杨建华

0 引言

西安地铁沿线赋存大厚度饱和软黄土地层［1］，主要分布在浐河、灞河、兴庆宫、小寨等地区，由于在饱和软黄土地区进行降水，导致饱和软黄土物理力学性质变得异常复杂，引起隧道周围发生较大变形，塌方、地表沉陷、建筑物倾斜、桥梁变形等施工灾害时有发生［2－8］，特别严重的是2013年5月6日，西安地铁三号线某区间左线隧道金泰小区附近发生了严重的“5·6事故”，死亡5人，社会影响恶劣。目前有关西安地铁隧道湿陷性黄土地层的地表变形规律研究很多，但是饱和软黄土地层的地铁区间隧道地表变形规律与控制技术研究的较少，为了保证饱和软黄土地层区间隧道的安全施工，急需开展饱和软黄土地层隧道施工过程中诱发的地表沉降特性与变形控制措施研究。

Peck认为在不排水的情况下，地表沉降槽的体积应等于地层损失体积，并认为地表沉降槽曲线近似呈正态分布［9］。Attewell将地表横向沉降曲线的研究成果推广到了三维情况，通过假定横向地表沉降为一正太分布曲线，纵向分布为二次抛物线，从而得到隧道施工引起的三维地表沉降计算公式［10］。Chem根据现场实测数据给出了相应的纵向变形曲线，并在此基础上对该曲线进行拟合，提出了纵向位移与至开挖面距离的经验关系式［11］。Bobet通过考虑土体的粘弹性性质和隧道衬砌结构的弹性，推导出了在饱和土体中开挖隧道引起的地表沉降的计算公式［12］。Resendiz和Romo考虑土体径向位移的影响，得出了软土隧道施工引起的地表变形解析解［13］。张冬梅采用粘弹性模型对盾构推进过程中造成的地表沉降进行分析，得出了土体固结沉降的地表下沉计算公式［14］。

于国新，任澍华等提出西安地区饱和软黄土形成的原因主要由3方面组成［15－16］。曹振等以西安地区饱和软黄土地层某暗挖法地铁隧道区间为依托，对该区间的施工风险进行了分析，并提出了采取开放式降水、帷幕内降水和洞内注浆止水措施来应对饱和软黄土固结沉降风险［17］。佘芳涛等通过引入纵向地表沉降最大斜率和掌子面地表位移释放率2个特征值，提出了饱和软黄土地层基于特征值的地表纵向沉降预测的一种方法［18］。高虎艳等提出了工程中当遇到饱和软黄土地层的相关处理措施［19］。张伟喜以西安地铁2号线某区间为背景，由于几乎所有的沿线暗挖区间隧道拱部和部分边墙都位于饱和软黄土中，提出在必须采用浅埋暗挖法的地段，要对拱部初期支护进行加强［20］。开展饱和软黄土地层地铁区间隧道施工诱发的地表变形规律与控制技术研究具有重要的工程实践价值。孟敏强运用有限差分法对饱和黄土地铁隧道盾构施工进行模拟，给出了在不同覆土层厚度下的地层沉降规律，并提出该工程隧道施工沉降预测及沉降控制措施［21］。王小林以某穿越饱和软黄土地段为研究对象，采用数值模拟的方法对矿山法全断面注浆加固合理的注浆半径进行了研究［22］。王正伟采用Flac3D数值模拟软件对饱和软黄土浅埋大坡度暗挖施工工法研究［23］。贺农农等以西安地铁一号线康朝区间为背景，对浅埋暗挖法隧道施工条件下饱和软黄土地层地表最大沉降量、沉降槽宽度、地层损失率等参数进行了分析［24］。

以上学者多是基于实际隧道施工的方法对饱和软黄土地层地表的变形规律进行总结，而文中首先基于实际工程对饱和软黄土地层矿山法施工诱发的地表沉降规律进行了研究，首次将饱和软黄土地层盾构法与矿山法施工所诱发的地表沉降实测值进行对比分析，首次将同一场地下饱和软黄土地层与普通黄土地层下矿山法施工诱发的地表沉降实测数据进行对比分析。

1 饱和软黄土物理力学特性

饱和软黄土是西安地区分布较广泛的一种特殊性土层，其分布主要与既有河流、湖泊、地下水分布状况有关。饱和软黄土位于地下水位以下，一般处于软塑或流塑状态，其承载力较低，工程性质较差，属于软弱地基。但降水后其强度较高，这与我国沿江沿海的上海、武汉等地的软土特性不同。

1.1 饱和软黄土的定义

饱和软黄土主要是指由于近期侵水使孔隙充满水饱和度达到80%以上，还未曾经受较大上覆压力使其充分固结的土。

1.2 分布范围

岩土勘察结果表明，西安地区饱和软黄土主要分布在黄土梁洼地貌单元上，在皂河、渭河阶地上也有少量分部。地下水水位一般为5～10 m，饱和软黄土厚度在2～18 m之间。饱和软黄土分布地区主要有兴庆湖地区、曲江南湖地区、大明宫地区、浐河周围、灞河周围，这些地区是西安地铁许多线路的穿越地区，饱和软黄土地质灾害问题严重。饱和软黄土没有经受较大(长)时期的上覆压力的影响，固结不充分，导致其与一般黄土的力学特性不同。

1.3 物理特性

饱和软黄土的孔隙比多处于0．8～1．2之间，其较大孔隙比导致其具有高含水量，一般处于25%～38%之间。由于饱和软黄土多位于地下水位一带，故其含水量受毛细作用影响较大，通常处于该带的饱和软黄土含水量变化幅度较大，而常处于地下水位以下的饱和软黄土含水量稳定。液限基本在27．6% ～37．7%左右，塑限为16．7% ～22．2%，液性指数大于0．75，多呈软塑或流塑状态。根据地区经验及相关报告，饱和软黄土的渗透系数约为5～10 m/d，与普通黄土相比较差值不大［25］。

1.4 力学特性

与一般黄土相比，饱和软黄土力学性质差是其主要特点。土体的压缩系数av1－2在0．30～0．58 MPa－1，压缩指数在 0．198 ～0．302．通过静力触探试验得出饱和软黄土的不排水抗剪强度为17～23 kPa，变形模量 2．0 ～3．5 MPa，饱和软黄土的端阻力和侧壁摩阻力分别为300～500 kPa，10～18 kPa，天然饱和软黄土地基的基本承载力为50～80 kPa．通过直剪试验得出其粘聚力处于12～24 kPa，内摩擦角 14．1°～19．8°．基于旁压试验得到了饱和软黄土的旁压模量为2～3 MPa，旁压剪切模量为0．8～1．2 MPa．基于标准贯入试验得到饱和软黄土的标准贯入击数2～6击、平均3．6击。以上指标明显小于普通黄土。静止侧压力系数K0为0.5 ～0．6，显然大于普通黄土［25］。

2 工程概况

西安地铁三号线通化门～胡家庙区间(文中简称通胡区间)隧道处于典型的饱和软黄土地层，其中右线总长727．937 m，左线总长728．216 m，位于西安市金花北路地下，沿线穿越西北电力设计院、西玛机电有限公司家属楼、建材家属院楼、建工金华酒店大楼等建筑且隧道旁穿东二环长乐桥，其中饱和软黄土厚度为1．8～5．8 m，由于该区间存在f4地裂缝，故在通过地裂缝段采用矿山法施工，在其它区段隧道采用盾构法施工。

该区间右线采用“短台阶+临时仰拱法”施工，埋置深度10．0 m，并采用42 ×3．5 mm 的超前小导管注浆，对拱顶土体进行预加固;布设范围在拱顶1 500 mm范围，环间距300 mm．具体隧道支护结构如图1所示。

图1 台阶法施工隧道支护断面(mm)Fig．1 Cross-section diagram of tunnel supporting with step method construction

3 监测方案及监测结果分析

3.1 监测方案

按照《城市轨道交通工程监测技术规范》及西安饱和软黄土地区地铁隧道安全施工要求，确定了施工变形监测的方案(表1)。监测点应沿隧道中轴线上方地表布设，且监测点的布设间距与隧道监测等级有关。该浅埋暗挖隧道工程监测等级为二级，故测点间距选择为5～10 m．

根据隧道周边环境及工程地质条件，沿地表布设垂直于隧道中轴线的横向监测断面，监测点的布置应在隧道周边影响区范围内。测点间距应结合现场施工情况具体而定，但最小不能低于《城市轨道交通工程监测技术规范》中的最低标准。

实际监测点数量及间距应结合该工程周边施工环境酌情选择。具体如图2所示。

表1 监测内容及频率Tab．1 Monitoring content and frequency

图2 通胡区间右线隧道地表沉降监测点分布Fig．2 Distribution of surface subsidence monitoring points for right line in Tonghu section

3.2 横向断面监测结果分析

右线隧道开挖后引起的横向地表沉降变化曲线如图3所示。随着掌子面的不断推进，各监测断面的地表沉降变形不断发展。对比(a)、(b)、(c)、(d)4个图可知，掌子面对横向地表沉降变形的影响与掌子面离开监测断面的距离有关。当掌子面穿过并离开监测断面一定距离后，横向地表沉降变形速率逐渐减小，直到变形达到稳定值。越靠近隧道中线处，地表沉降值越大。当监测点离开隧道中线一定距离后，地表沉降变化不大，变形值基本趋于稳定。影响范围约为2倍的隧道洞径，最终形成的沉降槽宽度为2D(D为隧道洞径)。

根据图3可知，隧道开挖稳定后的最大沉降值发生在Ⅱ－Ⅱ监测断面处，最大沉降值为48．98 mm．Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ，Ⅲ－Ⅲ，Ⅳ－Ⅳ位置处饱和软黄土厚度分别为 3．8，5．8，4．7，4．5 m，在Ⅲ － Ⅲ，Ⅳ－Ⅳ断面处，可以看出饱和软黄土地层越厚地表沉降值越大。

3.3 纵向断面监测结果分析

隧道开挖后引起的拱顶纵向地表沉降变化发展曲线如图4所示。对Ⅱ－Ⅱ监测断面拱顶正上方的纵向地表沉降从2014年4月1日到6月7日共选取了67天的监测数据，其中在5月28日～6月7日的8天时间里未进行监测。由图可知，沿右线隧道拱顶正上方地表沉降变形历时曲线大致经历3个阶段。

第一阶段:沉降缓慢阶段，由于此阶段掌子面还未通过测点处，但可以看出此时已经出现沉降但速度缓慢;

第二阶段:沉降加速阶段，当掌子面通过测点时，地表沉降值为13．5 mm，最大沉降值为48.98 mm，掌子面位移释放率为27．5%，随着掌子面的不断推进，测点处沉降值速平均率为0．9 mm/d，这主要是由于饱和软黄土的存在，其高含水量与大孔隙比及高压缩量导致;

图3 右线隧道横向地表沉降分布曲线Fig．3 Horizontal surface subsidence distribution of right line tunnel

第三阶段:沉降稳定阶段，随着初期支护受力，围岩变形受得到明显限制，由于饱和软黄土处于软塑状态，故存在流变效应，可以看出沉降量还在不断增加，但整体上地层损失趋于稳定，地表沉降进入沉降稳定阶段。

从图4可以看出，纵向地表沉降的最大值最终为48．98 mm．其中第二阶段中沉降量占总沉降量的3/4左右，是最主要沉降阶段。该阶段掌子面距离测点位置约20 m．

3.4 不同施工方法监测结果比较

文献［26］以西安地铁二号线钟楼－南门饱和软黄土地层盾构区间为背景给出了饱和软黄土地层盾构法开挖的地表沉降实测数据。现采取沉降值最大断面处数据与文中数据进行对比。

图4 右线隧道纵向地表沉降发展曲线Fig．4 Vertical surface subsidence development curve of right line tunnel

从图5可以看出，采用矿山法施工时地表中心点最大沉降值为41．07 mm．而盾构法在保证同步注浆与二次注浆的情况下，地表沉降值仍然很大达36．3 mm，但小于矿山法施工的对应值。这主要是由于一方面盾构法施工速度快，故对饱和软黄土的扰动较矿山法小。而饱和软黄土具有高压缩性，受施工扰动异常敏感。另一方面矿山法施工前降水施工所诱发的地表沉降对于饱和软黄土而言是不可忽略的，而盾构法施工时无需降水，这也是饱和软黄土地层隧道盾构法施工时地表沉降最终值小于矿山法的主要原因。

图5 不同施工方法诱发的地表横向变形曲线Fig．5 Surface deformation induced by different construction methods

从图6可以看出，采用盾构法开挖当测点距离掌子面距离约32 m时，地表沉降值基本趋于稳定。而矿山法施工地表沉降稳定时测点距掌子面距离明显大于盾构法。由此可以说明饱和软黄土地层矿山法施工时的地层扰动明显大于盾构法。在掌子面距离测点10 m以后，盾构法施工时诱发的地表沉降又出现一个小幅增长阶段，这主要是由于饱和软黄土的大孔隙比与高含水量所致，盾尾通过该测点后孔隙水压力变化过大所产生的次固结效应。而矿山法施工的纵向地表变形数据表明随着掌子面的开挖其变形是在不断增长的。对于饱和软黄土地层而言，盾构法施工相比矿山法掌子面地表位移释放率普遍偏小。由于盾尾间隙和同步注浆或二次注浆对围岩的扰动所以造成盾构施工掌子面离开测点位置处还会发生较大沉降。

图6 不同施工方法诱发的纵向地表变形曲线Fig．6 Longitudinal deformation curve induced by different construction methods

3.5 饱和软黄土地层与普通黄土地层监测结果比较

从图7可以看出，普通黄土地层的地表沉降最大值为28．1 mm，远小于饱和软黄土地层地表沉降最大值。且在2．5D位置处，普通黄土地表沉降值小于10 mm，而该位置处饱和软黄土地表沉降值约为20 mm．所以当饱和软黄土地层采用矿山法施工周围存在建筑物时必须引起重视，并采用相应的预防措施。

图7 不同地层地表横向变形曲线Fig．7 Surface deformation curves of different strata

从图8可以看出，对于普通黄土地层与饱和软黄土地层的掌子面释放率分别为35%与21%。当掌子面距离测点20 m时普通黄土地层的地表沉降值基本趋于稳定，而此时饱和软黄土地层地表沉降值还在不断增大，由于古土壤(饱和软黄土同一位置处一般为古土壤)的含水量与压缩性较饱和软黄土低，故固结效应引起的变形较小土体扰动随时间的变形并不明显，掌子面通过测点时造成位移释放较大。

4 控制措施

4.1 饱和软黄土地层降水控制措施

图8 不同地层地表纵向沉降曲线Fig．8 Surface subsidence curves of different strata

当地铁隧道必须采用矿山法施工时，要确保地下水位在结构底板以下1 m处，该区段的含水层类型为潜水降深9 m，采用管井井点降水的方法，降水降水井径0．75 m，井深35 m．由于饱和软黄土的存在降水将会导致地层发生较大沉降，可采取以下措施。

4．1．1 采取帷幕止水

由于该区间有大量家属楼，多为条形基础，为减少降水对建筑物的风险，采用止水帷幕，一方面减少了降低水位对该处土层沉降的不利影响，另一方面当隧道开挖时也可起到隔离作用。

4．1．2 洞内注浆止水

对位于饱和软黄土层以下的地层进行洞内注浆加固措施，可采用WSS工法注浆。

4.2 饱和软黄土地层隧道开挖控制措施

4．2．1 采取加固措施

对于饱和软黄土可在隧道开挖前对土体进行超前注浆加固，注浆材料可选用水泥水玻璃双液浆，注浆压力为 0．8 ～1．2 MPa．

4．2．2 加强监测与施工管理

时刻监测拱顶、地表数据，当发现一场时可在隧道开挖之后对洞身土体(饱和软黄土)进行环向打孔注浆即径向补偿注浆。严格遵循“二十一字”方针，合理控制开挖尺寸。由于饱和软黄土流变效应明显，故而应在二衬施做期间加强监测，原则上应在变形稳定的基础上合理控制二衬施工时机。

5 结论

1)饱和软黄土具有大孔隙，高含水量呈软塑或流塑的物理特性，因此导致其具有低强度、高压缩性、低承载力，工程特性较差;

2)工程实践表明表明，饱和软黄土地层矿山法施工诱发的地表沉降值超出了可控范围，隧道施工引起的横向地表沉降曲线最终形成一个“V”形沉降槽，沉降曲线由隧道中线处向两侧扩散，最终形成的沉降槽宽度为2倍的隧道外径。最大地表沉降值为48．98 mm，此时的地表沉降槽的反弯点宽度约为10 m．隧道纵向地表沉降变形历时曲线可以分为沉降缓慢阶段，沉降加速阶段，沉降稳定阶段3个阶段。其中第二阶段占中沉降量占总沉降量的80%，为主要沉降阶段;

3)饱和软黄土地层和普通黄土地层诱发的地表沉降得出普通黄土的掌子面释放率大于饱和软黄土，饱和软黄土地层地表变形及影响范围远大于普通黄土地层。故当地铁施工过程中遇到饱和软黄土地层时必须引起重视;

4)实测数据表明，饱和软黄土地层矿山法地铁隧道地表沉降值超出了可控范围，所以当采用矿山法施工时，必须对饱和软黄土地层及周边建(构)筑物进行注浆加固，以提高饱和软黄土的力学特性，使沉降值在可控范围内。通过饱和软黄土地层盾构法和矿山法诱发的地表沉降分析表明饱和软黄土地层区间隧道应优先使用盾构法施工。

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