轨道湿陷性黄土现场浸水试验及处置方案比选研究*

杨润基 ， 卢许佳 ， 高 庆 ， 谭维佳

（1.中国水利水电第七工程局有限公司， 四川 成都611730；2.中铁三局集团有限公司， 四川 成都611730；3.长安大学地质工程与测绘学院， 陕西 西安710054）

0 引言

湿陷性黄土具有大孔隙、 湿陷性等性质， 一旦浸水或增湿时会发生强度骤降和变形突增的特性， 将带来严重安全隐患［1-3］。 因此， 诸多学者对湿陷性黄土的治理进行了研究。 刘明军等［4］采用素土挤密桩的方法处理湿陷性黄土的湿陷性， 通过试验测得数据验证了素土挤密桩可有效提高湿陷性黄土的压缩模量， 降低压缩性， 对消除湿陷性黄土的湿陷性具有显著效果。 许萍等［5］测试分析了不同应力比K 值下黄土增湿孔隙比、 增湿体应变随球应力的变化规律， 定量分析了球应力与湿陷体应变、 剪应力与湿剪应变之间的变化规律。王丽琴等［6］对西安某地深1 m～20 m 内不同深度采取的黄土， 对比分析各深度土层2 cm 试样和8 cm试样的室内湿陷试验的结果。 王雪艳［7］依托某深厚湿陷性黄土地基处理工程， 开展了碎石桩加固地基的系列试验研究。 陈天镭等［8］在兰州市榆中县和平镇38 m ～42 m 厚自重湿陷性黄土场地上做直径20 m 圆形试坑的现场浸水试验， 重点考察了湿陷性黄土的湿陷范围、 湿陷速率变化规律及裂缝发展规律。 史宝东等［9］在兰州东岗某场地上进行的两次相隔四十多年室内试验的基础上， 研究扰动前后湿陷性系数与干密度、 含水率、 孔隙比、饱和度和塑性指数之间的关系。 张延杰等［10］进行2×2群桩基础浸水模型试验， 对桩周土体湿陷变形规律和桩基础荷载传递特征进行分析。 尹今朝等［11］开展土工三轴剪切试验探究干湿循环对黄土强度与裂隙发展规律的影响。 赵兵朝等［12］以神木某矿1206 工作面为研究背景， 对煤层开采湿陷性黄土地表裂缝产生机理和发育规律展开相关研究。王兆辉等［13］针对黄土地区因湿陷而产生的桩侧负摩阻力问题， 设计了油毡包裹和套钢管隔离两种主动减小桩侧负摩阻力的方法。 郭倩怡等［14］应用黄土湿陷机理理论基础分析土体物性指标与黄土湿陷系数相关性及主要影响指标， 分别构建了基于PLS 方法及LogisticCum 函数的黄土湿陷系数预测模型。 黄雪峰等［15］研究螺杆桩消除黄土地基湿陷性的效果， 由于成桩工艺的特殊性， 随着桩侧水平距离的增大干密度逐渐减小， 且桩心距越小挤密效果越明显。

综上所述， 虽然目前我国针对湿陷性黄土地基处理具有多种成熟的技术和经验， 但是很少有轨道基底处于湿陷性黄土中， 且现有工程经验均采用避开原则， 对于无法避开的情况下鲜有经验可借鉴， 且目前相关规范对于轨道线工程湿陷性黄土处理具有一定局限性， 为此本文以太原地铁1号线土建7 标为工程依托， 开展黄土湿陷性浸水现场试验， 借鉴相关工程经验提出合理处置方案，并采用ANSYS 对所选方案进行数值模拟验证， 以期为今后国内类似轨道工程提供参考。

1 工程概况

太原轨道交通1 号线由中国铁建投资集团联合投资建设， 一期工程全线长28.737 千米， 目前21 座车站已全部进场施工， 3 个车站完成主体施工， 计划于2024 年底开通运行。 土建7 标东山黄土台塬区广泛分布湿陷性黄土， 黄土湿陷底界详勘阶段相比初勘阶段深度增加1.5 m ～16 m， 影响车站为迎泽东大街站～中心街东站， 如图1 所示。

图1 太原地铁1 号线土建7 标平面示意图Fig.1 Plane diagram of section 7 of taiyuan metro line 1

2 现场浸水试验与室内试验研究

开展现场浸坑试验与室内土工试验对比， 判定沿线黄土场地的湿陷类型及地基湿陷等级， 分析湿陷起始压力、 剩余湿陷量等， 对勘察提供参考。

2.1 浸水试验基本情况

浸水试验主要观测内容有沉降、 注水量、 含水量以及裂缝发展。 本试验从8 月24 日开始灌水，截止9 月25 日连续注水32 天， 总注水量9469.26 m3，日均注水量为295.91 m3， 最大值出现在第18 天， 注水量达601.51 m3， 试坑内水位保持在35 cm 左右。

2.2 浸水现场试验监测点布置

标点位置如图2 （a） 所示。 深标点埋设剖面图如图2 （b） 所示， 以深标点F1-F5， F ‘1-F’ 5为例， 从最浅的6 m 深度开始， 横向间距为2.6 m，纵向间距为6 m， 最深埋设为30 m。 G1-G5、 G ‘1-G’ 5 最浅为2 m， 最深为26 m； E1-E5、 E ‘1-E’5， 最浅为4 m， 最深为28 m。 浸水试验埋设的传感器包括土压力传感器、 孔隙水压力传感器、 土壤水分传感器， 其埋设剖面图如图2 （c） 所示。

2.3 浸水试验结果分析

2.3.1 浅标点沉降数据处理

通过汇总不同时间浅标点沉降数据， 作出浅标点沉降趋势如图3 所示， 由此可以看出， 随着浸水试验的逐渐进行， 沉降量逐渐增大， 在坑中心位置沉降变化最为明显， 第21 至30 天平均沉降量变化小于1 mm／d； 同时可以看出， 在距离坑中心半径17 m 范围外， 沉降基本不受影响。

图3 浅标点沉降趋势图Fig.3 Settlement trend diagram of shallow punctuation

2.3.2 深标点沉降数据处理

通过汇总不同时间不同位置深标点沉降数据，作出深标点沉降趋势如图4 所示， 由此可以看出，对称位置深标点沉降趋势基本一致， 证明试验合理； 不论是哪一个深标点， 距离坑中心最近的1标点随着时间的推移沉降量变化幅度最大， 也是浅标点趋势分布保持一致， 相互印证。

图4 深标点沉降趋势图Fig.4 Settlement trend diagram of deep punctuation

2.3.3 传感器数据处理

如图5 所示， 根据T0 探井不同深度的土壤温湿度计数据可以确定， 水体下渗的浸润锋线达到5 m、 15 m、 25 m 深度的时间分别为开始灌水后的第3 天、 第13 天、 第15 天。 如图6 所示， 根据不同深度水分计响应时间推测9.8 日即灌水后第15天， T0 探井25 m 周边含水率快速增加， 但和其他探井相比， T0 探井入渗速度为最慢， 其原因是T0探井距离渗水孔最远。

图5 T0 探井不同深度温湿度与孔隙水压数据变化趋势图Fig.5 Variation trend diagram of temperature， humidity and pore water pressure data at different depths in T0 exploration well

图7 裂缝发育特征示意图Fig.7 Schematic diagram of fracture development characteristics

2.3.4 裂缝发展

截止第31 天， 在试坑周边共发育裂缝四条，每条裂缝的宽度及错台的高度都在随着注水量的增加而变大。 试坑周边在第7 天出现了裂缝a， 距试坑边1.3 m， 最宽处已达到9.2 cm， 最高错台达到12.8 cm。 裂缝b 于第11 天出现， 距试坑边为2.5 m， 错台最高6.7 cm， 最宽处7.1 cm。 裂缝c于第13 天出现， 距离试坑边4 m， 最宽处5.5 cm，错台2.8 cm。 裂缝d 第19 天出现， 距试坑边5.2 m， 最宽为4.2 cm， 错台1.4 cm。

2.4 室内试验

2.4.1 测试点位选取

以T3 钻孔为例， 根据地层分布情况， 分别选择深度4、 8、 14、 18、 20、 24 m 原状土样进行自重湿陷实验、 湿陷实验， 每一深度至少同时进行1组3 个平行实验。 自重湿陷量计算值按照公式（1） 进行计算：

其中β0除陇西、 陇东-陕北-晋西、 关中之外的地方取值， 取0.5；δzsi为自重湿陷系数；hi为深度。 可得自重湿陷量计算值ΔZS＝229.5 mm ＞70 mm。由此可见， 场地为自重湿陷性场地。 参考规范， 10 m 以上土层选用实验压力200 kPa， 10 m以下至非湿陷性土层顶部选用上覆饱和自重。 湿陷量计算值按照公式（2） 进行计算：

其中5 m 以上土层α＝1，β＝1.5； 5 m ～10 m土层α＝1，β＝1； 10 m～16 m 土层α＝0.9，β＝0.5。将湿陷系数代入计算， 可得湿陷量计算值ΔS＝536.15 mm。

根据GB50025-2018 《湿陷性黄土地区建筑标准》， 湿陷性黄土地基的湿陷等级， 应根据自重湿陷量计算值或实测值和湿陷量计算值进行判定。本场地按照室内实验数据属于70＜Δzs≤350、 300＜Δs≤700 一档。 因Δs＜600 mm 且Δzs＜300 mm， 故本场地可判定为Ⅱ级中等湿陷场地。 根据室内实验得到的自重湿陷量计算值Δzs＝229.5 mm， 结合目前现场试验沉降数据得到的湿陷量计算值Δs＝344.00 mm ， 判定此场地为Ⅱ级中等湿陷场地。室内实验与现场试验所得结果一致。 根据室内实验结果， 该试验场地深度达到18 m 及更深时， 属于非自重湿陷性黄土。 而拟建南内环东街站的主体结构部分， 层底埋深最深约为21.3 m， 故无剩余湿陷量。

3 湿陷性黄土处理方案设计比选

目前全国建设地铁的城市遇到湿陷性黄土的城市主要有西安、 兰州。 处理原则基本为躲避原则。 目前西安、 兰州的地铁主体底部均避开均通过调线的方式避开湿陷性黄土， 在不可避免情况下可借鉴工程经验不多， 因此本节开展湿陷性黄土处理方案设计比选研究。

3.1 处理方案设计比选

3.1.1 处理方案一

各关键区间第一种湿陷性黄土处置方案如图8所示， 详细分述如下： 朝～南区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理； 南～东区间盾构底板下湿陷性土层厚度超过3 m 的段落采用地表三重管旋喷进行处理， 盾构底板下湿陷性土层厚度小于3 m采用洞内注硅化浆液进行处理， 注浆半径为盾构管片外3 m； 东太堡～长风东街区间盾构底板下湿陷性土层厚度超过3 m 的段落采用地表三重管旋喷进行处理， 盾构底板下湿陷性土层厚度小于3 m采用洞内注硅化浆液进行处理， 注浆半径为盾构管片外3 m， 湿陷性土层分界线在拱腰与底板之间， 注浆半径为盾构管片外2m 局部处理； 长风东街～学府街区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理； 省农科～太原南区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理。

图8 各关键区间第一种湿陷性黄土处置方案Fig.8 The first disposal scheme of collapsible loess in each key section

3.1.2 处理方案二

东太堡～长风东街区间盾构底板下湿陷性土层厚度超过3 m 的段落采用地表三重管旋喷进行处理， 盾构底板下湿陷性土层厚度小于3 m 采用洞内注硅化浆液进行处理， 注浆半径为盾构管片外3 m，盾构底板下湿陷性土层厚度小于2 m 采用洞内注硅化浆液进行处理， 注浆半径为盾构管片外2 m。湿陷性土层分界线在拱腰与底板之间， 注浆半径为盾构管片外2 m 局部处理， 如图9 所示。

图9 东太堡-长风东街区间第二种湿陷性黄土处置方案Fig.9 The second treatment scheme of collapsible loess in the section from Dongtaibao to Changfeng East Street

3.1.3 处理方案三

各关键区间第三种湿陷性黄土处置方案如图10 所示， 详细分述如下： 朝～南区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理； 南～东区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理； 东太堡～长风东街区间湿陷性土层采用洞内注硅化浆液进行处理。

3.2 处置方案投资估算

将以上三种处置方案进行罗列对比分析， 并进行投资概算， 总结如表1 所示， 由此可见， 从经济安全角度， 选择处理方案三最为合理。 与此同时， 针对车站， 对于车站主体及附属侧墙范围的湿陷性黄土层不采取处理措施， 对于底板以下2.0 m 范围内存在湿陷性土层的情况， 采取灰土换填的方式， 超过2.0 m 的较厚的湿陷性土层， 采取φ800＠600 单轴搅拌桩处理至非湿陷性土层至少1.0 m。 针对盾构区间， 与线路配合优化线路纵坡， 区间底板尽量避开湿陷性黄土层； 地面有条件的， 在地面采取旋喷桩加固湿陷性黄土层， 加固范围为盾构圆心以下至非湿陷性土层至少1.0 m；地面没有加固条件的， 采取在盾构圆心以下管片预留注浆孔， 待盾构管片拼装完成后进行注浆。

表1 三种处置方案对比分析Table 1 Comparative analysis of three disposal schemes

4 暗挖隧道典型地段处理措施数值仿真分析

4.1 分析模型建立

使用ANSYS 15.0 软件， 建立面积为90（X） ×50 （Y） ＝4500 m2的二维模型， 管片采用BEAM3 梁单元， 围岩采用PLANE42 实体单元； 隧道埋深7 m， 基底以下35 m， 左右拱腰距左右边界均为40 m。 分析区域线有限元网格单元边长约为0.5 m-1.5 m。 分析范围取为：竖直方向 （高程） 上， 底部分析区域边界， 取隧道底板最低处以下35 m， 向上取为原始地面。水平方向上左右分别取为约5 倍隧道开挖跨度。为便于分析， 选取地基分析特征点， 其中A、 C两点为底部两侧点， B 点为底部中点。 有限元模型如图11 所示。 根据委托方提供的资料得到各土层岩土力学参数取值， 分析所采用的各土层力学参数如表2 所示， 钢筋混凝土以及桩材料参数取值如表3 所示。 由于本分析主要是对比分析处理后的效果， 模拟未处理和经过针对性加固出处置两种不同情况下区间隧道开挖、混凝土衬砌结构施作以及最后湿陷性黄土层完全浸水后的湿陷变形。

表2 各地层岩土参数建议值表Table 2 Recommended value table of geotechnical parameters for each stratum

表3 混凝土强度设计值与弹性模量Table 3 Value of strength and elastic modulus of concrete

图11 暗挖隧道分析有限元分析模型图Fig.11 Finite element analysis model diagram of underground tunnel analysis

4.2 分析成果与讨论

图12 给出了未经处理和经过处理2 种情况下区间隧道施工完成完全浸水后周围土体位移云图。从图12 （a）、 （b） 中可以看出， 不处理方案条件下， 不处理方案条件下， 区间隧道施工完成完全浸水后周围土体位移主要特征如浸水前规律相差较大， 主要为： 竖直方向上， 竖直方向向下的最大位移为1140 mm， 而且不是分布在隧道拱顶而是位于在地面； 水平方向上， 位移基本对称分布，符合一般规律。 进一步分析表明， 施工完并完全浸水后， 若与开挖前相比， 在底板进一步沉降，与完全浸水前相比， 底板下沉约100 mm。 从图12（c）、 （d） 中可以看出， 经过湿陷性加固处理后，分析区域内向下最大沉降为194 mm， 出现在隧道对应的地面。 进一步分析表明， 施工完并完全浸水后， 在底板均表现为竖直向下沉降位移。

图12 完全浸水后区间隧道周围土体位移场Fig.12 Soil displacement field around completely flooded interval tunnel before and after treatment

表4 给出了完全浸水后区间隧道地基位移特征点沉降位移。 从表4 可以看出， 在不处理条件下， 地基位移特征点A、 地基位移特征点B、 地基位移特征点C 的湿陷沉降位移分别为108.88 mm、102.51 mm、 108.87 mm。 按照拟定的方案处理后，地基位移特征点A、 地基位移特征点B、 地基位移特征点C 的湿陷沉降位移分别为16.32 mm、13.27 mm、16.67 mm。 经拟定的方案处理后， 湿陷沉降改善明显， 满足了后期变形控制要求。

表4 完全浸水后区间隧道地基特征点湿陷沉降表Table 4 Collapsible settlement table of characteristic points of interval tunnel foundation after complete flooding ／mm

5 结论

本文以太原地铁1 号线土建7 标为工程依托，开展黄土湿陷性浸水现场试验， 借鉴相关工程经验提出合理处置方案， 并采用ANSYS 对所选方案进行数值模拟验证， 主要得出如下结论：

（1） 现场浸水试验及室内湿陷实验结果均表明， 工程场地为Ⅱ级中等湿陷场地。 根据室内实验结果， 该试验场地深度达到18 m 及更深时， 属于非自重湿陷性黄土。 而拟建南内环东街站的主体结构部分， 层底埋深最深约为21.3 m， 故无剩余湿陷量。

（2） 经对比， 针对车站， 南内环东街站、 东太堡站整体下压3 m， 主体底板下黄土层采用三七灰土换填， 附属基坑采用坑内灰土挤密桩处理，朝阳街C、 D 出入口过街通道、 南内环东街C、 D出入口过街通道采用暗挖洞内微型桩处理； 针对区间隧道， 盾构工法洞内注硅化浆液处理（单液硅化法）， 相较于初始设计方案增加处置费最少，增加1506.77 万元。

（3） ANSYS 计算结果表明， 采用相应处置方案后， 地基位移特征点湿陷沉降位移大幅度降低，证明经拟定的方案处理后， 湿陷沉降改善明显，满足了后期变形控制要求。