高虎艳 邓国华

(西安市地下铁道有限责任公司 西安 710018)

大厚度湿陷性黄土地铁工程综合处理措施初探

高虎艳 邓国华

(西安市地下铁道有限责任公司 西安 710018)

针对大厚度湿陷性黄土区段地铁工程，提出以分析浸水可能性和水敏性为主、防水和地基处理并重、有效发挥天然黄土承载力的总体处理思路。研究表明，大厚度湿陷性黄土具有地层结构连续稳定、抵抗变形能力强、承载力高、10 m以内浸水可能性较大、10 m以下浸水可能性较小的特点。地铁工程应充分利用上述特点，结合黄土力学研究新成果，提出技术先进、经济节约的综合处理措施。

地铁工程;大厚度湿陷性黄土;水敏性;结构性;处理措施

随着我国黄土地区公路、铁路、水利、地铁、电力等工程建设的稳步推进，在大厚度湿陷性黄土地区展开的工程建设项目日益增多。如甘肃捡财塘风电场工程的湿陷性黄土层厚度大于30.0 m，蒲城电厂的湿陷性黄土层厚度为35.0 m，宁夏扶贫扬黄工程的自重湿陷性黄土层厚度为36.0 m，西安地铁4号线南段的湿陷性土层厚度达到25 m，地基处理的深度和难度越来越大。

依据《湿陷性黄土地区建筑规范》，对于建筑工程，处理原则采取以地基处理为主的综合措施，很显然，将最大湿陷视为主线的湿陷变形计算理论，以及全部或部分消除湿陷性的地基处理方法［1］，与大厚度湿陷性黄土的工程实际条件和经济技术指标格格不入。对于甲类地面工程，如变电站、高层建筑，只能采用桩基穿透或大面积浸水的办法来消除湿陷性的影响，考虑到自重湿陷性土层的负摩阻力，桩基的深度将大大加长，而浸水却对环境影响较大，在城市沉降敏感地带无法实施，这两种方法在技术上或经济上都有一定的缺陷;对于甲类地下工程穿越湿陷性黄土层，如铁路隧道、公路隧道，由于受到操作空间和施工工艺的限制，大部分方法显得无能为力，如果考虑从地表着手处理，工程造价和地面环境也是不允许的。实际上，大厚度湿陷性黄土之所以存在，其浸水可能性小的事实已经在长期的存在过程中得到了很好的证明。很显然，如果仍沿用破坏结构性、消除湿陷性的指导思想，采取以地基处理为主的综合处理措施，不仅现有的技术达不到处理的要求，而且在处理费用上也使人们望而却步。

近年来，黄土力学的研究从水敏性、结构性等方面出发，形成了一大批卓有成效的成果［2-5］，但现行规范虽几经易稿，仅是结合建筑工程的经验数据修修补补，对地下工程指导意义不是很大。在应用于一些大厚度湿陷性黄土工程方面，将会造成不必要的浪费。随着在甘肃、陕西、宁夏、青海等地大厚度湿陷性黄土地基处理问题的尝试，越来越多的人对这种破坏结构性、消除湿陷性的处理思路表示了质疑［6-7］，他们通过研究也提出了一些新的构想和技术评判标准，并经受过工程的检验。笔者试图以西安地铁4号线穿越大厚度湿陷性黄土为背景，尝试一种湿陷性黄土地基处理的新思路。

1 综合处理总体思路

正如引言中所提，大厚度湿陷性黄土存在，及其浸水可能性小的事实已经得到了很好的证明。笔者认为制定大厚度湿陷性黄土综合处理措施应根据地层黄土的特点和工程要求，进行综合分析，在解决以下问题的基础上，提出可行的处理措施。

1)预测黄土地基浸水的可能性及程度，应结合工程特点，重点认识降雨、地表水体、生产生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小，并分析浸水后是否能完全饱和等特征，可通过调查分析、现场浸水试验来确定。

2)认识黄土的水敏性和结构性，应结合黄土地基的浸水程度，进行相应的分析。完成增湿或饱和湿陷等常规物理和力学试验，提出湿陷系数(自重和非自重)、湿陷起始压力等重要的设计参数，有动荷载要求的应进行振陷试验，再结合工程实际正确估计地基黄土的残余变形。值得注意的是在湿陷试验中，应根据基底压力来确定试验压力。

3)分析地铁工程适应变形的能力，分别认识不同工法车站主体与附属、暗挖区间、盾构区间适应变形的能力，或者采取相关结构措施(如变形缝)以适应地层变形，尤其是不均匀变形的能力。

4)综合评判上述三方面的内容，分析判断大厚度黄土地基原始承载力和压缩变形是否能够满足设计要求。如果能够满足要求，应制定能充分发挥天然黄土承载力特性(以防水与地基处理并重)的综合治理措施;如果不能满足要求，应制定以消除或穿透地基处理为主的综合治理措施。

2 浸水可能性分析

浸水可能性分析对指导大厚度湿陷性黄土工程有重要的意义。如果现场没有浸水的可能性，就不会有湿陷的发生。西安地铁4号线在穿越大厚度湿陷性土层时，其浸水因素主要有以下几种可能:

1)降雨入渗。1951年—2007年，西安地区年降雨量最大为903.2 mm，年蒸发量最小为1432.2 mm，蒸发量大于降雨量，考虑到高峰降雨季节，地层含水量变化不超过3%，且影响深度不超过8 m［5］。该段地铁隧道埋深在10～18 m之间，因此不用考虑降雨对地铁隧道地基的影响，但对于地铁车站附属结构应考虑其影响。

2)地表水体。调查表明，目前距该段隧道最近的地表水体约有5～6 km，且位于地下水流向的下游，地表水体高程低于隧道结构底板。但是，随着城市的发展，人文景观大型水体将随之产生。它的存在必然会改变其周边地下水力联系，迫使局部地区地下水位升高。过去西安市在这方面已有深刻的教训，如兴庆湖的存在使得周边10 km2的范围内地下水位抬升了10多m。因此，考虑规划和大型地表水体对该区段地铁工程的影响是浸水可能性分析的重点。

3)生产生活用水。一般情况下，随着城市的发展，道路两侧均会布置一定数量的给水、污水管道，由于其渗漏的不确定性，对预测大厚度湿陷性黄土浸水的可能性有一定的影响。某单位曾在西安韩森寨一带进行管道漏水影响范围的试验，连续漏水23～153 d，漏水量为600～1 400 t，最大浸湿范围为 5.0～7.3 m。同时，用φ350 mm的混凝土管做试验，漏水32 d后浸湿范围基本稳定，最大影响半径为5.0 m［5］。对于地铁隧道，这一浸水因素也可忽略不计，但对于埋深较浅的附属结构应予以考虑。

4)灌溉。据某地质勘测队对原固海老灌区地下水的变化调查发现，老灌区10多年来的灌溉运行并没有影响到地下水位的变化，且大量的灌溉水量只能引起地表10 m范围内的土壤含水量发生变化，10 m以下的土层含水量仍保持在稳定状态。对于地铁隧道，这一浸水因素也可忽略不计。对于埋深较浅的附属结构应予以考虑。

5)地下水。根据西安地铁抗浮水位专题研究报告，该段地下水深度在35～60 m之间，百年最高水位在30～50 m之间，地下水位距结构基底约5～30 m，因此也不用考虑地下水对浸水的贡献。

由上述的5点分析可以看出，该段大厚度湿陷性黄土上部10 m范围内浸水的可能性较大，下部20 m范围浸水可能性较小，但在设计中应考虑为了规划大型地表水体后对地铁工程的影响。上述分析仅表明了一种分析方法的思路，并不是所有大厚度湿陷性黄土工程浸水的可能性都一样。如地面建筑工程地基就应高度重视降雨、生产生活用水和灌溉的影响。

3 地层特征分析

大厚度湿陷性黄土在长期沉积过程中形成了稳定的地层结构，尽管各地区湿陷性黄土的厚度、湿陷性强弱和力学性质都有一定的差异，但在地层结构和影响地基水敏感性方面仍有可以借鉴的共同特征。

为了能够准确认识大厚度湿陷性黄土的地层特性，在西安地铁4号线南段两站两区间布置探井12个，深度以25 m为主。配合一定的钻探，深度为40～50 m。根据井探揭露，沿线地层自上而下依次为第四系全新统人工填土、上更新统风积新黄土、残积古土壤，中更新统风积老黄土、残积古土壤等地层。

图1～图6给出了该大厚度湿陷性黄土地层的含水量、饱和度、干密度、孔隙比、压缩系数、压缩模量随着深度变化的规律。含水量平均值在20%～22%之间，饱和度平均值在65% ～70%之间，干密度平均值在1.4 ～1.5 g/cm3之间，孔隙比平均值在0.8 ～0.9 之间，压缩系数平均值在0.2～1 MPa－1，压缩模量平均值在8～10 MPa。湿陷类型大部分为自重湿陷性场地，地基湿陷等级主要为Ⅱ级中等和Ⅲ级严重，湿陷深度最大可达25 m，湿陷量从地表起算最大可达1 m。

图1 含水量随深度的变化

图2 饱和度随深度的变化

图3 干密度随深度的变化

图4 孔隙比随深度的变化

图5 压缩系数随深度的变化(100～200 kPa)

图6 压缩模量随深度的变化(100～200 kPa)

综合考虑地层结构、物性参数、湿陷特征和工程实际条件，可以分析得出以下结论:

1)地层连续稳定，含水量、饱和度、干密度、孔隙比相对稳定，压缩系数、压缩模量在地表5 m以下相对稳定。从基本物性参数判断，整个地层湿陷性中等偏弱，水敏性中等偏弱，与区域经验一致;2)从湿陷试验看，在地表5 m以内，湿陷性中等，5～25 m湿陷性轻微。对于地铁工程来说，主要的地层位于地表下10～25 m;3)古土壤层连续交替分布，能起到一定的隔水作用;4)压缩性中等偏弱，具有一定抵抗变形的能力。能够满足地铁隧道变形的要求;5)地层黄土具有一定的结构性［6］，承载力较高。能够满足地铁工程承载力要求;6)Q2老黄土上部，存在一定的湿陷性，但湿陷起始压力较大［8-9］。对于隧道工程，拱脚压力较大，在浸水条件下有可能发生湿陷，其他部位压力小于土体自重压力;7)地铁隧道在运营过程中引起的振动没有达到黄土的临界振陷动应力，黄土的变形均在弹性范围内，可以不用考虑振陷问题;8)对于地铁工程，设计时应结合结构底板的埋深，重新估算地基湿陷变形和湿陷等级，并以此为基础，展开相应的设计工作。

4 地铁工程特点分析

与工业与民用建筑、铁路、公路等工程相比，地铁土建工程有以下特点:

1)绝大多数地铁工程均位于城市繁华地带，由于高层建筑、地下管线、文物等密集分布，对地层变形要求严格;

2)地铁工程工法与结构形式繁多。每个车站除主体结构外，还包括出入口、风亭、冷却塔等附属建筑。车站施工多采用明挖法，但对交通影响敏感地带也可选择暗挖法、盖挖法。区间多采用矿山法、盾构法施工，在局部特殊地段也可采用明挖法。区间工程不仅包括正线、折返线、后配线、停车线等，还包括联络通道、施工竖井等附属工程。当然，地铁工程可选择地下、地面、高架等敷设方式;

3)地下铁道结构中主要构件的设计使用年限为100年。主体结构及其相连的重要构件，其安全等级为一级，其他构件的安全等级为二级，支护结构的安全等级不低于二级;

4)地铁区间结构可通过设置变形缝调节不均匀沉降，地铁车站适应变形能力相对较弱;

5)地铁工程承受列车振动的往复应力作用，当列车引起的振动应力大于黄土的振陷临界应力时，黄土地基也将产生附加变形;

6)根据《湿陷性黄土地区建筑规范》的要求，地铁车站和区间主体为甲类建筑，附属工程为乙类建筑。

5 大厚度湿陷性黄土地铁工程处理措施

基于对大厚度湿陷性黄土工程浸水可能性分析和地层特点分析，结合工程的实际特点，笔者认为可制定以下的处理原则和措施。

1)处理原则。采取以地基处理和防水并重，主动发挥天然黄土有效承载力的综合处理措施。

2)处理措施。对于地铁隧道工程，可采用三种处理措施:一是对于浸水可能性小的区间隧道，且地下水深度较深时采用深层散水方案，在隧道两侧10 m左右的位置设置深层砂井散水井，砂井间距根据现场试验确定，试验技术要求可参考文献［10］，砂井深度与地下水位埋深一致，将其周边的可能水体直接引入地下水(见图7)，此外，对于矿山法隧道，考虑到拱脚两侧应力集中，为确保安全对洞内拱脚处树根桩进行加固，树根桩直径15～25 cm，长度一般控制在3～5 m，角度可选择30°～60°，对于盾构工程，可不采取专门的地基处理措施，在结构计算中，应考虑隧道两侧发生湿陷引起的负摩阻力问题;二是对于浸水可能性较大的地段，下卧有湿陷性黄土层较厚的区间均采用矿山法施工，选择双侧壁导坑法，先行实施双侧壁导坑后，采用洞内人工挖孔桩穿透湿陷性黄土层，然后将隧道结构置于人工挖孔桩上(见图8);三是对于浸水可能性较大的区间，下卧有湿陷性黄土层较薄时，宜选择矿山法施工。在初期支护完成后，对地基进行灰土垫层或灰土挤密处理。当然也可选择盾构法施工，在盾构管片上预留注浆孔。

值得一提的是，矿山法施工由于是在隧道衬砌结构尚未完全封闭的条件下进行，因此首先要制定保证隧道自身稳定性的严密措施(见图9)。

图7 深层散水方案

图8 双侧壁导坑人工挖孔桩

图9 灰土垫层或灰土挤密处理

对于地铁车站主体工程选择明挖法施工。按甲类工程的要求，对于浸水可能性小的车站，对底板以下的自重湿陷性黄土进行灰土垫层或灰土挤密处理，对车站底板周边一定范围的自重湿陷性黄土进行孔内强夯处理;对于浸水可能性较大的车站，对底板以下的湿陷性黄土进行灰土垫层灰土挤密桩处理或桩基穿透。

对于地铁车站附属工程，如出入口、冷却塔等建筑物，按乙类建筑的要求，依据剩余湿陷量的控制标准，选择明挖法施工，采用灰土垫层和灰土挤密的方法进行处理。

上述的处理措施不仅可以有效发挥原状黄土的天然承载力，其技术先进，而且大幅度地降低了处理费用，可操作性强。

6 结论

大厚度黄土地铁工程治理时，应充分吸收黄土力学研究的新成果，在综合分析浸水可能性和水敏性的基础上，制定技术先进、经济节约的综合治理措施。

1)对于大厚度湿陷性黄土，预测地基浸水可能性非常重要，工程中应重点认识降雨、地表水体、生产生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小和浸水后的饱和程度。

2)大厚度湿陷性黄土10 m以下的地层一般具有地层结构连续稳定、抵抗变形能力强、承载力高和浸水可能性小的特点，可作为地基的持力层。地铁工程应充分利用这些特点，根据浸水可能性的大小，制定合理的地基处理措施。

3)大厚度湿陷性黄土工程应采取以地基处理和防水并重，主动发挥天然黄土有效承载力的综合处理措施。

4)三种地铁隧道地基的处理方案，即深层散水方案、双侧壁导坑人工挖孔桩、灰土垫层与灰土挤密，可有效解决地下隧道工程地基处理问题。与传统的处理思路相比，不仅可操作性强，而且经济节约。

［1］中华人民共和国国家标准编写组.GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［2］谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向［J］.岩土工程学报，2001，23(1):1-13.

［3］谢定义，姚仰平，党发宁.高等土力学［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］谢定义，齐吉林.土的结构性及其定量化参数研究的新途径［J］.岩土工程学报，1999，21(6):651-656.

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［8］陕西工程勘察研究院.西安地铁四号线抗浮水位研究报告［R］.西安:陕西工程勘察研究院，2011.

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Research on the Treatment Measures for Heavy Thick Wet Loess for Subway Engineering

Gao Huyan Deng Guohua
(Xi’an Metro Corporation，Xi’an 710018)

Abstract:For the subway engineering in the collapsible heavy thick wet loess region，a general processing idea is proposed based on the analysis of flooding possibility and water sensitivity，waterproof and ground treatment and the carrying capacity of natural loess.The research shows that the heavy thick collapsible loesses have the characteristics of stable and consecutive stratigraphic architecture，high resistance to deformation，high bearing capacity，easily flooding within 10 m and small possibility under 10 m.These characteristics should be fully taken into account in developing subway project.An advanced and economical comprehensive treatment measure is proposed by absorbing the new research results of the loess mechanics.

Key words:subway engineering;collapsible loess;water sensitivity;structure;treatment measure

TU444

A

1672-6073(2014)01-0076-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.019

收稿日期:2013-03-13

2013-07-10

作者简介:高虎艳，男，教授级高级工程师，从事岩土工程勘察和研究工作，489530341@qq.com

(编辑:郝京红)