黃土地區(qū)某地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析與探討

邵國(guó)鑫

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037）

1 引言

黃土地區(qū)土層的固結(jié)、飽和等性質(zhì)都會(huì)對(duì)地鐵區(qū)間隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同影響。在黃土地區(qū)建設(shè)地鐵區(qū)間隧道需要考慮多種參數(shù)的取值及相應(yīng)的計(jì)算模式，通過深入的現(xiàn)場(chǎng)勘察、分析充分明確隧道設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題，避免影響地鐵現(xiàn)場(chǎng)施工及后續(xù)運(yùn)營(yíng)安全。

2 黃土隧道的自穩(wěn)性分析

2.1 飽和與固結(jié)特性的影響

黃土土層的飽和特性與土層初始的含水率有直接關(guān)聯(lián)，還會(huì)對(duì)不飽和黃土的基質(zhì)吸力產(chǎn)生影響。結(jié)合不飽和黃土土層的水特征曲線來(lái)說，黃土土層的含水率減少較慢，但產(chǎn)生的基質(zhì)吸力非常大，所以，在進(jìn)行黃土隧道施工前要注意開展合理的降水工作。而隨著土層孔隙體積的不斷縮小，各處的超靜孔壓力會(huì)逐步消散，應(yīng)力會(huì)提升，黃土土層的平均固結(jié)度會(huì)隨時(shí)間的延緩而增加，土層相關(guān)黏聚力、壓縮模量等參數(shù)都會(huì)不斷增加，進(jìn)而影響黃土地區(qū)隧道的整體穩(wěn)定性[1]。

2.2 水敏性的影響

由于黃土遇水后會(huì)出現(xiàn)崩解，體現(xiàn)出一定程度的水敏特性，如濕陷性、弱膨脹性等。這都與黃土土層符合水溶性質(zhì)鹽類及自身的高粉粒性有關(guān)聯(lián)，加之黃土土層內(nèi)部存在大孔性結(jié)構(gòu)，隨著水和壓力的不斷侵入，黃土隧道在實(shí)際運(yùn)營(yíng)使用期間經(jīng)常存在防排水措施失效、隧道襯砌劣化等方面的問題，由于隧道圍巖當(dāng)中出現(xiàn)了新的滲流路徑，會(huì)造成黃土土層出現(xiàn)不同類型的濕陷問題，嚴(yán)重者會(huì)對(duì)隧道襯砌產(chǎn)生破壞，特別是部分淺埋的黃土隧道，若不能有效處理，降低水敏性影響，很容易造成地表裂縫、隧道冒頂?shù)阮愋偷氖鹿拾l(fā)生。

2.3 可灌性與降排水性的影響

黃土土層的滲透性較差，可灌性相較于滲透性更差，因此，必須采用劈裂灌漿的方法進(jìn)行處理。處理過程中要確保漿液能夠速凝且時(shí)間可控，最終的結(jié)石率要高，早期的強(qiáng)度要大。實(shí)際處理過程中，注漿壓力要能夠克服黃土土層的初始應(yīng)力，保證抗拉強(qiáng)度滿足隧道使用要求，并且能夠在土體當(dāng)中凝結(jié)成完整的漿脈，或者采用加筋復(fù)合體降低土體含水率來(lái)提升黃土土層的力學(xué)特性和整體強(qiáng)度，為后續(xù)隧道開挖、支護(hù)等工作打下良好的基礎(chǔ)[2]。

3 黃土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)概況

某城市地鐵出入線區(qū)間隧道見圖1，接軌區(qū)間位于某車站南側(cè)，以250m 半徑向東接入場(chǎng)段。周邊控制因素：區(qū)間側(cè)穿橋樁、穿越廢棄防空洞、上跨已建成地鐵線出入線區(qū)間、跨越f10/f13/臨潼長(zhǎng)安斷裂帶等，設(shè)計(jì)難度較大。區(qū)間采用礦山法暗挖和明挖法進(jìn)行施工，明挖區(qū)間隧道穿越斷裂帶采取加強(qiáng)措施見圖2，礦山法暗挖區(qū)間隧道穿越地裂縫采取加強(qiáng)措施見圖3、圖4。

圖1 某地鐵區(qū)間隧道平面示意圖

隧道埋深范圍內(nèi)由上至下依次為素填土、新黃土（水上）、古土壤（水上）、老黃土（水上）及古土壤與老黃土互層（見圖2）?？辈炱陂g，穩(wěn)定地下水位高程低于隧道底板約23m，可不考慮地下水對(duì)擬建工程的影響。本場(chǎng)地新黃土、老黃土具有濕陷性，場(chǎng)地濕陷類型為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)Ⅱ～Ⅲ級(jí)。根據(jù)地勘資料，濕陷性土層下限深度約為20m，局部位于隧道底板下15m。對(duì)于隧道底板下濕陷性黃土采用微型樁進(jìn)行濕陷性處理。

圖2 明挖區(qū)間橫剖面圖（斷裂帶設(shè)防段）

圖3 暗挖標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖（地裂縫設(shè)防段）

圖4 單洞雙線暗挖區(qū)間橫剖面圖（地裂縫設(shè)防段）

圖5 某地鐵區(qū)間隧道地質(zhì)剖面圖

根據(jù)礦山法隧道設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1），建立相應(yīng)模型模擬現(xiàn)場(chǎng)狀況，進(jìn)行設(shè)計(jì)問題的分析、研究，以便了解黃土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)過程中可能存在的問題和重難點(diǎn)。

表1 礦山法隧道設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 確定側(cè)壓力系數(shù)

黃土隧道設(shè)計(jì)過程中，側(cè)向土壓力系數(shù)對(duì)于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)影響較大，由于其確立的難度較大，需要借助多方條件進(jìn)行處理。黃土地層中圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)按自重場(chǎng)考慮其中豎向、水平向應(yīng)力，對(duì)于比較完整的彈性體可根據(jù)彈性力學(xué)理論推導(dǎo)獲取側(cè)壓力系數(shù)；對(duì)于完全散粒體如砂土層，正常固結(jié)無(wú)黏性土層側(cè)壓力系數(shù)取值可按土力學(xué)理論取值?；蛘咄ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)確定黃土隧道側(cè)壓力系數(shù)，通過地鐵原狀黃土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)得出黃土體靜止側(cè)壓力系數(shù)的范圍。

3.3 確定變形楔量

黃土隧道開挖過程中會(huì)造成地層出現(xiàn)移位，相應(yīng)的加卸載和應(yīng)力路徑等都是比較復(fù)雜的工程問題。所以，在分析黃土隧道圍巖形變時(shí)，相應(yīng)的形變參數(shù)選擇需要確定更為合理的前提條件。當(dāng)前，在黃土隧道設(shè)計(jì)過程中，部分設(shè)計(jì)人員進(jìn)行數(shù)值分析、計(jì)算時(shí)，需要將形變、壓縮、彈性3 方模量進(jìn)行區(qū)分，這3 部分的數(shù)據(jù)很多時(shí)候可能存在數(shù)倍的差異。而隨著黃土隧道的開挖，內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)逐步釋放出來(lái)，黃土土層內(nèi)部應(yīng)力逐漸卸載后，就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況進(jìn)行模擬、分析，從而獲取黃土隧道施工過程中周圍的真實(shí)受力狀況，經(jīng)過多次分析后可以選擇最接近現(xiàn)場(chǎng)狀況的形變模量、彈性模量、壓縮模量相關(guān)的各類數(shù)據(jù)參數(shù)[3]。

3.4 土層抗拉強(qiáng)度

在黃土隧道工程建設(shè)期間，多認(rèn)為黃土抗拉強(qiáng)度對(duì)隧道工程穩(wěn)定性影響較小，在設(shè)計(jì)過程中考慮不多，但在黃土地區(qū)進(jìn)行地鐵隧道施工過程中總需要考慮地表沉降問題，而這部分需要利用黃土抗拉強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行約束。對(duì)于地鐵工程中可以使用Peck 公式預(yù)測(cè)地表的橫向沉降問題。若最大沉降值相同，利用公式計(jì)算出的沉降槽結(jié)構(gòu)會(huì)較小，而采用彈塑性非線性有限元（FEM）計(jì)算時(shí)需要考慮黃土土層抗拉強(qiáng)度數(shù)值，所獲取的沉降槽寬度與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同，所以，對(duì)于不飽和黃土隧道來(lái)說，開挖會(huì)造成地表沉降，而沉降量和影響范圍需要考慮黃土的抗拉強(qiáng)度才能更好地確定，因此，針對(duì)不飽和的原狀黃土土層來(lái)說，進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)在確保工程整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，必須充分考慮黃土土層抗拉強(qiáng)度及土層黏聚力的狀況。

3.5 隧道圍巖壓力

使用載荷結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定較為合理的圍巖壓力。對(duì)于這種形變壓力一般可以采用彈性理論或有限元法進(jìn)行分析、計(jì)算，而松動(dòng)性的壓力計(jì)算可以使用太沙基理論、普氏理論等系統(tǒng)進(jìn)行確定。但無(wú)論哪種計(jì)算方法，必須確定基本的使用范圍，并明確黃土隧道的深淺埋情況，考慮各種因素的影響，提出能夠綜合考慮洞型、圍巖類型、工藝方法影響的方式進(jìn)行圍巖形變壓力計(jì)算，努力減少黃土隧道設(shè)計(jì)過程中可能存在的誤差問題。

在黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，可以考慮基于連續(xù)介質(zhì)理論條件下的彈塑性非線性有限元（FEM）記性分析，了解深埋條件下圍巖狀況較好的隧道，通過模擬圍巖與襯砌變形狀況，了解結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性及支護(hù)破壞過程，但對(duì)于低地應(yīng)力區(qū)淺埋的松散圍巖體卻有明顯的局限性[4]。

3.6 圍巖與襯砌間的作用

黃土隧道的載荷模型一般使用單位彈性抗力系數(shù)來(lái)核算圍巖與襯砌之間的相互作用，并借此分析出對(duì)外部載荷的分?jǐn)偳闆r。在黃土隧道設(shè)計(jì)工作中，一般不考慮單位彈性抗力系數(shù)。在工程建設(shè)期間，圍巖與襯砌之間的作用狀況與圍巖條件、襯砌支護(hù)狀況、圍巖與襯砌接觸情況存在較大關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)過程中需要加以關(guān)注，以便能夠獲取一個(gè)“概念化”的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

4 結(jié)語(yǔ)

黃土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)前，需要對(duì)隧道擬建設(shè)區(qū)域的交通、氣象、水文、地質(zhì)等條件進(jìn)行充分調(diào)查，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)原理及方法，合理選擇隧道支護(hù)體系，針對(duì)斷裂帶和地裂縫采取有效的處理措施確保結(jié)構(gòu)安全，最終滿足內(nèi)實(shí)外美、科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)，確保黃土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。