黃土地區某地鐵區間隧道設計難點分析與探討

邵國鑫

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037）

1 引言

黃土地區土層的固結、飽和等性質都會對地鐵區間隧道的穩定性產生不同影響。在黃土地區建設地鐵區間隧道需要考慮多種參數的取值及相應的計算模式，通過深入的現場勘察、分析充分明確隧道設計過程中需要注意的問題，避免影響地鐵現場施工及后續運營安全。

2 黃土隧道的自穩性分析

2.1 飽和與固結特性的影響

黃土土層的飽和特性與土層初始的含水率有直接關聯，還會對不飽和黃土的基質吸力產生影響。結合不飽和黃土土層的水特征曲線來說，黃土土層的含水率減少較慢，但產生的基質吸力非常大，所以，在進行黃土隧道施工前要注意開展合理的降水工作。而隨著土層孔隙體積的不斷縮小，各處的超靜孔壓力會逐步消散，應力會提升，黃土土層的平均固結度會隨時間的延緩而增加，土層相關黏聚力、壓縮模量等參數都會不斷增加，進而影響黃土地區隧道的整體穩定性[1]。

2.2 水敏性的影響

由于黃土遇水后會出現崩解，體現出一定程度的水敏特性，如濕陷性、弱膨脹性等。這都與黃土土層符合水溶性質鹽類及自身的高粉粒性有關聯，加之黃土土層內部存在大孔性結構，隨著水和壓力的不斷侵入，黃土隧道在實際運營使用期間經常存在防排水措施失效、隧道襯砌劣化等方面的問題，由于隧道圍巖當中出現了新的滲流路徑，會造成黃土土層出現不同類型的濕陷問題，嚴重者會對隧道襯砌產生破壞，特別是部分淺埋的黃土隧道，若不能有效處理，降低水敏性影響，很容易造成地表裂縫、隧道冒頂等類型的事故發生。

2.3 可灌性與降排水性的影響

黃土土層的滲透性較差，可灌性相較于滲透性更差，因此，必須采用劈裂灌漿的方法進行處理。處理過程中要確保漿液能夠速凝且時間可控，最終的結石率要高，早期的強度要大。實際處理過程中，注漿壓力要能夠克服黃土土層的初始應力，保證抗拉強度滿足隧道使用要求，并且能夠在土體當中凝結成完整的漿脈，或者采用加筋復合體降低土體含水率來提升黃土土層的力學特性和整體強度，為后續隧道開挖、支護等工作打下良好的基礎[2]。

3 黃土地區地鐵區間隧道設計難點

3.1 設計概況

某城市地鐵出入線區間隧道見圖1，接軌區間位于某車站南側，以250m 半徑向東接入場段。周邊控制因素：區間側穿橋樁、穿越廢棄防空洞、上跨已建成地鐵線出入線區間、跨越f10/f13/臨潼長安斷裂帶等，設計難度較大。區間采用礦山法暗挖和明挖法進行施工，明挖區間隧道穿越斷裂帶采取加強措施見圖2，礦山法暗挖區間隧道穿越地裂縫采取加強措施見圖3、圖4。

圖1 某地鐵區間隧道平面示意圖

隧道埋深范圍內由上至下依次為素填土、新黃土（水上）、古土壤（水上）、老黃土（水上）及古土壤與老黃土互層（見圖2）。勘察期間，穩定地下水位高程低于隧道底板約23m，可不考慮地下水對擬建工程的影響。本場地新黃土、老黃土具有濕陷性，場地濕陷類型為自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級Ⅱ～Ⅲ級。根據地勘資料，濕陷性土層下限深度約為20m，局部位于隧道底板下15m。對于隧道底板下濕陷性黃土采用微型樁進行濕陷性處理。

圖2 明挖區間橫剖面圖（斷裂帶設防段）

圖3 暗挖標準橫剖面圖（地裂縫設防段）

圖4 單洞雙線暗挖區間橫剖面圖（地裂縫設防段）

圖5 某地鐵區間隧道地質剖面圖

根據礦山法隧道設計參數（見表1），建立相應模型模擬現場狀況，進行設計問題的分析、研究，以便了解黃土地區地鐵區間隧道設計過程中可能存在的問題和重難點。

表1 礦山法隧道設計參數表

3.2 確定側壓力系數

黃土隧道設計過程中，側向土壓力系數對于系統整體設計影響較大，由于其確立的難度較大，需要借助多方條件進行處理。黃土地層中圍巖初始應力場按自重場考慮其中豎向、水平向應力，對于比較完整的彈性體可根據彈性力學理論推導獲取側壓力系數；對于完全散粒體如砂土層，正常固結無黏性土層側壓力系數取值可按土力學理論取值。或者通過現場測試來確定黃土隧道側壓力系數，通過地鐵原狀黃土進行固結試驗得出黃土體靜止側壓力系數的范圍。

3.3 確定變形楔量

黃土隧道開挖過程中會造成地層出現移位，相應的加卸載和應力路徑等都是比較復雜的工程問題。所以，在分析黃土隧道圍巖形變時，相應的形變參數選擇需要確定更為合理的前提條件。當前，在黃土隧道設計過程中，部分設計人員進行數值分析、計算時，需要將形變、壓縮、彈性3 方模量進行區分，這3 部分的數據很多時候可能存在數倍的差異。而隨著黃土隧道的開挖，內部的應力會逐步釋放出來，黃土土層內部應力逐漸卸載后，就能對現場開挖情況進行模擬、分析，從而獲取黃土隧道施工過程中周圍的真實受力狀況，經過多次分析后可以選擇最接近現場狀況的形變模量、彈性模量、壓縮模量相關的各類數據參數[3]。

3.4 土層抗拉強度

在黃土隧道工程建設期間，多認為黃土抗拉強度對隧道工程穩定性影響較小，在設計過程中考慮不多，但在黃土地區進行地鐵隧道施工過程中總需要考慮地表沉降問題，而這部分需要利用黃土抗拉強度來進行約束。對于地鐵工程中可以使用Peck 公式預測地表的橫向沉降問題。若最大沉降值相同，利用公式計算出的沉降槽結構會較小，而采用彈塑性非線性有限元（FEM）計算時需要考慮黃土土層抗拉強度數值，所獲取的沉降槽寬度與實測結果基本相同，所以，對于不飽和黃土隧道來說，開挖會造成地表沉降，而沉降量和影響范圍需要考慮黃土的抗拉強度才能更好地確定，因此，針對不飽和的原狀黃土土層來說，進行隧道設計時在確保工程整體穩定性的基礎上，必須充分考慮黃土土層抗拉強度及土層黏聚力的狀況。

3.5 隧道圍巖壓力

使用載荷結構模型進行襯砌結構設計時，需要確定較為合理的圍巖壓力。對于這種形變壓力一般可以采用彈性理論或有限元法進行分析、計算，而松動性的壓力計算可以使用太沙基理論、普氏理論等系統進行確定。但無論哪種計算方法，必須確定基本的使用范圍，并明確黃土隧道的深淺埋情況，考慮各種因素的影響，提出能夠綜合考慮洞型、圍巖類型、工藝方法影響的方式進行圍巖形變壓力計算，努力減少黃土隧道設計過程中可能存在的誤差問題。

在黃土隧道結構設計期間，可以考慮基于連續介質理論條件下的彈塑性非線性有限元（FEM）記性分析，了解深埋條件下圍巖狀況較好的隧道，通過模擬圍巖與襯砌變形狀況，了解結構協調性及支護破壞過程，但對于低地應力區淺埋的松散圍巖體卻有明顯的局限性[4]。

3.6 圍巖與襯砌間的作用

黃土隧道的載荷模型一般使用單位彈性抗力系數來核算圍巖與襯砌之間的相互作用，并借此分析出對外部載荷的分攤情況。在黃土隧道設計工作中，一般不考慮單位彈性抗力系數。在工程建設期間，圍巖與襯砌之間的作用狀況與圍巖條件、襯砌支護狀況、圍巖與襯砌接觸情況存在較大關聯，在設計過程中需要加以關注，以便能夠獲取一個“概念化”的數值進行設計分析。

4 結語

黃土地區地鐵區間隧道設計前，需要對隧道擬建設區域的交通、氣象、水文、地質等條件進行充分調查，結合相應的設計原理及方法，合理選擇隧道支護體系，針對斷裂帶和地裂縫采取有效的處理措施確保結構安全，最終滿足內實外美、科學合理的標準，確保黃土地區地鐵區間隧道設計的科學性與合理性。