黃土地層浸水對地下綜合管廊的影響

常兵

（西安市干道市政建設開發(fā)有限責任公司，陜西西安 710077）

0 引言

合理利用城市地下空間是解決城市擴張與土地資源緊張之間矛盾的重要方法，是實現(xiàn)城市立體式發(fā)展的重要載體。地下綜合管廊是將電力、燃氣、通信、給排水等各種工程管線集中在一個地下隧道空間，實現(xiàn)統(tǒng)一設計、建設和維護運行的城市管道綜合走廊。隨著經(jīng)濟建設的加快，城市地下綜合管廊的總長度和現(xiàn)代化程度也在穩(wěn)步提高，不僅實現(xiàn)了各類城市公共管線的集約式維護和管理，也避免了不同管線單位對城市路面的反復開挖。

我國疆域遼闊，地質(zhì)結構復雜，不同地質(zhì)條件進行地下工程作業(yè)必須分析土體介質(zhì)的基本水土特性，確保工程建設和運營的可靠性和安全性。濕陷性黃土主要存在于我國西北地區(qū)，在干燥情況下土質(zhì)堅硬、穩(wěn)定性好，遇水浸濕后濕陷變形。西安地處渭河流域中部關中盆地，位于黃土高原和秦嶺之間，屬于濕陷性黃土地區(qū)，在地下綜合管廊的建設過程中難免會遇到管線穿越濕陷性黃土地層的情況下，容易產(chǎn)生由地基濕陷導致的管廊結構變形甚至塌方[1]。因此，在地下綜合管廊的項目評估和規(guī)劃期間，就應該展開黃土管廊地基濕陷預測以及危害評估。

1 黃土濕陷性分析

黃土由于其特殊的顆粒間架空孔隙造成其在天然低濕度條件下強度較高、抗形變能力較強，但在浸水情況下強度驟降，容易產(chǎn)生大幅度形變，因此導致地下綜合管廊由于濕陷性出現(xiàn)工程問題。早期國外學者針對黃土濕陷成因提出的毛管理論[2]、膠體理論、溶鹽理論、欠壓密理論等都只能對部分現(xiàn)象做出解釋，直到電子顯微鏡等新技術在地質(zhì)學科投入運用，學術界才對“黃土顆粒間架空孔隙導致濕陷”這一理論達成共識。目前普遍認為，黃土中的顆粒形態(tài)、孔隙特征、接合形態(tài)和接合材料是決定黃土結構性質(zhì)的重要因素，黃土濕陷就是由于黃土顆粒間架空孔隙在水分子作用下結構崩塌產(chǎn)生更小孔隙的過程。

非飽和黃土由于其雙孔隙結構的特點，其浸水濕陷變形影響因素主要有孔隙比ε、土壤含水率ω、土壤飽和度σ和相對滲透系數(shù)k，孔隙比ε是為土顆粒間孔隙和土顆粒內(nèi)孔隙的比值，土壤飽和度σ為土壤孔隙水體積除以土壤總體積，相對滲透系數(shù)k是土體非飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)除以土體飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。目前對黃土的浸水濕陷性模型仍處于研究階段，傳統(tǒng)研究方向均聚焦于彈塑性理論和損傷理論，這些理論在理論分析和濕陷數(shù)值計算等方面都存在較大缺陷。借助SEM（掃描電鏡）等技術，通過研究浸水條件下非飽和黃土的滲透特性，根據(jù)觀測結果，可以得到非飽和黃土在不同壓力和含水率條件下的濕陷變型機理。同時為了分析滲透率和孔隙之間關系，需要在現(xiàn)有滲透模型的基礎上結合具體孔隙參數(shù)解釋不同孔隙和不同含水率情況下濕陷性黃土的滲透特性。

此外，基于Olivier等人的多孔介質(zhì)理論，近些年L.B和B.T.Lai等人提出的土體狀態(tài)理論建立了孔隙土體由非飽和狀態(tài)進入飽和狀態(tài)的數(shù)學轉換模型，但該模型未考慮氣壓因素，當土體所處氣壓環(huán)境改變時模型計算得到的土壤排水數(shù)據(jù)誤差較大。同時，這類模型并未考慮孔隙形狀對土體滲透特性的影響，忽視了土體中固體、液體和氣體之間相互轉換的情況，因此仍需要一個能夠全面描述非飽和黃土特性的數(shù)學模型。

2 非飽和黃土對管廊施工的影響

非飽和黃土地區(qū)管廊工程在施工前需要采用模擬實驗，通過使用玻璃、塑料等材料模擬管廊襯砌，并利用攝像機、傳感器等手段觀察土體周邊壓力矩、浸水深度和地表沉降程度，分析管廊項目施工過程中由于濕陷性黃土遇水造成的工程風險，進而根據(jù)分析結果制定管廊工程所處濕陷性黃土區(qū)域的黃土控制方法和處置深度，為工程的安全性和可靠性提供支持。

西安已建成或在建的地下綜合管廊項目大部分處于黃土地層，部分廊段臨近河道，綜合管廊項目在建設和運營過程中長期受到地層浸水干擾，土壤含水率、黃土顆粒間孔隙比等水土特性容易受到降雨、河道水量變化、地下水遷移等影響，且地下綜合管廊施工改變了水滲流路徑和水位，河道裂隙容易在廊體周圍富集，導致管廊所在地層浸水改變土壤狀態(tài)和廊體結構受力、地基強度等參數(shù)隨時間變化，產(chǎn)生錯臺、管道結構扭轉、襯砌開裂甚至廊體坍塌。現(xiàn)有的《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》主要關注點在于地面建筑物和地面基礎設施，其針對濕陷性黃土的處置方法并不適用于地下管廊工程的建設，且目前地下綜合管廊多采用明挖法，管廊工程導致土體卸載量大于加載量，可能會造成地基受力變形。目前西安地下綜合管廊建設尚處在全面建設開始階段，濕陷性黃土對綜合管廊的影響評估尚無一個精確地模型，無法準確計算浸水黃土對工程的危害，因此考慮采用相似模擬實驗對西安地下綜合管廊建設與維護進行研究。

3 相似模擬實驗分析與結論

相似模擬實驗是在實驗室條件下按照相似原理制造與原物品類似的模型，同時借助儀器儀表等測試手段對模型的狀態(tài)進行觀測和研究，由于基于相似模擬理論的實驗結果與虛擬仿真及理論分析相比具有很高的精確度，因而在建筑領域使用十分廣泛[3]。根據(jù)相似模擬理論，對地下管廊工程進行等比例縮尺，并建立與實際類似的模型，通過調(diào)節(jié)模型狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境因素，可以有效分析地下綜合管廊施工過程中周圍土體環(huán)境的非線性變化，避免在管廊工程施工和運行過程中產(chǎn)生不利影響。

以西安常寧新區(qū)管廊工程為例，該區(qū)段最最淺埋深不足10m，由于管廊埋深較淺，地面雨水匯集以及河道滲水造成濕陷性黃土結構強度降低，地基及圍巖承重能力下降，此時管廊側壁及拱頂受力發(fā)生變化，容易產(chǎn)生截面?zhèn)惹谢虺两底冃危斐晒芾日w結構變形、內(nèi)部線路遭到破壞。采用相似模擬實驗分析方法，設定隧道埋深為35cm（對應實際深度10m）[4]，管廊下部濕陷性黃土厚度為70cm（對應實際深度20m），采用10cm、15cm、20cm、25cm、30cm和35cm六種不同浸水深度，在模型拱璧不同位置安裝壓力傳感器，采用2mm×2mm篩網(wǎng)對黃土過篩，并通過襯砌彎矩和壓力分析管廊工程結構穩(wěn)定性。結果表明，當浸水深度增加時，不僅管廊隧道應力發(fā)生改變，圍巖承重能力降低，同時管廊底部地基承壓也在增加，且地基的強度逐漸減弱，管廊和地基容易出現(xiàn)沉降位移。根據(jù)實驗結果可以得到，在濕陷性黃土環(huán)境修建地下綜合管廊應充分考慮可能出現(xiàn)的浸水狀況，并采用不同結構件進行結構加固以避免管廊和地基沉降變形。