饱和软黄土城市地铁隧道安全风险分析及应对措施研究.pdf
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1、引用格式:马钢,康佐,高虎艳,等.饱和软黄土城市地铁隧道安全风险分析及应对措施研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):425.MA Gang,KANG Zuo,GAO Huyan,et al.Analysis on safety risk of urban metro tunnel construction in saturated soft loess stratum and its countermeasuresJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):425.收稿日期:2022-10-27;修回日期:2022-12-31基金项目:国家自然科学基金
2、项目(52178355)第一作者简介:马钢(1975),男,安徽利辛人,1999 年毕业于西安公路交通大学,建筑工程专业,本科,高级工程师,现从事城市轨道交通工程建设与研究工作。E-mail:magang 。通信作者:于文龙,E-mail:yuwenlong 。饱和软黄土城市地铁隧道安全风险分析及应对措施研究马 钢1,康 佐1,高虎艳1,于文龙2,亢佳伟3(1.西安市轨道交通集团有限公司,陕西 西安 710018;2.广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510010;3.西安理工大学,陕西 西安 710048)摘要:饱和软黄土城市地铁隧道自身和环境风险普遍较高,为了准确辨识、评价和规避
3、可能存在的施工安全风险,在饱和软黄土典型物理力学特性和地层赋存规律研究的基础上,分析风险发生的根本原因,结合工程实践讨论 4 种典型风险,并提出风险控制措施。研究表明:1)饱和软黄土在 Q3和浅层 Q2黄土地层中均有分布,具有欠压密特征、饱水软弱性和失水变形大的特性。2)因大孔隙结构的存在,在水的作用下,土体稳定性变差,是城市地铁隧道工程风险产生的根本原因。3)失水变形是环境风险的根源,制定合理的地下水控制措施是关键;饱水软弱性是自身风险的根源,可采取选择规避、优化竖井位置和开挖方向、评价降水后状态、加强堵头墙刚度及多策并举等控制措施。关键词:地铁隧道;饱和软黄土;施工风险;失水变形;应对措施
4、 DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.049中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0425-09A An na al ly ys si is s o on n S Sa af fe et ty y R Ri is sk k o of f U Ur rb ba an n MMe et tr ro o T Tu un nn ne el l C Co on ns st tr ru uc ct ti io on n i in n S Sa at tu ur ra at te ed d S So of ft t L Lo
5、 oe es ss s S St tr ra at tu um m a an nd d I It ts s C Co ou un nt te er rm me ea as su ur re es sMA Gang1,KANG Zuo1,GAO Huyan1,YU Wenlong2,*,KANG Jiawei3(1.Xian Rail Transit Group Co.,Ltd.,Xian 710018,Shaanxi,China;2.Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,Guangdong
6、,China;3.Xian University of Technology,Xian 710048,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:The urban metro tunnels in saturated soft loess are generally high in their own and environmental risks.In order to accurately identify,evaluate and avoid the possible construction safety risks,the typical phys
7、ical and mechanical properties of saturated soft loess and the formation occurrence law are analyzed to explore the root causes of the risks.Combining with engineering practice,four typical risks are discussed and corresponding risk control measures are proposed.The research shows that saturated sof
8、t loess is distributed in both Q3 and shallow Q2 loess strata and has the characteristics of under compaction,water-saturated weakness,and large deformation due to water loss.Because of the existence of macropore structure,the soil stability becomes worse under the action of water,which is the funda
9、mental reason for the risk of urban metro tunnel engineering.Deformation due to water loss is the primary cause of environmental risks,and the key is to formulate reasonable groundwater control measures;Water-saturated weakness is the primary cause of its own risk.Control measures such as avoiding s
10、aturated soft loess,optimizing the location and excavation direction of the shaft,evaluating the state after dewatering,strengthening the stiffness of plug wall,and taking multiple measures can be employed.K Ke ey yw wo or rd ds s:metro tunnel engineering;saturated soft loess;construction risk;defor
11、mation due to water loss;countermeasures隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言在天然沉积过程中,黄土形成了典型的大孔隙结构,对水具有特殊的敏感性,具体表现为天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土,在一旦浸水甚至增湿时会发生强度大幅度骤降和变形大幅度突增的特性1。饱和软黄土是湿陷性黄土浸水后,由于上覆压力不足,湿陷变形未充分发生,湿陷性转化成了高压缩性2,大孔隙仍然存在的一种处于不稳定状态的土。以往黄土地区隧道工程实践中,我们重点关注的是黄土隧道围岩压力3-4、黄土遇水湿陷变形所引起的隧道衬砌结构力学响应5、湿陷性评价方法6-7、隧道基底剩余湿陷量控制
12、标准6、基底变形处置措施和长期稳定性研究8等内容,主要解决的是非饱和黄土遇水湿陷所引发的工程风险预测和技术处置方案。对于饱和黄土的隧道工程施工风险研究相对较少,主要原因在于,研究者普遍认为湿陷性黄土遇水后形成压密稳定的饱和黄土,实际上并非如此。依据工程地质手册(第五版),饱和黄土根据上覆压力和地下水作用方式的不同,可大致分为已压密饱和黄土和未压密饱和黄土 2 类。未压密饱和黄土在浸水饱和过程中,大孔隙结构基本保持完整,具有较大的孔隙比和高含水量,多呈现软塑或流塑状态,具有高灵敏度、中高压缩性及低承载能力等工程特性9,严重威胁着工程建设的安全。西安地铁10-13、兰州地铁14、甘肃引调水工程15
13、-16、郑西客运专线17、银西高铁18等大型隧道工程实践过程中,多出现环境破坏、隧道结构受力变形过大、局部坍塌、涌水涌泥等风险。为了区分 2 类饱和黄土工程性能的显著差异,现有的 命 名 方 式 并 不 一 致,具 体 包 括“饱 和 软 黄土”9-10,12-13、“近饱和黄土”17、“软塑黄土”18等几类。本文讨论过程中,依据 DBJ 61/T 1622019西安城市轨道交通岩土工程勘察规程19、DBJ 61/T 1802021岩土工程勘察规程20,将该类工程性能较差的饱和黄土统称为“饱和软黄土”。在西安地铁的建设过程中,我们发现,遇到饱和软黄土时,工程自身风险和周边环境风险普遍较大,究其
14、原因主要是建设者对该类地层赋存规律、物理力学性质等认识尚不清楚,对风险的发生缺乏预判。西安地铁多次穿越饱和软黄土地层,建设期间教训深刻,但同时也积累了经验。为此,本文拟在深入分析饱和软黄土物理特性和地层赋存规律的基础上,区别对待饱和软黄土和已压密饱和黄土。结合既往工程实践经验,对隧道工程实施过程中的安全风险进行讨论,并提出应对措施,以期引起广大建设者们的重视,从而为相近地质条件下隧道工程的建设提供借鉴。1 基本物理力学指标统计分析饱和软黄土的形成原因,主要包括人工形成的水体向周围蔓延、自来水和污水管道漏水、工业排水不畅、降雨入渗和河流、小溪常年供水等几大类。以西安城区为例,当属兴庆湖周边的饱和
15、软黄土分布区域最为典型2。人工湖长期蓄水渗漏,引起周边约 10 km2范围的地下水位发生 10 m 左右的抬升,Q3黄土和浅层 Q2黄土在浸水饱和过程中形成了 2 类性质存在显著差异的饱和黄土。统计表明,在西安城区范围内,饱和 Q3软黄土主要分布在地下水位附近,分布厚度最大可达 13 m;饱和 Q2软黄土主要分布在 Q3古土壤层底界以下一定深度范围内,其分布厚度为010 m。结合地下水位分布特征不难看出,饱和软黄土的分布深度与地层和地下水位密切相关,正好处于城市地铁隧道穿越范围内。在地下水位上升过程中或者毛细水作用下,由于上覆压力不足,土体浸水湿陷未彻底发生,形成了这层特殊的软弱土,但并非所有
16、的区域都能够形成这层软弱土,它与地下水的作用方式、上覆压力、土层初始状态息息相关。黄土地层的浸水方式可分为自上而下和自下而上 2 种,分别代表地面入渗和地下水抬升。相比地面入渗,地下水抬升过程中,某一深度位置以上的土层均为非饱和黄土;对于地面入渗(某一深度位置以上的地层均为饱和黄土),上覆压力较小,若在浸水过程中未能达到湿陷起始压力,则湿陷变形不能彻底发生,大孔隙结构得以继续保留,从而更容易形成饱和软黄土。为深入分析饱和软黄土的物理力学性质,我们将其与已压密饱和黄土进行对比研究。以西安地铁为例,对兴庆湖周边范围内饱和软黄土的物理力学性质开展详细的统计工作。主要结合孔隙比 e、液性指数 IL统计
17、结果和现场原位静力触探试验测试曲线进行讨论。1.1 孔隙比依据饱和软黄土地区勘察资料,同一场地内,Q3和 Q2 2 个沉积年代的饱和软黄土和已压密饱和黄土可同时揭露。为有效认识其物性特征,现将统计范围内不同场地位置处 2 类饱和黄土的孔隙比 e 汇总对比如图 1 所示。孔隙比 e 表征了在力、水和浸水时间等因素的共同作用下,黄土大孔隙结构的破坏程度,反映了土体的压密状态。根据图 1 统计结果,饱和 Q3软黄土的孔隙比均值达到 0.93,与邻近分布的压密饱和 Q3黄土相比,存在 0.10.2 的增量;饱和 Q2软黄土的孔隙比 e均值为 0.77,与同年代压密饱和黄土相比,存在0.050.1 的增
18、量。这一指标差异,主要反映了黄土在浸水饱和过程中大孔隙结构压密破坏程度的不同,孔隙比越大,饱和含水量越高,土体越弱,压缩性越高。624增刊 1马 钢,等:饱和软黄土城市地铁隧道安全风险分析及应对措施研究这种压密状态的差异是决定其物理力学性质的核心,这也就必然导致其失水后变形越大。从孔隙比分布特征还可以推断,黄土浸水后,在上覆压力作用下,可能出现 2 种情况,一是湿陷发生,形成压密饱和黄土;二是湿陷变形未彻底发生,大孔隙依然存在,形成饱和软黄土。在水的作用下,大孔隙结构的稳定性变得脆弱,长期处于不稳定状态,一旦扰动或降水,必然发生破坏,从而引起工程事故。(a)饱和 Q3软黄土与已压密饱和 Q3黄
19、土(b)饱和 Q2软黄土与已压密饱和 Q2黄土图 1 2 类沉积年代下饱和软黄土孔隙比 e 指标对比Fig.1 Comparison of void ratio e indexes of saturated soft loess in two sedimentary ages1.2 液性指数液性指数 IL,表征了黄土在经历浸水饱和作用后所具有的稠度状态,是描述黏性土物理状态最重要的指标,反映了土体抵抗变形能力的大小,即软弱特性。将统计范围内不同场地位置处 2 类饱和黄土的液性指数 IL汇总对比,如图 2 所示。依据图 2 统计结果,饱和 Q3软黄土的液性指数 IL多处于 0.91.0,接近流塑
20、状态;饱和 Q2软黄土埋深相对较大,经历了较长时间的沉积稳定作用,其液性指数IL多处于 0.75 附近,呈现软塑状态;2 个沉积年代下已压密饱和黄土的液性指数 IL多处于 0.40.5 附近,呈现可塑状态;这正是饱和软黄土饱水软弱性的体现。1.3 地层赋存规律天然沉积状态下,2 类饱和黄土和湿陷性黄土、古土壤层相互组合,构成了饱和软黄土特殊的地层赋存规律。现结合典型场地位置处的现场原位静力触探试验测试成果,具体如图 3 所示,对饱和软黄土的地层赋存规律开展进一步讨论。(a)饱和 Q3软黄土与已压密饱和 Q3黄土(b)饱和 Q2软黄土与已压密饱和 Q2黄土图 2 2 类沉积年代下饱和软黄土液性指
21、数 IL指标对比Fig.2 Comparison of liquidity index IL of saturated soft loess in two sedimentary ages图 3 饱和软黄土地层典型静力触探试验测试曲线Fig.3 Test curve of typical static penetration test in saturated soft loess stratum依据静力触探试验测试曲线,地层自上而下,锥尖阻力 qc和侧壁摩阻力 fs特征指标具有相近的性态特征。处于地下水位附近的饱和 Q3软黄土,其 qc、fs指标与上层湿陷性 Q3黄土相比,发生显著降低,减小
22、比例达到 70%80%;在 Q3古土壤层范围内,其 qc、fs有724隧道建设(中英文)第 43 卷所增长,在其底部钙质结核层位置处达到极大值;处于其深层的饱和 Q2软黄土,其 qc、fs再次显著衰减,测试指标较邻近分布的已压密饱和 Q2黄土和 Q3古土壤层,强度降低 50%70%,呈现出典型的软弱特征。通过统计大量的地层规律可以发现,饱和软黄土在地层中以 Q3古土壤层为界,上下均有分布,符合湿陷性黄土的沉积规律,这也就使得工程风险呈现出多变性。综上所述,依据静力触探试验测试曲线和物性指标统计结果可以发现,饱和软黄土在 Q3和浅层 Q2黄土地层中均有存在,主要分布在 Q3古土壤层上下,与城市地
23、铁隧道工程开挖范围基本吻合;其具有欠压密特征、饱水软弱性和失水变形大的性质,在地层中以互层形式存在,这是隧道施工产生风险的根本原因。2 城市地铁隧道施工风险分析饱和软黄土的物理力学性质和地层特征决定了其隧道工程特性和实施风险。失水变形大是环境风险的根源,饱水软弱性是自身风险的根源。本文将饱和软黄土城市地铁隧道施工风险分为降水周边环境破坏、涌水涌泥、塌方和盾构掘进 4 类,结合西安地铁具体工程案例,对其施工风险表现开展讨论分析。2.1 降水周边环境破坏风险确保周边环境安全是城市地铁隧道建设的基本要求。降水是保证城市地铁隧道工程施工自身安全的重要措施,饱和软黄土作为典型的欠压密土层,在地下水长期作
24、用过程中,其大孔隙结构相对保存完整,具有较大的变形发展潜力,在工程降水或开挖扰动的作用下,地表变形快速累积发展。与已压密饱和黄土相比,其最终累计沉降量大,变形发展速率快,变形稳定所需时间相对较长,对周边环境设施的安全稳定性可能造成较大威胁。以饱和软黄土地层多处降水工程实施过程为例,某暗挖隧道及竖井降水过程中,在距离竖井 1025 m位置处的多层房屋,发生了近 80 mm 的不均匀沉降;某暗挖隧道降水工程引起最大地表沉降量近 270 mm,周边建(构)筑物的累计沉降量达到 140160 mm,如图 4 所示,严重影响周边建(构)筑物安全。与此同时,饱和软黄土失水过程中沉降速率普遍较高,可达到45
25、 mm/d,变形稳定所需的时间集中在 3060 d。这种地表变形风险在城市建成区是无法接受的,必然导致地表建(构)筑物和管线的破坏。2.2 涌水涌泥风险饱和软黄土天然状态下呈现软塑或流塑状态,这决定了在此类地层中隧道工程必将存在涌水涌泥风险。在具体实施过程中,若存在对饱和软黄土分布范围、厚度未详细查明,降水疏干效果不理想或注浆加固存在盲区的情况,可引起饱和软黄土发生瞬时流动,导致工程事故的发生。结合西安地铁实践经验,饱和软黄土城市地铁隧道涌水涌泥风险具体表现如下。(a)地表沉降(b)周边建筑物沉降图 4 饱和软黄土地层某降水工程典型沉降变形历程曲线Fig.4 Typical settlemen
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