西安地铁黄土隧道工程特性分析及对策
2011-04-14 05:07
西安地铁黄土隧道工程特性分析及对策
【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根源,运用目前的黄土隧道研究成果,通过总结分析认为,西安地铁具有黄土隧道土体强度低、自承能力差、开挖后纵向变形发展快、横向变形范围小、坡度陡及水对土体强度和变形影响大等特点,提出优先选用盾构施工,暗挖施工采用早降水、强支护,取消系统锚杆及采用WSS注浆堵水等应对措施。
【关键词】城市轨道交通 西安地铁 黄土隧道
黄土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隧道和南方土质隧道,具有典型的黄土工程特性,也产生了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经验已无法完全解决所遇到的问题,必须对黄土隧道的工程特性开展专项研究,这已成为黄土工程界和学术界的共识。
我国西北地区是黄土地层最厚、最完整、发育好、地层全、分布连续,最具代表性的地区。西安地铁修建于城市浅层地表,是典型的浅埋黄土隧道。施工中不但要保证隧道本身的安全稳定,还必须保证城市地面建筑物和管线的安全运行,尤其要保证钟楼、城墙等一批国家重点文物的安全,因此对黄土隧道的设计和施工技术提出了更高的要求。
1、工程概述
西安地铁正线隧道底板埋深一般在17~24m,暗挖法出入口及风道底板埋深约在12m,拱顶最浅埋深仅为4m,均属浅埋黄土隧道。地层自上而下依次为素填土、新黄土、老黄土、古土壤、粉质黏土。隧道穿越地层一般为新黄土、古土壤和老黄土。地下水位埋深为6~17m,主要为第四系孔隙潜水。
西安地铁区间工程施工分暗挖法和盾构法两种。为保证工期,降低施工风险,优先考虑盾构法施工,暗挖法主要用于非标准断面的正线隧道、暗挖车站、联络通道、出入口及风道下穿道路段等工程施工。暗挖标准断面一般采用正台阶法施工,预留核心土;非标准断面采用CRD工法、双侧壁导洞法、中洞法施工。
2、黄土的基本工程特性
2.1 黄土的成分、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,以粉粒成分为主,结构均匀无层理,疏松大空隙,垂直节理发育,富含碳酸盐。黄土颗粒粒径集中在0. 075~0.005mm之间。黄土矿物成分较复杂,粗矿物一般为次棱角状到棱角状矿物晶体,细粒矿物以伊利石、蒙脱石等黏土矿物为主,工程中黄土一般按粉土、粉质黏土对待。
2.2 抗剪强度
黄土抗剪强度是指黄土抵抗剪切破坏作用的能力。黄土中含有相当数量的黏土和盐类,使黄土颗粒有一定程度的胶结,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。黄土浸水过程中,湿陷处于发展期,此时土的抗剪强度降低最多,当湿陷压密过程已基本结束时,土的含水量虽高,此时土的抗剪强度却高于湿陷过程的相应值。
2.3 压缩性
我国黄土多属于中等、中等偏高压缩性,a1-2= 0.1~0.6MPa-1,黏粒含量较多时呈低压缩性。黄土压缩性呈现两个变化趋势:一是地质年代稍早的Q2和Ql3黄土,固结度稍高,多为中等偏低或低压缩性,而Q3晚期和Q4黄土多为中等偏高压缩性;二是受颗粒分布和含水量变化的影响,黏粒含量较高、含水量较低时,黄土具有较好的抗压缩性。
2.4 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况下,仅仅由于湿度(含水量)的增加而产生的急骤显著附加下沉,从而引起地面的变形和建筑物破坏的性能。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。水胶联合是黄土颗粒之间的主要联结形式,在干燥时赋予黄土相当高的强度,但遇水后联结被削弱,强度降低,并且其削弱程度随水量的大小成正比例变化,这是黄土湿陷性的本质。另外,可溶盐对黄土湿陷性也有一定程度的影响。
2.5 水敏性
黄土矿物中含有伊利石、蒙脱石等黏土矿物,这些黏土矿物(尤其是伊利石)具有较好的亲水性,在受水浸润后与水发生作用形成空洞,是导致湿陷的主要原因之一。
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,土颗粒之间的联结逐渐被破坏,尤其当黄土中砂质成分较多时,黄土呈现出一定的水崩解性。
2.6 结构性
工程上可以这样宏观地理解土的结构性,即天然(原状)土与饱和重塑土力学性质之间的差异。黄土是一种典型的结构性土,其结构性对黄土力学和工程性质的影响(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,以及孔隙的类型和大小,胶联结构的类型、状态及特征。残积坡积等次生黄土多具有不等粒“斑状”结构,大孔隙多,形状复杂。原生黄土则具有直立性,小孔隙发育多,无层理,柱状节理发育,地层边缘常成直立陡壁的特点。
3、黄土隧道工程特性分析
3.1 黄土隧道支护机理
根据传统山岭隧道支护理论,为了充分发挥围岩本身的自承能力,减轻支护结构承受的荷载,隧道开挖后允许围岩产生一定变形,释放一定比例的围岩压力,然后再采用喷射混凝土柔性支护,使围岩和初期支护协调变形,共同承担支护作用。但对于黄土隧道,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,加之如果不及时采用刚度较大的支护结构进行支护,土体很快进入塑性变形及破坏阶段,变形量快速增长,特别是浅埋地铁隧道,沉降将很快波及到地表,对地面建筑物和地下管线的安全构成威胁,因此必须采取“强支护”的应对措施。
如图1所示,围岩的特征曲线和支护刚度曲线的交点C(稳定点)应尽量靠近A点,即支护所承受的荷载(P)越大越好,以减小围岩的承载力,并作为支护和围岩共同作用的安全储备。
3.2 黄土隧道变形规律
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非常“敏感”。监测数据表明,黄土隧道变形有以下特点:
1)黄土隧道变形沿纵向传递快。在掌子面到达之前,地层变形已达到总变形量的35%左右,待掌子面通过后5m,达到总变形量的70% ~80%,初支封闭后变形基本趋于稳定,如图2所示。
2)黄土隧道地层沉降表现为整体沉降,地表横向变形沉降槽明显,形状基本符合Peck公式,但沉降槽宽度较小,坡度较陡。一般表现为隧道轴线一定范围内土体的整体变形,不同深度土层变形量差异不大,如图3所示。
监测表明,隧道开挖后拱顶沉降基本在10~20mm,但地表沉降基本在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,黄土隧道变形对隧道本身几何尺寸影响较小,一般不会出现“侵限”问题,但对地面建筑物影响则较大,需要严格控制。
3.3 水对黄土隧道的影响
无论是黄土的失陷性,还是水敏性,都反映了水与黄土性状的特殊关系,同样,水对黄土隧道也有着非常大的影响,概括起来有以下几点:
1)黄土侵水后容重显著增大,作用在支护结构上的荷载逐渐增加。
2)黄土侵水后强度降低,自承能力减弱,严重时导致隧道失稳,产生塌方。
3)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很大,沉降量在40mm以上,导致地面建筑物产生开裂,因此需要严格控制降水量,必要时在洞内进行超前堵水,以保证掘进安全。
水是地下工程的最大危害,对于黄土隧道更是如此。因此,必须加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、应对措施
4.1 优先采用盾构法施工
西安地铁位于城市繁华地段,地面建筑物及地下管线众多,为了保证施工安全,控制地表沉降,宜优先选择盾构施工。盾构推进过程中要控制好盾构姿态,严防盾构机“磕头”、“抬头”;协调好盾构机掘进和出土速度,保持好土仓压力,防止开挖面下沉或隆起; 加强同步注浆,及时填充管片与土层之间的空隙,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,浆液不能过稠,为了防止注浆引起黄土失陷,主要采取减小砂粒粒径(全部采用粉砂),适当缩短浆液凝固时间(基本控制在5~6 h)等措施,浆液配比一般为水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水=220∶260∶960∶48∶361(质量比)。
4.2 严格控制施工工艺
采用矿山法施工的隧道必须按照浅埋暗挖法的十八字方针施工,即“管超前,严注浆,短进尺,强支护,早封闭,勤量测”。具体要点如下:
1)超前支护。主要有三种办法,一是大管棚超前支护。如钟楼站暗挖风道和体小区间下穿长安立交,均采用定向长大管棚施工技术,收到了良好效果。但在会展中心站后配线的暗挖施工中,由于隧道断面尺寸不同,大管棚采用从两侧向中间对打的施工方法,且为水钻成孔,地表沉降均在100mm左右,最大值达到242mm,效果很不理想。二是小导管超前注浆。由于黄土自身比较密实,水平向渗透系数很小,导致小导管打入长度很短,注浆又很困难,因此实际效果不理想;经实践检验,采用WSS注浆工艺,在黄土隧道及砂层中堵水效果明显,但费用较高。三是取消系统锚杆。由于黄土隧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,采用长度为3~5m的系统锚杆起不到支护效果,而且成孔困难,因此在1号线取消了系统锚杆,经实践检验效果良好。
2)隧道开挖。隧道开挖严格按设计要求一榀一撑,不能超挖。台阶法开挖上下台阶距离最好控制在3~5m,不能过短,以免造成上下台阶之间坡度过陡,发生塌方;也不宜过长,过长则会造成初期支护不能及时成环,对沉降控制非常不利。上台阶开挖预留1. 5m核心土,以防止掌子面滑塌,限制地层变形。核心土尾部宜按1∶1刷坡,避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3~5m距离,避免同一断面同时开挖造成沉降叠加。
3)初期支护。目前,地铁隧道普遍采用“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比,刚度较低,只有在喷射混凝土具备一定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效果更好。
为了使初期支护真正起到强支护的作用,施工中必须严格控制开挖尺寸,严禁超挖;钢格栅底部必须支撑在坚固土体上,拱脚要用木板或砌块垫实;锁脚锚管严格按设计角度施工,并注浆;格栅安装一定要横平竖直,防止格栅失稳变形;喷射混凝土必须密实,避免壁后留洞;初期支护背后要及时进行回填注浆,注浆材料采用水:水泥:石灰=1∶1∶1,石灰遇水膨胀,可起到很好的填充作用。
4)二次衬砌。研究表明,黄土隧道二衬所受压力一般仅为隧道围岩压力的10%左右,因此二衬的主要作用是承受地下水恢复后所增加的水压力,并作为安全储备。由于地铁隧道断面较小,二衬施工对开挖施工干扰很大,因此可根据现场监测数据及隧道水文地质实际情况合理安排二衬施工时间,如工期紧张可采用增加联络通道的方式提前开始二衬施工。
4.3 治水措施
1)地表水防治。为防止地表水涌入隧道,需对竖井口、下料孔、降水井、勘察孔等进行防护。配备大功率、大扬程水泵和足够长的水管,储备防洪物资,做好应急准备。为防止雨水下渗对隧道围岩强度的影响,地表尽量硬化或覆盖。
2)管线渗漏水防治。为防止地下管线破裂造成大量水涌入隧道,首先要对周围管线进行调查和监控,制订相应的保护方案,并与管线产权单位建立联系,一旦出现险情可迅速采取应急措施。
3)地下水防治。对于地下水首先要立足地面降水,如果地面无条件降水或降水效果不理想,可采用在洞内真空降水,或洞内与地面降水相结合的方案,尽量把水位降低到开挖面以下,以保证开挖面安全,减少地层变形。对于饱和软黄土地层,应尽量减少降水,采用洞内注浆堵水,以免降水引起地面建筑物开裂。
对于地裂缝段和有砂层的地段,一定要特别注意地下水情况,采用超前探测,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)二衬渗漏水处理。对于初支及二衬渗漏水问题,可采用反复压注水泥浆,并结合化学注浆等措施进行处理。
5、结语
西安地铁属典型浅埋黄土隧道,其支护机理、变形规律及浸水后产生的一系列变化与黄土本身的特殊构造和性状密切相关。在充分认识西安地铁黄土隧道本质特性的基础上,采取针对性的技术措施,加强对施工中一些关键环节的管理和监督,就一定能够解决西安地铁建设中出现的种种难题。
经过地铁1、2号线的实践,笔者已经对城市浅埋黄土隧道设计和施工有了更为深入的了解,总结出了一些行之有效的施工方法和工程措施,但对黄土隧道注浆加固、饱和软黄土地层沉降控制等方面的研究还不够深入,需要进一步探索。
参考文献
[1]沈卫平.浅埋黄土隧道施工方法及支护受力研究[J].西部探矿工程,2001(2):76 77.
[2]凌荣华,韩贝传,曲永新.大跨度深埋黄土隧洞的开挖效应研究[J].工程地质学报,1996(3):65 70.
[3]赵占厂,谢永利,杨晓华,等.黄土公路隧道围岩压力测试分析[J].现代隧道技术,2003,40(2):58 61.
[4]赵占厂,谢永利,杨晓华,等.黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究[J].中国公路学报,2004,17(1):66 70.
[5]周尚国.黄土隧道的主要地质灾害类型[J].地质与勘探, 2007,43(2):104 107.
[6]王晓州,丁维利,赵永明,等.大断面湿陷性黄土隧道施工技术[J].铁道工程学报[J].2007(增刊).
