷载作用下，湿陷地基上层强度较大的地层分担了更多的荷载比例，隧道拱顶处土压力值变化不大，同理还可看出，地基剩余湿陷厚度为5 cm，对土压力变化值影响不大，仅有6 kPa，当地基剩余湿陷厚度为15 cm，土压力减小值达到39.1 kPa。综合图5(a)和图5(b)，地基浸水湿陷导致强度降低，造成隧道结构荷载重分布，且剩余湿陷厚度越大，影响效果越明显，半幅不均匀浸水时应力重分布更加明显，隧道左幅土压力值变化较大，全幅均匀浸水时，地基土压力值均有所减小，但相对均匀，地基剩余湿陷厚度为5 cm时，对隧道的影响较小，有效处理隧道湿陷地基对隧道受力合理性大有益处。

图5 土压力变化

3 结 论

(1) 通过改进离心场试验浸水系统，可以有效地模拟城市轨道交通隧道穿越大厚度湿陷性黄土地层浸水条件下的试验工况。运用所研发的离心场浸水设备，开展了地铁隧道地基全幅均匀湿陷、半幅不均匀湿陷条件下，对于不同剩余地基湿陷量的离心模型试验，为确定合理地基处理厚度提供了依据。

(2) 离心试验结果表明，全幅均匀湿陷和半幅不均匀湿陷均会造成隧道应力重分布，相比全幅均匀湿陷，半幅不均匀湿陷对隧道结构受力产生的不利影响更为严重，半幅湿陷造成的地基不均匀沉降是隧道结构病害的主要诱因之一。