黄土地区某地铁区间隧道设计难点分析与探讨

邵国鑫

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

1 引言

黄土地区土层的固结、饱和等性质都会对地铁区间隧道的稳定性产生不同影响。在黄土地区建设地铁区间隧道需要考虑多种参数的取值及相应的计算模式，通过深入的现场勘察、分析充分明确隧道设计过程中需要注意的问题，避免影响地铁现场施工及后续运营安全。

2 黄土隧道的自稳性分析

2.1 饱和与固结特性的影响

黄土土层的饱和特性与土层初始的含水率有直接关联，还会对不饱和黄土的基质吸力产生影响。结合不饱和黄土土层的水特征曲线来说，黄土土层的含水率减少较慢，但产生的基质吸力非常大，所以，在进行黄土隧道施工前要注意开展合理的降水工作。而随着土层孔隙体积的不断缩小，各处的超静孔压力会逐步消散，应力会提升，黄土土层的平均固结度会随时间的延缓而增加，土层相关黏聚力、压缩模量等参数都会不断增加，进而影响黄土地区隧道的整体稳定性[1]。

2.2 水敏性的影响

由于黄土遇水后会出现崩解，体现出一定程度的水敏特性，如湿陷性、弱膨胀性等。这都与黄土土层符合水溶性质盐类及自身的高粉粒性有关联，加之黄土土层内部存在大孔性结构，随着水和压力的不断侵入，黄土隧道在实际运营使用期间经常存在防排水措施失效、隧道衬砌劣化等方面的问题，由于隧道围岩当中出现了新的渗流路径，会造成黄土土层出现不同类型的湿陷问题，严重者会对隧道衬砌产生破坏，特别是部分浅埋的黄土隧道，若不能有效处理，降低水敏性影响，很容易造成地表裂缝、隧道冒顶等类型的事故发生。

2.3 可灌性与降排水性的影响

黄土土层的渗透性较差，可灌性相较于渗透性更差，因此，必须采用劈裂灌浆的方法进行处理。处理过程中要确保浆液能够速凝且时间可控，最终的结石率要高，早期的强度要大。实际处理过程中，注浆压力要能够克服黄土土层的初始应力，保证抗拉强度满足隧道使用要求，并且能够在土体当中凝结成完整的浆脉，或者采用加筋复合体降低土体含水率来提升黄土土层的力学特性和整体强度，为后续隧道开挖、支护等工作打下良好的基础[2]。

3 黄土地区地铁区间隧道设计难点

3.1 设计概况

某城市地铁出入线区间隧道见图1，接轨区间位于某车站南侧，以250m 半径向东接入场段。周边控制因素：区间侧穿桥桩、穿越废弃防空洞、上跨已建成地铁线出入线区间、跨越f10/f13/临潼长安断裂带等，设计难度较大。区间采用矿山法暗挖和明挖法进行施工，明挖区间隧道穿越断裂带采取加强措施见图2，矿山法暗挖区间隧道穿越地裂缝采取加强措施见图3、图4。

图1 某地铁区间隧道平面示意图

隧道埋深范围内由上至下依次为素填土、新黄土（水上）、古土壤（水上）、老黄土（水上）及古土壤与老黄土互层（见图2）。勘察期间，稳定地下水位高程低于隧道底板约23m，可不考虑地下水对拟建工程的影响。本场地新黄土、老黄土具有湿陷性，场地湿陷类型为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级Ⅱ～Ⅲ级。根据地勘资料，湿陷性土层下限深度约为20m，局部位于隧道底板下15m。对于隧道底板下湿陷性黄土采用微型桩进行湿陷性处理。

图2 明挖区间横剖面图（断裂带设防段）

图3 暗挖标准横剖面图（地裂缝设防段）

图4 单洞双线暗挖区间横剖面图（地裂缝设防段）

图5 某地铁区间隧道地质剖面图

根据矿山法隧道设计参数（见表1），建立相应模型模拟现场状况，进行设计问题的分析、研究，以便了解黄土地区地铁区间隧道设计过程中可能存在的问题和重难点。

表1 矿山法隧道设计参数表

3.2 确定侧压力系数

黄土隧道设计过程中，侧向土压力系数对于系统整体设计影响较大，由于其确立的难度较大，需要借助多方条件进行处理。黄土地层中围岩初始应力场按自重场考虑其中竖向、水平向应力，对于比较完整的弹性体可根据弹性力学理论推导获取侧压力系数；对于完全散粒体如砂土层，正常固结无黏性土层侧压力系数取值可按土力学理论取值。或者通过现场测试来确定黄土隧道侧压力系数，通过地铁原状黄土进行固结试验得出黄土体静止侧压力系数的范围。

3.3 确定变形楔量

黄土隧道开挖过程中会造成地层出现移位，相应的加卸载和应力路径等都是比较复杂的工程问题。所以，在分析黄土隧道围岩形变时，相应的形变参数选择需要确定更为合理的前提条件。当前，在黄土隧道设计过程中，部分设计人员进行数值分析、计算时，需要将形变、压缩、弹性3 方模量进行区分，这3 部分的数据很多时候可能存在数倍的差异。而随着黄土隧道的开挖，内部的应力会逐步释放出来，黄土土层内部应力逐渐卸载后，就能对现场开挖情况进行模拟、分析，从而获取黄土隧道施工过程中周围的真实受力状况，经过多次分析后可以选择最接近现场状况的形变模量、弹性模量、压缩模量相关的各类数据参数[3]。

3.4 土层抗拉强度

在黄土隧道工程建设期间，多认为黄土抗拉强度对隧道工程稳定性影响较小，在设计过程中考虑不多，但在黄土地区进行地铁隧道施工过程中总需要考虑地表沉降问题，而这部分需要利用黄土抗拉强度来进行约束。对于地铁工程中可以使用Peck 公式预测地表的横向沉降问题。若最大沉降值相同，利用公式计算出的沉降槽结构会较小，而采用弹塑性非线性有限元（FEM）计算时需要考虑黄土土层抗拉强度数值，所获取的沉降槽宽度与实测结果基本相同，所以，对于不饱和黄土隧道来说，开挖会造成地表沉降，而沉降量和影响范围需要考虑黄土的抗拉强度才能更好地确定，因此，针对不饱和的原状黄土土层来说，进行隧道设计时在确保工程整体稳定性的基础上，必须充分考虑黄土土层抗拉强度及土层黏聚力的状况。

3.5 隧道围岩压力

使用载荷结构模型进行衬砌结构设计时，需要确定较为合理的围岩压力。对于这种形变压力一般可以采用弹性理论或有限元法进行分析、计算，而松动性的压力计算可以使用太沙基理论、普氏理论等系统进行确定。但无论哪种计算方法，必须确定基本的使用范围，并明确黄土隧道的深浅埋情况，考虑各种因素的影响，提出能够综合考虑洞型、围岩类型、工艺方法影响的方式进行围岩形变压力计算，努力减少黄土隧道设计过程中可能存在的误差问题。

在黄土隧道结构设计期间，可以考虑基于连续介质理论条件下的弹塑性非线性有限元（FEM）记性分析，了解深埋条件下围岩状况较好的隧道，通过模拟围岩与衬砌变形状况，了解结构协调性及支护破坏过程，但对于低地应力区浅埋的松散围岩体却有明显的局限性[4]。

3.6 围岩与衬砌间的作用

黄土隧道的载荷模型一般使用单位弹性抗力系数来核算围岩与衬砌之间的相互作用，并借此分析出对外部载荷的分摊情况。在黄土隧道设计工作中，一般不考虑单位弹性抗力系数。在工程建设期间，围岩与衬砌之间的作用状况与围岩条件、衬砌支护状况、围岩与衬砌接触情况存在较大关联，在设计过程中需要加以关注，以便能够获取一个“概念化”的数值进行设计分析。

4 结语

黄土地区地铁区间隧道设计前，需要对隧道拟建设区域的交通、气象、水文、地质等条件进行充分调查，结合相应的设计原理及方法，合理选择隧道支护体系，针对断裂带和地裂缝采取有效的处理措施确保结构安全，最终满足内实外美、科学合理的标准，确保黄土地区地铁区间隧道设计的科学性与合理性。