西安地鐵黃土隧道工程特性分析及計(jì)謀

1、西安地鐵黃土隧道工程特性分析及計(jì)謀【摘要】深刻分析黃土的物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度及濕陷性、水敏性、結(jié)構(gòu)性等特性和產(chǎn)生本源，運(yùn)用目前的黃土隧道研究功效，通過(guò)總結(jié)分析以為，西安地鐵具有黃土隧道土體強(qiáng)度低、自承能力差、開(kāi)挖后縱向變形進(jìn)展快、橫向變形范困小、坡度陡及水對(duì)土體強(qiáng)度和變形阻礙大等特點(diǎn)，提出優(yōu)先選用盾構(gòu)施匚暗挖施工采納早降水、強(qiáng)支擴(kuò)取消系統(tǒng)錨桿及采納WSS注漿堵水等應(yīng)付方法。【關(guān)鍵詞】城市軌道交通西安地鐵黃土隧道黃上是第四紀(jì)干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊的大陸松散沉積物,具有濕陷性、水敏性、結(jié)構(gòu)性等特殊性質(zhì)。修建于黃土介質(zhì)中的隧道明顯區(qū)別于山嶺磁道和南方土質(zhì)隧道,具有典型的黃土工程特性，也產(chǎn)

2、生r一系列技術(shù)問(wèn)題和新的工程地質(zhì)災(zāi)'害，憑以往的隧道設(shè)計(jì)理論和施工體會(huì)已無(wú)法完全解決所碰到的問(wèn)題，必需對(duì)黃上隧道的工程特性開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研先這已成為黃土工程界和學(xué)術(shù)界的共識(shí)。我國(guó)西北地域是黃上地層最厚、最完整、發(fā)育好、地層全、散布持續(xù),最具代表性的地域。西安地鐵修建于城市淺層地表，是典型的淺埋黃土隧道。施1：中不但要保證磁道本身的平平穩(wěn)固，還必需保證城市地面建筑物和管線的平安運(yùn)行，尤其要保證鐘樓、城堵等一批國(guó)家重點(diǎn)文物的平安，因此對(duì)黃土隧道的設(shè)計(jì)和施技術(shù)提出了更高的要求°一、工程概述西安地鐵正線隧道底板埋深一樣在17224m，暗挖法出入口及風(fēng)道底板埋深約在12m,拱頂最淺埋深僅為4

3、m,均屬淺埋黃土隧道。地層自上而下依次為素填土、新黃土、老黃上、古土壤、粉質(zhì)粘土。隧道穿越地層一樣為新黃土、古土壤和老黃土。地下水位埋深為617m,要緊為第四系孔隙潛水。西安地鐵區(qū)間1：程施工分暗挖法和盾構(gòu)法兩種。為保證工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先考慮盾構(gòu)法施匚，暗挖法要緊用于非標(biāo)準(zhǔn)斷面的正線磁道、暗挖乍站、聯(lián)絡(luò)通道、出入口及風(fēng)道下穿道路段等1：程施J暗挖標(biāo)準(zhǔn)斷面一樣采納正臺(tái)階法施L預(yù)的核心上;非標(biāo)準(zhǔn)斷面采納CRDL：法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、中洞法施J二、黃土的大體工程特性黃土的成份、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)典型黃土顏色多呈黃色、淡灰黃色或褐黃色，以粉粒成份為主，結(jié)構(gòu)均勻無(wú)層理，疏松大間隙，垂直節(jié)理發(fā)育,富含

4、碳酸鹽。黃土顆粒粒徑集中在0.075之間。黃上曠物成份較豆雜，粗礦物一樣為次棱角狀到楂角狀礦物晶體,細(xì)粒礦物以伊利石、蒙脫石等粘土礦物為主":程中黃土一樣按粉土、粉質(zhì)粘土對(duì)待?？辜魪?qiáng)度黃土抗剪強(qiáng)度是指黃土抗擊剪切破壞作用的能力。黃土中含有相當(dāng)數(shù)量的粘土和鹽類(lèi)，使黃土顆粒有必然程度的膠結(jié)，從而具有相當(dāng)?shù)脑純?nèi)聚力，法向壓力不大時(shí)抗剪強(qiáng)度與法向壓力成正比，超過(guò)原始內(nèi)聚力后抗剪強(qiáng)度顯著降低。黃土浸水進(jìn)程中，濕陷處于進(jìn)展期,現(xiàn)在上的抗剪強(qiáng)度降低最多，當(dāng)濕陷壓密進(jìn)程已大體終止時(shí)，土的含水量雖高，現(xiàn)在土的抗剪強(qiáng)度卻高于濕陷進(jìn)程的相應(yīng)值。緊縮性我國(guó)黃土多屬于中等、中等偏高緊縮性,a>2=黏粒

5、含量較多時(shí)呈低緊縮性。黃土緊縮性呈現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)變趨勢(shì):一是地質(zhì)年代稍早的Q2和Q3黃土，固結(jié)度稍高，多為中等偏低或低緊縮性，而Q3晚期和Q4黃土多為中等偏高緊縮性;二是受顆粒散布和含水量轉(zhuǎn)變的阻礙，期粒含量較高、含水量較低時(shí)，黃上具有較好的抗緊縮性。濕陷性濕陷性是黃土在自重壓力或外力荷載壓力不變的情形下，僅僅由于濕度（含水量）的增加而產(chǎn)生的急驟顯著附加下沉,從而引發(fā)地面的變形和建筑物破壞的性能C黃土的疏松多孔結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)構(gòu)性孔隙是黃土濕陷性的必要條件;黃土中的不抗水粒間膠結(jié)是黃土濕陷性的充分條件。水膠聯(lián)合是黃上顆粒之間的要緊聯(lián)結(jié)形式，在干燥時(shí)給予黃土相當(dāng)高的強(qiáng)度,但遇水后聯(lián)結(jié)被減弱，強(qiáng)度降低，而

6、且其減弱程度隨水量的大小成正比例轉(zhuǎn)變，這是黃土濕陷性的木質(zhì)。另外，可溶鹽對(duì)黃上濕陷性也有必然程度的阻礙。水敏性黃上礦物中含有伊利石、蒙脫石等粘土礦物，這些粘土礦物（尤其是伊利石）具有較好的親水性，在受水浸澗后與水發(fā)生作用形成空洞，是致使?jié)裣莸囊o緣故之一。黃土中的柱狀節(jié)理發(fā)育，粉粒吸水性較差,故而黃土在豎向具有較好的滲透性，使地表水迅速下滲，但水平方向滲透性很差。豎向滲透性使黃土多處于干燥狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度;飽和黃土長(zhǎng)期處于水浸泡環(huán)境，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)慢慢被破壞，尤其當(dāng)黃土中砂質(zhì)成份較多時(shí)，黃土呈現(xiàn)出必然的水崩解性。結(jié)構(gòu)性匚程上能夠如此宏觀地明白得上的結(jié)構(gòu)性，即天然（原狀）上與飽和重塑上力學(xué)

7、性質(zhì)之間的不同。黃上是一種典型的結(jié)構(gòu)性上，其結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土力學(xué)和工程性質(zhì)的阻礙（比粒度、密度、濕度）更為重要。黃土的結(jié)構(gòu)取決于粗顆粒配置、接觸的關(guān)系，和孔隙的類(lèi)型和大小，咬聯(lián)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、狀態(tài)及特點(diǎn)。殘積坡枳等次生黃土多具有不等?！卑郀罱Y(jié)構(gòu)，大孔隙多，形狀且雜。原生黃上那么具有直立性/、孔隙發(fā)育多,無(wú)層理，柱狀節(jié)理發(fā)育，地層邊緣常成直立陡壁的特點(diǎn)。3、黃土隧道二程特性分析黃土磁道支護(hù)機(jī)理依照傳統(tǒng)山嶺隧道支護(hù)理論，為r充分發(fā)揮用巖木身的自承能力，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受的荷載，隧道開(kāi)挖后許諾圍巖產(chǎn)生必然變形，樣放必然比例的圍巖壓力，然后再采納噴射混凝土柔性支護(hù)，使用巖和初期支護(hù)和諧變形，一起承擔(dān)支護(hù)作用。但

8、關(guān)于黃上隧道，由于黃土強(qiáng)度相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，自身承載能力較差，開(kāi)挖擾動(dòng)后變形較大，加上若是不及時(shí)采納剛度較大的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，土體專(zhuān)門(mén)快進(jìn)入塑性變形及破壞時(shí)期,變形生快速增加,專(zhuān)門(mén)是淺埋地鐵磁道，沉降將專(zhuān)門(mén)快涉及到地表，對(duì)地面建筑物和地下管線的平安組成要挾，因此必需采取“強(qiáng)支護(hù)”的應(yīng)付方法.如圖1所示，圍巖的特點(diǎn)曲線和支護(hù)剛度曲線的交點(diǎn)c（穩(wěn)固點(diǎn)）應(yīng)盡可能靠近a點(diǎn),即支護(hù)所經(jīng)受的荷載（P）越大越好,以減小圍巖的承載力，并作為支護(hù)和圍巖一起作用的平安儲(chǔ)善。原始應(yīng)力線圖1黃上隧道闈巖變形與支護(hù)東力關(guān)系黃土磁道變形規(guī)律黃土地層垂直節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，因此黃土隧道開(kāi)挖后變形超級(jí)''

9、靈敏。監(jiān)測(cè)數(shù)聽(tīng)說(shuō)明，黃土隧道變形有以下特點(diǎn)：1）黃上隧道變形沿縱向傳遞快。在學(xué)子血抵達(dá)之前,地層變形已達(dá)到總變形量的35%左右，待學(xué)子面通事后5m,達(dá)到總變形量的70%80%,初支封鎖后變形大體趨于穩(wěn)固，如圖2所示。A下臺(tái)階開(kāi)挖30241817Isi6-1-®那23日2月27日3月2日3月6日3月10日3月14日3月18日3月22日一測(cè)一期拱一拱頂保左左拱角T-右拱角圖2西安地鐵典型斷面地表沉降時(shí)態(tài)曲線2）黃上隧道地層沉降表現(xiàn)為整體沉降，地表橫向變形沉降槽明顯，形狀大體符合Peck公式，但沉降槽寬度較小，坡度較陡。一樣表現(xiàn)為避道軸線必然范圍內(nèi)上體的整體變形，不同深度土層變形量不同不大

10、，如圖3所示。圖3西安地鐵典型斷而地表沉降槽曲線監(jiān)測(cè)說(shuō)明,隧道開(kāi)挖后拱頂沉降大體在1020mm,但地表沉降大體在30mm左右，約為拱頂沉降的2倍,這是由于拱頂沉降在監(jiān)測(cè)前已經(jīng)發(fā)生，而無(wú)法測(cè)到真實(shí)值的緣故。由此可見(jiàn)，黃土隧道變形對(duì)健道木身幾何尺寸阻礙較小，一樣可不能顯現(xiàn)"侵限”問(wèn)題旭對(duì)地面建筑物阻礙那么較大，需要嚴(yán)格操縱。水對(duì)黃土燧道的阻礙不管是黃上的失陷性，仍是水敏性，都反映水與黃土性狀的特殊關(guān)系，一樣，水對(duì)黃土隧道也有著超級(jí)大的阻礙，仃納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：1）黃土侵水后容重顯著增大,作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載慢慢增加C2）黃土侵水后強(qiáng)度降低，自承能力減弱，嚴(yán)皎時(shí)致使隧道失穩(wěn)，產(chǎn)生塌方。3

11、）失陷性黃土侵水后發(fā)生失陷，地表沉降顯著加大。4）飽和軟黃土地層降水后地表沉降專(zhuān)門(mén)大，沉降量在40mm以上，致使地面建筑物產(chǎn)生開(kāi)裂，因此需要嚴(yán)格操縱降水量，必要時(shí)在洞內(nèi)進(jìn)行超前堵水，以保證掘進(jìn)平安。水是地下1:程的最大危害，關(guān)于黃土隧道更是如此。因此，必需增強(qiáng)對(duì)地下水和地表水的綜合整治，嚴(yán)防水對(duì)地鐵工程造成危害。4、應(yīng)付方法優(yōu)先采納盾構(gòu)法施工西安地鐵位于城市繁華地段，地面建筑物及地下管線眾多，為r保證施1：平安,操縱地表沉降，宜優(yōu)先選擇盾構(gòu)施i：c盾構(gòu)推動(dòng)進(jìn)程中要操縱好盾構(gòu)姿態(tài)，嚴(yán)防盾構(gòu)機(jī)”磕頭“、"抬頭;和諧好盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和出土速度，維持好上倉(cāng)壓力，避免開(kāi)挖而下沉或隆起；增強(qiáng)同步注漿

12、，及時(shí)填充管片與上層之間的間隙，減少地層損失造成的下沉。由于目前盾構(gòu)機(jī)同步注漿管徑普遍較細(xì),漿液不能過(guò)楣，為r避免注漿引發(fā)黃土失陷，要緊采取減小砂粒粒徑（全數(shù)采納粉砂），適當(dāng)縮短漿液凝固時(shí)刻（大體操縱在56h）等方法，漿液配比一樣為水泥：粉煤灰：砂：膨潤(rùn)土：水=220：260：960：48：361（質(zhì)量比），嚴(yán)格操縱施工工藝采納礦山法施I：的隧道必需依照淺埋暗挖法的十八字方針施L即”管超前,嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺,強(qiáng)支護(hù)，早封鎖,勤量測(cè)c具體要點(diǎn)如下：1）超前支護(hù)。要緊有三種方法，一是大管棚超前支護(hù)。如鐘樓站喑挖風(fēng)道和體小區(qū)間下穿長(zhǎng)安立交，均采納定向長(zhǎng)大管棚施工技術(shù)，收到了良好成效。但在會(huì)展中心站后配

13、線的暗挖施【中，由于隧道斷面尺寸不同，大管棚采納從雙側(cè)向中間對(duì)打的施方式，且為水鉆成孔,地表沉降均在100mm左右，最大值達(dá)到242mm,成效很不睬想。二是小導(dǎo)管超前注漿。由于黃上自身比較密實(shí),水平向滲透系數(shù)很小，致使小導(dǎo)管打入長(zhǎng)度很短,注漿又很困難，因此實(shí)際成效不睬想;經(jīng)實(shí)踐查驗(yàn)，采納WSS注漿工藝，在黃土隧道及砂層中堵水成效明顯，但費(fèi)用較高。三是取消系統(tǒng)錨桿。由于黃土磁道開(kāi)挖后表現(xiàn)為地層整體沉降，圍巖松動(dòng)圈范圍在1倍洞徑左右，采納長(zhǎng)度為35m的系統(tǒng)錨桿起不到支護(hù)成效，而且成孔困難,因此在1號(hào)線取消/系統(tǒng)錨桿，經(jīng)實(shí)踐查驗(yàn)成效良好。2）隧道開(kāi)挖。隧道開(kāi)挖嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求一桶一瓶不能超挖。臺(tái)階法開(kāi)

14、挖上下臺(tái)階距離最好操縱在35m,不能太短,以避免造成上下臺(tái)階之間坡度過(guò)陡，發(fā)生塌方;也不宜太長(zhǎng)，太長(zhǎng)那么會(huì)造成初期支護(hù)不能及時(shí)成環(huán),對(duì)沉降操縱超級(jí)不利。上臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留1.5m核心上，以避免學(xué)子面滑塌，限制地層變形。核心上尾部宜按1：1刷坡，幸免核心土自身滑塌傷及下臺(tái)階施工人員。CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、中洞法施工各導(dǎo)洞臺(tái)階之間也應(yīng)拉開(kāi)35m距離，幸免同一斷面同時(shí)開(kāi)挖造成沉降段加。3）初期支護(hù)。目前，地鐵隧道普遍采納“鋼格柵+噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)片”組合的支護(hù)形式。鋼格柵與型鋼支撐相較，剛度較低，只有在噴射混凝上具有必然強(qiáng)度后才具有較高剛度。但鋼格柵較型鋼支撐安裝方便，連接牢固，且斷面尺寸較寬,不

15、易發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。鋼筋與噴射混凝土握裹力強(qiáng)，后期形成一個(gè)整體后支護(hù)成效更好。為了使初期支護(hù)真正起到強(qiáng)支護(hù)的作用，施I:中必需嚴(yán)格操縱開(kāi)挖尺寸，嚴(yán)禁超挖;鋼格柵底部必需支撐在牢固上體上，拱腳要用木板或砌塊墊實(shí);鎖腳錨管?chē)?yán)格按設(shè)計(jì)角度施L并注漿;格柵安裝必然要橫平豎直,避免格柵失穩(wěn)變形;噴射混凝上必需密實(shí)，幸免壁后留洞;初期支護(hù)背后要及時(shí)進(jìn)行回填注漿，注漿材料采納水:水泥:石灰=1：1:1,石灰遇水膨脹，可起到專(zhuān)門(mén)好的填充作用。4）二次襯砌。研究說(shuō)明，黃土隧道二襯所受壓力一樣僅為隧道圍巖壓力的10%左右#1此二襯的要緊作用是經(jīng)受地下水恢身后所增加的水壓力，并作為平安儲(chǔ)蓄。由于地鐵隧道斷面較小，二襯施

16、1:對(duì)開(kāi)挖施:干擾專(zhuān)門(mén)大，因此可依照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及磁道水文地質(zhì)實(shí)際情形合理安排二襯施L：時(shí)刻，如工期緊張可采納增加聯(lián)絡(luò)通道的方式提早開(kāi)始二襯施工。治水方法1）地表水防治。為避免地表水涌入隧道,需對(duì)豎井口、下料孔、降水井、勘探孔等進(jìn)行防護(hù)。配備大功率、大揚(yáng)程水泵和足夠長(zhǎng)的水管，儲(chǔ)蓄防洪物資，做好應(yīng)急偵備。為避免雨水下滲對(duì)磁道圍巖強(qiáng)度的阻礙，地表盡可能硬化或粗蓋,2)管線滲漏水防治。為避免地下管線破裂造成大量水涌入隧道,第一要對(duì)周?chē)芫€進(jìn)行調(diào)套和監(jiān)控，制訂相應(yīng)的愛(ài)惜方案,并與管線產(chǎn)權(quán)的位成立聯(lián)系，一旦顯現(xiàn)險(xiǎn)情可迅速采取應(yīng)急方法。3)地下水防治。關(guān)于地下水第一要立足地面降水，若是地面無(wú)條件降水或降水

17、成效不睬想，可采納在洞內(nèi)真空降水，或洞內(nèi)與地面降水相結(jié)合的方案，盡可能把水位降低到開(kāi)挖面以下，以保證開(kāi)挖面平安，減少地層變形。關(guān)于飽和軟黃土地層，應(yīng)盡可能減少降水，采納洞內(nèi)注漿堵水，以避免降水引發(fā)地面建筑物開(kāi)裂。關(guān)于地裂痕段和有砂層的地段，必然要專(zhuān)門(mén)注意地下水情形,采納超前探測(cè)，嚴(yán)防涌水、涌砂造成地面塌陷。必要時(shí)可采取旋噴樁、WSS工法注漿堵水。4)二襯滲漏水處置。關(guān)于初支及二襯滲漏水問(wèn)題，可采納反更壓注水泥漿，并結(jié)合化學(xué)注漿等方法進(jìn)行處置。五、結(jié)語(yǔ)西安地鐵屬典型淺埋黃上隧道，其支護(hù)機(jī)理、變形規(guī)律及浸水后產(chǎn)生的一系列轉(zhuǎn)變與黃土木身的特殊構(gòu)造和性狀緊密相關(guān)。在充分熟悉西安地鐵黃土隧道本質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性的技術(shù)方法，增強(qiáng)對(duì)施工中一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的治理和監(jiān)督，就必然能夠解決西安地鐵建設(shè)中顯現(xiàn)的各類(lèi)難題C通過(guò)地鐵一、2號(hào)線的實(shí)踐，筆者已經(jīng)對(duì)城市淺埋黃上避道設(shè)計(jì)和施1：有r更為深切的/解,總結(jié)出r-些行之有效的施1：方式和1：程方法，但對(duì)黃土磁道注漿加固、飽和軟黃土地層沉降操縱等方面的研究還不夠深切，需要進(jìn)一步探討。參考文獻(xiàn)口沈衛(wèi)平,淺埋黃土隧道施工方式及支