楊潤基 ， 盧許佳 ， 高 慶 ， 譚維佳

（1.中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都611730；2.中鐵三局集團有限公司， 四川 成都611730；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 陜西 西安710054）

0 引言

濕陷性黃土具有大孔隙、 濕陷性等性質(zhì)， 一旦浸水或增濕時會發(fā)生強度驟降和變形突增的特性， 將帶來嚴(yán)重安全隱患［1-3］。 因此， 諸多學(xué)者對濕陷性黃土的治理進行了研究。 劉明軍等［4］采用素土擠密樁的方法處理濕陷性黃土的濕陷性， 通過試驗測得數(shù)據(jù)驗證了素土擠密樁可有效提高濕陷性黃土的壓縮模量， 降低壓縮性， 對消除濕陷性黃土的濕陷性具有顯著效果。 許萍等［5］測試分析了不同應(yīng)力比K 值下黃土增濕孔隙比、 增濕體應(yīng)變隨球應(yīng)力的變化規(guī)律， 定量分析了球應(yīng)力與濕陷體應(yīng)變、 剪應(yīng)力與濕剪應(yīng)變之間的變化規(guī)律。王麗琴等［6］對西安某地深1 m～20 m 內(nèi)不同深度采取的黃土， 對比分析各深度土層2 cm 試樣和8 cm試樣的室內(nèi)濕陷試驗的結(jié)果。 王雪艷［7］依托某深厚濕陷性黃土地基處理工程， 開展了碎石樁加固地基的系列試驗研究。 陳天鐳等［8］在蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)38 m ～42 m 厚自重濕陷性黃土場地上做直徑20 m 圓形試坑的現(xiàn)場浸水試驗， 重點考察了濕陷性黃土的濕陷范圍、 濕陷速率變化規(guī)律及裂縫發(fā)展規(guī)律。 史寶東等［9］在蘭州東崗某場地上進行的兩次相隔四十多年室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上， 研究擾動前后濕陷性系數(shù)與干密度、 含水率、 孔隙比、飽和度和塑性指數(shù)之間的關(guān)系。 張延杰等［10］進行2×2群樁基礎(chǔ)浸水模型試驗， 對樁周土體濕陷變形規(guī)律和樁基礎(chǔ)荷載傳遞特征進行分析。 尹今朝等［11］開展土工三軸剪切試驗探究干濕循環(huán)對黃土強度與裂隙發(fā)展規(guī)律的影響。 趙兵朝等［12］以神木某礦1206 工作面為研究背景， 對煤層開采濕陷性黃土地表裂縫產(chǎn)生機理和發(fā)育規(guī)律展開相關(guān)研究。王兆輝等［13］針對黃土地區(qū)因濕陷而產(chǎn)生的樁側(cè)負摩阻力問題， 設(shè)計了油氈包裹和套鋼管隔離兩種主動減小樁側(cè)負摩阻力的方法。 郭倩怡等［14］應(yīng)用黃土濕陷機理理論基礎(chǔ)分析土體物性指標(biāo)與黃土濕陷系數(shù)相關(guān)性及主要影響指標(biāo)， 分別構(gòu)建了基于PLS 方法及LogisticCum 函數(shù)的黃土濕陷系數(shù)預(yù)測模型。 黃雪峰等［15］研究螺桿樁消除黃土地基濕陷性的效果， 由于成樁工藝的特殊性， 隨著樁側(cè)水平距離的增大干密度逐漸減小， 且樁心距越小擠密效果越明顯。

綜上所述， 雖然目前我國針對濕陷性黃土地基處理具有多種成熟的技術(shù)和經(jīng)驗， 但是很少有軌道基底處于濕陷性黃土中， 且現(xiàn)有工程經(jīng)驗均采用避開原則， 對于無法避開的情況下鮮有經(jīng)驗可借鑒， 且目前相關(guān)規(guī)范對于軌道線工程濕陷性黃土處理具有一定局限性， 為此本文以太原地鐵1號線土建7 標(biāo)為工程依托， 開展黃土濕陷性浸水現(xiàn)場試驗， 借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗提出合理處置方案，并采用ANSYS 對所選方案進行數(shù)值模擬驗證， 以期為今后國內(nèi)類似軌道工程提供參考。

1 工程概況

太原軌道交通1 號線由中國鐵建投資集團聯(lián)合投資建設(shè)， 一期工程全線長28.737 千米， 目前21 座車站已全部進場施工， 3 個車站完成主體施工， 計劃于2024 年底開通運行。 土建7 標(biāo)東山黃土臺塬區(qū)廣泛分布濕陷性黃土， 黃土濕陷底界詳勘階段相比初勘階段深度增加1.5 m ～16 m， 影響車站為迎澤東大街站～中心街東站， 如圖1 所示。

圖1 太原地鐵1 號線土建7 標(biāo)平面示意圖Fig.1 Plane diagram of section 7 of taiyuan metro line 1

2 現(xiàn)場浸水試驗與室內(nèi)試驗研究

開展現(xiàn)場浸坑試驗與室內(nèi)土工試驗對比， 判定沿線黃土場地的濕陷類型及地基濕陷等級， 分析濕陷起始壓力、 剩余濕陷量等， 對勘察提供參考。

2.1 浸水試驗基本情況

浸水試驗主要觀測內(nèi)容有沉降、 注水量、 含水量以及裂縫發(fā)展。 本試驗從8 月24 日開始灌水，截止9 月25 日連續(xù)注水32 天， 總注水量9469.26 m3，日均注水量為295.91 m3， 最大值出現(xiàn)在第18 天， 注水量達601.51 m3， 試坑內(nèi)水位保持在35 cm 左右。

2.2 浸水現(xiàn)場試驗監(jiān)測點布置

標(biāo)點位置如圖2 （a） 所示。 深標(biāo)點埋設(shè)剖面圖如圖2 （b） 所示， 以深標(biāo)點F1-F5， F ‘1-F’ 5為例， 從最淺的6 m 深度開始， 橫向間距為2.6 m，縱向間距為6 m， 最深埋設(shè)為30 m。 G1-G5、 G ‘1-G’ 5 最淺為2 m， 最深為26 m； E1-E5、 E ‘1-E’5， 最淺為4 m， 最深為28 m。 浸水試驗埋設(shè)的傳感器包括土壓力傳感器、 孔隙水壓力傳感器、 土壤水分傳感器， 其埋設(shè)剖面圖如圖2 （c） 所示。

2.3 浸水試驗結(jié)果分析

2.3.1 淺標(biāo)點沉降數(shù)據(jù)處理

通過匯總不同時間淺標(biāo)點沉降數(shù)據(jù)， 作出淺標(biāo)點沉降趨勢如圖3 所示， 由此可以看出， 隨著浸水試驗的逐漸進行， 沉降量逐漸增大， 在坑中心位置沉降變化最為明顯， 第21 至30 天平均沉降量變化小于1 mm／d； 同時可以看出， 在距離坑中心半徑17 m 范圍外， 沉降基本不受影響。

圖3 淺標(biāo)點沉降趨勢圖Fig.3 Settlement trend diagram of shallow punctuation

2.3.2 深標(biāo)點沉降數(shù)據(jù)處理

通過匯總不同時間不同位置深標(biāo)點沉降數(shù)據(jù)，作出深標(biāo)點沉降趨勢如圖4 所示， 由此可以看出，對稱位置深標(biāo)點沉降趨勢基本一致， 證明試驗合理； 不論是哪一個深標(biāo)點， 距離坑中心最近的1標(biāo)點隨著時間的推移沉降量變化幅度最大， 也是淺標(biāo)點趨勢分布保持一致， 相互印證。

圖4 深標(biāo)點沉降趨勢圖Fig.4 Settlement trend diagram of deep punctuation

2.3.3 傳感器數(shù)據(jù)處理

如圖5 所示， 根據(jù)T0 探井不同深度的土壤溫濕度計數(shù)據(jù)可以確定， 水體下滲的浸潤鋒線達到5 m、 15 m、 25 m 深度的時間分別為開始灌水后的第3 天、 第13 天、 第15 天。 如圖6 所示， 根據(jù)不同深度水分計響應(yīng)時間推測9.8 日即灌水后第15天， T0 探井25 m 周邊含水率快速增加， 但和其他探井相比， T0 探井入滲速度為最慢， 其原因是T0探井距離滲水孔最遠。

圖5 T0 探井不同深度溫濕度與孔隙水壓數(shù)據(jù)變化趨勢圖Fig.5 Variation trend diagram of temperature， humidity and pore water pressure data at different depths in T0 exploration well

圖7 裂縫發(fā)育特征示意圖Fig.7 Schematic diagram of fracture development characteristics

2.3.4 裂縫發(fā)展

截止第31 天， 在試坑周邊共發(fā)育裂縫四條，每條裂縫的寬度及錯臺的高度都在隨著注水量的增加而變大。 試坑周邊在第7 天出現(xiàn)了裂縫a， 距試坑邊1.3 m， 最寬處已達到9.2 cm， 最高錯臺達到12.8 cm。 裂縫b 于第11 天出現(xiàn)， 距試坑邊為2.5 m， 錯臺最高6.7 cm， 最寬處7.1 cm。 裂縫c于第13 天出現(xiàn)， 距離試坑邊4 m， 最寬處5.5 cm，錯臺2.8 cm。 裂縫d 第19 天出現(xiàn)， 距試坑邊5.2 m， 最寬為4.2 cm， 錯臺1.4 cm。

2.4 室內(nèi)試驗

2.4.1 測試點位選取

以T3 鉆孔為例， 根據(jù)地層分布情況， 分別選擇深度4、 8、 14、 18、 20、 24 m 原狀土樣進行自重濕陷實驗、 濕陷實驗， 每一深度至少同時進行1組3 個平行實驗。 自重濕陷量計算值按照公式（1） 進行計算：

其中β0除隴西、 隴東-陜北-晉西、 關(guān)中之外的地方取值， 取0.5；δzsi為自重濕陷系數(shù)；hi為深度。 可得自重濕陷量計算值ΔZS＝229.5 mm ＞70 mm。由此可見， 場地為自重濕陷性場地。 參考規(guī)范， 10 m 以上土層選用實驗壓力200 kPa， 10 m以下至非濕陷性土層頂部選用上覆飽和自重。 濕陷量計算值按照公式（2） 進行計算：

其中5 m 以上土層α＝1，β＝1.5； 5 m ～10 m土層α＝1，β＝1； 10 m～16 m 土層α＝0.9，β＝0.5。將濕陷系數(shù)代入計算， 可得濕陷量計算值ΔS＝536.15 mm。

根據(jù)GB50025-2018 《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》， 濕陷性黃土地基的濕陷等級， 應(yīng)根據(jù)自重濕陷量計算值或?qū)崪y值和濕陷量計算值進行判定。本場地按照室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)屬于70＜Δzs≤350、 300＜Δs≤700 一檔。 因Δs＜600 mm 且Δzs＜300 mm， 故本場地可判定為Ⅱ級中等濕陷場地。 根據(jù)室內(nèi)實驗得到的自重濕陷量計算值Δzs＝229.5 mm， 結(jié)合目前現(xiàn)場試驗沉降數(shù)據(jù)得到的濕陷量計算值Δs＝344.00 mm ， 判定此場地為Ⅱ級中等濕陷場地。室內(nèi)實驗與現(xiàn)場試驗所得結(jié)果一致。 根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果， 該試驗場地深度達到18 m 及更深時， 屬于非自重濕陷性黃土。 而擬建南內(nèi)環(huán)東街站的主體結(jié)構(gòu)部分， 層底埋深最深約為21.3 m， 故無剩余濕陷量。

3 濕陷性黃土處理方案設(shè)計比選

目前全國建設(shè)地鐵的城市遇到濕陷性黃土的城市主要有西安、 蘭州。 處理原則基本為躲避原則。 目前西安、 蘭州的地鐵主體底部均避開均通過調(diào)線的方式避開濕陷性黃土， 在不可避免情況下可借鑒工程經(jīng)驗不多， 因此本節(jié)開展?jié)裣菪渣S土處理方案設(shè)計比選研究。

3.1 處理方案設(shè)計比選

3.1.1 處理方案一

各關(guān)鍵區(qū)間第一種濕陷性黃土處置方案如圖8所示， 詳細分述如下： 朝～南區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理； 南～東區(qū)間盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度超過3 m 的段落采用地表三重管旋噴進行處理， 盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度小于3 m采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外3 m； 東太堡～長風(fēng)東街區(qū)間盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度超過3 m 的段落采用地表三重管旋噴進行處理， 盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度小于3 m采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外3 m， 濕陷性土層分界線在拱腰與底板之間， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外2m 局部處理； 長風(fēng)東街～學(xué)府街區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理； 省農(nóng)科～太原南區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理。

圖8 各關(guān)鍵區(qū)間第一種濕陷性黃土處置方案Fig.8 The first disposal scheme of collapsible loess in each key section

3.1.2 處理方案二

東太堡～長風(fēng)東街區(qū)間盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度超過3 m 的段落采用地表三重管旋噴進行處理， 盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度小于3 m 采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外3 m，盾構(gòu)底板下濕陷性土層厚度小于2 m 采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外2 m。濕陷性土層分界線在拱腰與底板之間， 注漿半徑為盾構(gòu)管片外2 m 局部處理， 如圖9 所示。

圖9 東太堡-長風(fēng)東街區(qū)間第二種濕陷性黃土處置方案Fig.9 The second treatment scheme of collapsible loess in the section from Dongtaibao to Changfeng East Street

3.1.3 處理方案三

各關(guān)鍵區(qū)間第三種濕陷性黃土處置方案如圖10 所示， 詳細分述如下： 朝～南區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理； 南～東區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理； 東太堡～長風(fēng)東街區(qū)間濕陷性土層采用洞內(nèi)注硅化漿液進行處理。

3.2 處置方案投資估算

將以上三種處置方案進行羅列對比分析， 并進行投資概算， 總結(jié)如表1 所示， 由此可見， 從經(jīng)濟安全角度， 選擇處理方案三最為合理。 與此同時， 針對車站， 對于車站主體及附屬側(cè)墻范圍的濕陷性黃土層不采取處理措施， 對于底板以下2.0 m 范圍內(nèi)存在濕陷性土層的情況， 采取灰土換填的方式， 超過2.0 m 的較厚的濕陷性土層， 采取φ800＠600 單軸攪拌樁處理至非濕陷性土層至少1.0 m。 針對盾構(gòu)區(qū)間， 與線路配合優(yōu)化線路縱坡， 區(qū)間底板盡量避開濕陷性黃土層； 地面有條件的， 在地面采取旋噴樁加固濕陷性黃土層， 加固范圍為盾構(gòu)圓心以下至非濕陷性土層至少1.0 m；地面沒有加固條件的， 采取在盾構(gòu)圓心以下管片預(yù)留注漿孔， 待盾構(gòu)管片拼裝完成后進行注漿。

表1 三種處置方案對比分析Table 1 Comparative analysis of three disposal schemes

4 暗挖隧道典型地段處理措施數(shù)值仿真分析

4.1 分析模型建立

使用ANSYS 15.0 軟件， 建立面積為90（X） ×50 （Y） ＝4500 m2的二維模型， 管片采用BEAM3 梁單元， 圍巖采用PLANE42 實體單元； 隧道埋深7 m， 基底以下35 m， 左右拱腰距左右邊界均為40 m。 分析區(qū)域線有限元網(wǎng)格單元邊長約為0.5 m-1.5 m。 分析范圍取為：豎直方向 （高程） 上， 底部分析區(qū)域邊界， 取隧道底板最低處以下35 m， 向上取為原始地面。水平方向上左右分別取為約5 倍隧道開挖跨度。為便于分析， 選取地基分析特征點， 其中A、 C兩點為底部兩側(cè)點， B 點為底部中點。 有限元模型如圖11 所示。 根據(jù)委托方提供的資料得到各土層巖土力學(xué)參數(shù)取值， 分析所采用的各土層力學(xué)參數(shù)如表2 所示， 鋼筋混凝土以及樁材料參數(shù)取值如表3 所示。 由于本分析主要是對比分析處理后的效果， 模擬未處理和經(jīng)過針對性加固出處置兩種不同情況下區(qū)間隧道開挖、混凝土襯砌結(jié)構(gòu)施作以及最后濕陷性黃土層完全浸水后的濕陷變形。

表2 各地層巖土參數(shù)建議值表Table 2 Recommended value table of geotechnical parameters for each stratum

表3 混凝土強度設(shè)計值與彈性模量Table 3 Value of strength and elastic modulus of concrete

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

4.2 分析成果與討論

圖12 給出了未經(jīng)處理和經(jīng)過處理2 種情況下區(qū)間隧道施工完成完全浸水后周圍土體位移云圖。從圖12 （a）、 （b） 中可以看出， 不處理方案條件下， 不處理方案條件下， 區(qū)間隧道施工完成完全浸水后周圍土體位移主要特征如浸水前規(guī)律相差較大， 主要為： 豎直方向上， 豎直方向向下的最大位移為1140 mm， 而且不是分布在隧道拱頂而是位于在地面； 水平方向上， 位移基本對稱分布，符合一般規(guī)律。 進一步分析表明， 施工完并完全浸水后， 若與開挖前相比， 在底板進一步沉降，與完全浸水前相比， 底板下沉約100 mm。 從圖12（c）、 （d） 中可以看出， 經(jīng)過濕陷性加固處理后，分析區(qū)域內(nèi)向下最大沉降為194 mm， 出現(xiàn)在隧道對應(yīng)的地面。 進一步分析表明， 施工完并完全浸水后， 在底板均表現(xiàn)為豎直向下沉降位移。

圖12 完全浸水后區(qū)間隧道周圍土體位移場Fig.12 Soil displacement field around completely flooded interval tunnel before and after treatment

表4 給出了完全浸水后區(qū)間隧道地基位移特征點沉降位移。 從表4 可以看出， 在不處理條件下， 地基位移特征點A、 地基位移特征點B、 地基位移特征點C 的濕陷沉降位移分別為108.88 mm、102.51 mm、 108.87 mm。 按照擬定的方案處理后，地基位移特征點A、 地基位移特征點B、 地基位移特征點C 的濕陷沉降位移分別為16.32 mm、13.27 mm、16.67 mm。 經(jīng)擬定的方案處理后， 濕陷沉降改善明顯， 滿足了后期變形控制要求。

表4 完全浸水后區(qū)間隧道地基特征點濕陷沉降表Table 4 Collapsible settlement table of characteristic points of interval tunnel foundation after complete flooding ／mm

5 結(jié)論

本文以太原地鐵1 號線土建7 標(biāo)為工程依托，開展黃土濕陷性浸水現(xiàn)場試驗， 借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗提出合理處置方案， 并采用ANSYS 對所選方案進行數(shù)值模擬驗證， 主要得出如下結(jié)論：

（1） 現(xiàn)場浸水試驗及室內(nèi)濕陷實驗結(jié)果均表明， 工程場地為Ⅱ級中等濕陷場地。 根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果， 該試驗場地深度達到18 m 及更深時， 屬于非自重濕陷性黃土。 而擬建南內(nèi)環(huán)東街站的主體結(jié)構(gòu)部分， 層底埋深最深約為21.3 m， 故無剩余濕陷量。

（2） 經(jīng)對比， 針對車站， 南內(nèi)環(huán)東街站、 東太堡站整體下壓3 m， 主體底板下黃土層采用三七灰土換填， 附屬基坑采用坑內(nèi)灰土擠密樁處理，朝陽街C、 D 出入口過街通道、 南內(nèi)環(huán)東街C、 D出入口過街通道采用暗挖洞內(nèi)微型樁處理； 針對區(qū)間隧道， 盾構(gòu)工法洞內(nèi)注硅化漿液處理（單液硅化法）， 相較于初始設(shè)計方案增加處置費最少，增加1506.77 萬元。

（3） ANSYS 計算結(jié)果表明， 采用相應(yīng)處置方案后， 地基位移特征點濕陷沉降位移大幅度降低，證明經(jīng)擬定的方案處理后， 濕陷沉降改善明顯，滿足了后期變形控制要求。