西安地铁黄土隧道工程特性分析及计谋

1、西安地铁黄土隧道工程特性分析及计谋【摘要】深刻分析黄土的物理力学性质、强度及湿陷性、水敏性、结构性等特性和产生本源，运用目前的黄土隧道研究功效，通过总结分析以为，西安地铁具有黄土隧道土体强度低、自承能力差、开挖后纵向变形进展快、横向变形范困小、坡度陡及水对土体强度和变形阻碍大等特点，提出优先选用盾构施匚暗挖施工采纳早降水、强支扩取消系统锚杆及采纳WSS注浆堵水等应付方法。【关键词】城市轨道交通西安地铁黄土隧道黄上是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊的大陆松散沉积物,具有湿陷性、水敏性、结构性等特殊性质。修建于黄土介质中的隧道明显区别于山岭磁道和南方土质隧道,具有典型的黄土工程特性，也产

2、生r一系列技术问题和新的工程地质灾'害，凭以往的隧道设计理论和施工体会已无法完全解决所碰到的问题，必需对黄上隧道的工程特性开展专项研先这已成为黄土工程界和学术界的共识。我国西北地域是黄上地层最厚、最完整、发育好、地层全、散布持续,最具代表性的地域。西安地铁修建于城市浅层地表，是典型的浅埋黄土隧道。施1：中不但要保证磁道本身的平平稳固，还必需保证城市地面建筑物和管线的平安运行，尤其要保证钟楼、城堵等一批国家重点文物的平安，因此对黄土隧道的设计和施技术提出了更高的要求°一、工程概述西安地铁正线隧道底板埋深一样在17224m，暗挖法出入口及风道底板埋深约在12m,拱顶最浅埋深仅为4

3、m,均属浅埋黄土隧道。地层自上而下依次为素填土、新黄土、老黄上、古土壤、粉质粘土。隧道穿越地层一样为新黄土、古土壤和老黄土。地下水位埋深为617m,要紧为第四系孔隙潜水。西安地铁区间1：程施工分暗挖法和盾构法两种。为保证工期，降低施工风险，优先考虑盾构法施匚，暗挖法要紧用于非标准断面的正线磁道、暗挖乍站、联络通道、出入口及风道下穿道路段等1：程施J暗挖标准断面一样采纳正台阶法施L预的核心上;非标准断面采纳CRDL：法、双侧壁导洞法、中洞法施J二、黄土的大体工程特性黄土的成份、结构及物理力学性质典型黄土颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色，以粉粒成份为主，结构均匀无层理，疏松大间隙，垂直节理发育,富含

4、碳酸盐。黄土颗粒粒径集中在0.075之间。黄上旷物成份较豆杂，粗矿物一样为次棱角状到楂角状矿物晶体,细粒矿物以伊利石、蒙脱石等粘土矿物为主":程中黄土一样按粉土、粉质粘土对待。抗剪强度黄土抗剪强度是指黄土抗击剪切破坏作用的能力。黄土中含有相当数量的粘土和盐类，使黄土颗粒有必然程度的胶结，从而具有相当的原始内聚力，法向压力不大时抗剪强度与法向压力成正比，超过原始内聚力后抗剪强度显著降低。黄土浸水进程中，湿陷处于进展期,现在上的抗剪强度降低最多，当湿陷压密进程已大体终止时，土的含水量虽高，现在土的抗剪强度却高于湿陷进程的相应值。紧缩性我国黄土多属于中等、中等偏高紧缩性,a>2=黏粒

5、含量较多时呈低紧缩性。黄土紧缩性呈现两个转变趋势:一是地质年代稍早的Q2和Q3黄土，固结度稍高，多为中等偏低或低紧缩性，而Q3晚期和Q4黄土多为中等偏高紧缩性;二是受颗粒散布和含水量转变的阻碍，期粒含量较高、含水量较低时，黄上具有较好的抗紧缩性。湿陷性湿陷性是黄土在自重压力或外力荷载压力不变的情形下，仅仅由于湿度（含水量）的增加而产生的急骤显著附加下沉,从而引发地面的变形和建筑物破坏的性能C黄土的疏松多孔结构，尤其是结构性孔隙是黄土湿陷性的必要条件;黄土中的不抗水粒间胶结是黄土湿陷性的充分条件。水胶联合是黄上颗粒之间的要紧联结形式，在干燥时给予黄土相当高的强度,但遇水后联结被减弱，强度降低，而

6、且其减弱程度随水量的大小成正比例转变，这是黄土湿陷性的木质。另外，可溶盐对黄上湿陷性也有必然程度的阻碍。水敏性黄上矿物中含有伊利石、蒙脱石等粘土矿物，这些粘土矿物（尤其是伊利石）具有较好的亲水性，在受水浸涧后与水发生作用形成空洞，是致使湿陷的要紧缘故之一。黄土中的柱状节理发育，粉粒吸水性较差,故而黄土在竖向具有较好的渗透性，使地表水迅速下渗，但水平方向渗透性很差。竖向渗透性使黄土多处于干燥状态，具有较高的强度;饱和黄土长期处于水浸泡环境，土颗粒之间的联结慢慢被破坏，尤其当黄土中砂质成份较多时，黄土呈现出必然的水崩解性。结构性匚程上能够如此宏观地明白得上的结构性，即天然（原状）上与饱和重塑上力学

7、性质之间的不同。黄上是一种典型的结构性上，其结构性对黄土力学和工程性质的阻碍（比粒度、密度、湿度）更为重要。黄土的结构取决于粗颗粒配置、接触的关系，和孔隙的类型和大小，咬联结构的类型、状态及特点。残积坡枳等次生黄土多具有不等粒”斑状结构，大孔隙多，形状且杂。原生黄上那么具有直立性/、孔隙发育多,无层理，柱状节理发育，地层边缘常成直立陡壁的特点。3、黄土隧道二程特性分析黄土磁道支护机理依照传统山岭隧道支护理论，为r充分发挥用岩木身的自承能力，减轻支护结构经受的荷载，隧道开挖后许诺围岩产生必然变形，样放必然比例的围岩压力，然后再采纳喷射混凝土柔性支护，使用岩和初期支护和谐变形，一起承担支护作用。但

8、关于黄上隧道，由于黄土强度相对较低，结构性强，自身承载能力较差，开挖扰动后变形较大，加上若是不及时采纳刚度较大的支护结构进行支护，土体专门快进入塑性变形及破坏时期,变形生快速增加,专门是浅埋地铁磁道，沉降将专门快涉及到地表，对地面建筑物和地下管线的平安组成要挟，因此必需采取“强支护”的应付方法.如图1所示，围岩的特点曲线和支护刚度曲线的交点c（稳固点）应尽可能靠近a点,即支护所经受的荷载（P）越大越好,以减小围岩的承载力，并作为支护和围岩一起作用的平安储善。原始应力线图1黄上隧道闱岩变形与支护东力关系黄土磁道变形规律黄土地层垂直节理发育，结构性强，因此黄土隧道开挖后变形超级''

9、灵敏。监测数听说明，黄土隧道变形有以下特点：1）黄上隧道变形沿纵向传递快。在学子血抵达之前,地层变形已达到总变形量的35%左右，待学子面通事后5m,达到总变形量的70%80%,初支封锁后变形大体趋于稳固，如图2所示。A下台阶开挖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日一测一期拱一拱顶保左左拱角T-右拱角图2西安地铁典型断面地表沉降时态曲线2）黄上隧道地层沉降表现为整体沉降，地表横向变形沉降槽明显，形状大体符合Peck公式，但沉降槽宽度较小，坡度较陡。一样表现为避道轴线必然范围内上体的整体变形，不同深度土层变形量不同不大

10、，如图3所示。图3西安地铁典型断而地表沉降槽曲线监测说明,隧道开挖后拱顶沉降大体在1020mm,但地表沉降大体在30mm左右，约为拱顶沉降的2倍,这是由于拱顶沉降在监测前已经发生，而无法测到真实值的缘故。由此可见，黄土隧道变形对健道木身几何尺寸阻碍较小，一样可不能显现"侵限”问题旭对地面建筑物阻碍那么较大，需要严格操纵。水对黄土燧道的阻碍不管是黄上的失陷性，仍是水敏性，都反映水与黄土性状的特殊关系，一样，水对黄土隧道也有着超级大的阻碍，仃纳起来有以下几点：1）黄土侵水后容重显著增大,作用在支护结构上的荷载慢慢增加C2）黄土侵水后强度降低，自承能力减弱，严皎时致使隧道失稳，产生塌方。3

11、）失陷性黄土侵水后发生失陷，地表沉降显著加大。4）饱和软黄土地层降水后地表沉降专门大，沉降量在40mm以上，致使地面建筑物产生开裂，因此需要严格操纵降水量，必要时在洞内进行超前堵水，以保证掘进平安。水是地下1:程的最大危害，关于黄土隧道更是如此。因此，必需增强对地下水和地表水的综合整治，严防水对地铁工程造成危害。4、应付方法优先采纳盾构法施工西安地铁位于城市繁华地段，地面建筑物及地下管线众多，为r保证施1：平安,操纵地表沉降，宜优先选择盾构施i：c盾构推动进程中要操纵好盾构姿态，严防盾构机”磕头“、"抬头;和谐好盾构机掘进和出土速度，维持好上仓压力，避免开挖而下沉或隆起；增强同步注浆

12、，及时填充管片与上层之间的间隙，减少地层损失造成的下沉。由于目前盾构机同步注浆管径普遍较细,浆液不能过楣，为r避免注浆引发黄土失陷，要紧采取减小砂粒粒径（全数采纳粉砂），适当缩短浆液凝固时刻（大体操纵在56h）等方法，浆液配比一样为水泥：粉煤灰：砂：膨润土：水=220：260：960：48：361（质量比），严格操纵施工工艺采纳矿山法施I：的隧道必需依照浅埋暗挖法的十八字方针施L即”管超前,严注浆，短进尺,强支护，早封锁,勤量测c具体要点如下：1）超前支护。要紧有三种方法，一是大管棚超前支护。如钟楼站喑挖风道和体小区间下穿长安立交，均采纳定向长大管棚施工技术，收到了良好成效。但在会展中心站后配

13、线的暗挖施【中，由于隧道断面尺寸不同，大管棚采纳从双侧向中间对打的施方式，且为水钻成孔,地表沉降均在100mm左右，最大值达到242mm,成效很不睬想。二是小导管超前注浆。由于黄上自身比较密实,水平向渗透系数很小，致使小导管打入长度很短,注浆又很困难，因此实际成效不睬想;经实践查验，采纳WSS注浆工艺，在黄土隧道及砂层中堵水成效明显，但费用较高。三是取消系统锚杆。由于黄土磁道开挖后表现为地层整体沉降，围岩松动圈范围在1倍洞径左右，采纳长度为35m的系统锚杆起不到支护成效，而且成孔困难,因此在1号线取消/系统锚杆，经实践查验成效良好。2）隧道开挖。隧道开挖严格按设计要求一桶一瓶不能超挖。台阶法开

14、挖上下台阶距离最好操纵在35m,不能太短,以避免造成上下台阶之间坡度过陡，发生塌方;也不宜太长，太长那么会造成初期支护不能及时成环,对沉降操纵超级不利。上台阶开挖预留1.5m核心上，以避免学子面滑塌，限制地层变形。核心上尾部宜按1：1刷坡，幸免核心土自身滑塌伤及下台阶施工人员。CRD工法、双侧壁导洞法、中洞法施工各导洞台阶之间也应拉开35m距离，幸免同一断面同时开挖造成沉降段加。3）初期支护。目前，地铁隧道普遍采纳“钢格栅+喷射混凝土+钢筋网片”组合的支护形式。钢格栅与型钢支撑相较，刚度较低，只有在喷射混凝上具有必然强度后才具有较高刚度。但钢格栅较型钢支撑安装方便，连接牢固，且断面尺寸较宽,不

15、易发生扭转失稳。钢筋与喷射混凝土握裹力强，后期形成一个整体后支护成效更好。为了使初期支护真正起到强支护的作用，施I:中必需严格操纵开挖尺寸，严禁超挖;钢格栅底部必需支撑在牢固上体上，拱脚要用木板或砌块垫实;锁脚锚管严格按设计角度施L并注浆;格栅安装必然要横平竖直,避免格栅失稳变形;喷射混凝上必需密实，幸免壁后留洞;初期支护背后要及时进行回填注浆，注浆材料采纳水:水泥:石灰=1：1:1,石灰遇水膨胀，可起到专门好的填充作用。4）二次衬砌。研究说明，黄土隧道二衬所受压力一样仅为隧道围岩压力的10%左右#1此二衬的要紧作用是经受地下水恢身后所增加的水压力，并作为平安储蓄。由于地铁隧道断面较小，二衬施

16、1:对开挖施:干扰专门大，因此可依照现场监测数据及磁道水文地质实际情形合理安排二衬施L：时刻，如工期紧张可采纳增加联络通道的方式提早开始二衬施工。治水方法1）地表水防治。为避免地表水涌入隧道,需对竖井口、下料孔、降水井、勘探孔等进行防护。配备大功率、大扬程水泵和足够长的水管，储蓄防洪物资，做好应急侦备。为避免雨水下渗对磁道围岩强度的阻碍，地表尽可能硬化或粗盖,2)管线渗漏水防治。为避免地下管线破裂造成大量水涌入隧道,第一要对周围管线进行调套和监控，制订相应的爱惜方案,并与管线产权的位成立联系，一旦显现险情可迅速采取应急方法。3)地下水防治。关于地下水第一要立足地面降水，若是地面无条件降水或降水

17、成效不睬想，可采纳在洞内真空降水，或洞内与地面降水相结合的方案，尽可能把水位降低到开挖面以下，以保证开挖面平安，减少地层变形。关于饱和软黄土地层，应尽可能减少降水，采纳洞内注浆堵水，以避免降水引发地面建筑物开裂。关于地裂痕段和有砂层的地段，必然要专门注意地下水情形,采纳超前探测，严防涌水、涌砂造成地面塌陷。必要时可采取旋喷桩、WSS工法注浆堵水。4)二衬渗漏水处置。关于初支及二衬渗漏水问题，可采纳反更压注水泥浆，并结合化学注浆等方法进行处置。五、结语西安地铁属典型浅埋黄上隧道，其支护机理、变形规律及浸水后产生的一系列转变与黄土木身的特殊构造和性状紧密相关。在充分熟悉西安地铁黄土隧道本质特性的基础上，采取针对性的技术方法，增强对施工中一些关键环节的治理和监督，就必然能够解决西安地铁建设中显现的各类难题C通过地铁一、2号线的实践，笔者已经对城市浅埋黄上避道设计和施1：有r更为深切的/解,总结出r-些行之有效的施1：方式和1：程方法，但对黄土磁道注浆加固、饱和软黄土地层沉降操纵等方面的研究还不够深切，需要进一步探讨。参考文献口沈卫平,浅埋黄土隧道施工方式及支