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

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 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 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,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 physical 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 soft 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 fundamental 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 saturated 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;deformation 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15-16、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 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 settlement deformation history curves of a dewatering engineering in saturated soft loess stratum2.2.1 暗挖隧道涌水涌泥风险暗挖隧道实施过程中,洞身范围内的土性差异是导致工程风险的主要原因。饱和软黄土的分布与否受到其初始物性状态、外部荷载条件和地下水作用方式等多种因素的共同影响,具有层厚复杂可变、连续性差的空间分布特征。饱和软黄土层和湿陷性黄土、古土壤层相互组合,形成了软硬不均的地层组合特征。对饱和软黄土的物理力学性质、分布范围、厚度未详细查明是导致暗挖隧道涌水涌泥风险的主要原因,当地层内部发生明显错动时,即地裂缝段,这一工程风险尤为显著。在以往研究过程中,已通过开展一系列抽水试验发现,地裂缝对潜水水流存在一定的阻碍作用,具有一定的隔水能力21,该水文地质特征进一步加剧了饱和软黄土分布的非连续性。依据西安地铁 15 号线沿线地裂缝段钻孔探查结论,地裂缝两侧多是上盘水位较下盘高22,处于高水位一侧的黄土体,在长时间的水土相互作用下,其物理力学性质发生显著改变,呈现出饱水软弱特征,形成局部范围内的饱和软黄土。以某地裂缝段暗挖隧道实施过程为例,上下盘位置处水位高差达到8 m,暗挖隧道自低水位一侧向高水位一侧开挖穿越,发生了涌泥事故。现将暗挖隧道开挖范围内地层的物性特征指标、静力触探测试曲线成果及其与隧道结构间的空间位置关系汇总对比,如图 5 所示。824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 (a)地裂缝暗挖段隧道地质剖面图(b)孔隙比 e (c)含水量 w(d)液性指数 IL(e)锥尖阻力 qc图 5 暗挖隧道通过地裂缝两侧物理力学性质指标对比Fig.5 Comparison of physical and mechanical property indexes on both sides of underground tunnel passing through ground fissures 由图 5 可知,处于地裂缝上盘高水位一侧的饱和软黄土,在长期水力作用下,其孔隙比 e 与邻近位置处深层饱和黄土相比,存在 0.150.2 的增量,具有较为典型的欠压密特征;含水量最高可达到 28%,液性指数 IL达到 0.90,呈现软塑状态;处于地裂缝下盘低水位一侧的非饱和黄土,其含水量 w 多处于 19%23%,液性指数 IL多处于 0.3 以下,呈现可塑或硬塑状态;依据静力触探试验测试成果,在地裂缝下盘,即低水位一侧,非饱和黄土的锥尖阻力处于 3.35 5.28 MPa;在长期水力共同作用下,饱和软黄土的锥尖阻力 qc发生显著降低,处于 0.80.9 MPa,衰减比例达到 60%80%。本段暗挖隧道实施过程中,自地裂缝下盘向上盘开挖,当开挖至地裂缝上盘位置,即高水位一侧时,隧道掌子面发生了近 300 m3的涌泥,对隧道的自身安全和周边环境设施安全都造成了严重威胁。2.2.2 暗挖联络通道涌水涌泥风险联络通道的建设在地铁工程中自身风险较大,当遇到饱和软黄土时,需采取可靠的加固措施。受正线施工的扰动,此时饱和软黄土灵敏度更强。在环境条件制约下,如果无法降水,工程风险将显著增大。某盾构区间联络通道,采用深孔注浆加固后,进洞开挖约50 cm 时,出现涌水涌泥,涌泥量达到 30 m3,对联络通道自身施工安全和已完成的盾构隧道结构受力产生一定影响。2.3 塌方风险暗挖隧道分步、分区开挖支护过程中,多采取降水疏干或注浆加固措施,以改善饱和软黄土的力学性质,维持暗挖隧道支护结构的整体稳定。饱和软黄土在天然沉积状态下,具有高含水量、中高压缩性和低承载能力特征,其降水规律与已压密饱和黄土或古土壤层相比,同样存在着显著差异。以某暗挖隧道实施过程为例,该隧道采用管井降水的地下水控制方案,暗挖隧道开挖支护前,降水井已持续运营约30 d,周边观测井内的水位均位于隧道结构底板以下 0.60.8 m;隧道拱顶处于 Q3古土壤层范围内,隧道拱腰及拱脚处于饱和Q2软黄土层。隧道开挖支护过程中,拱脚位置处因饱和 Q2软黄土(降水效果差)的承载能力不足,隧道上半断面范围内支护结构发生整体失稳,导致塌方事故。在降水中心区域范围内,开展现场原位静力触探试验,对饱和软黄土在降水疏干过程中的强度增长规律进924隧道建设(中英文)第 43 卷行评价。截至现场试验测试前,周边降水井持续运营时间约为 45 d,将降水疏干前、后饱和软黄土地层锥尖阻力 qc测试指标沿深度方向上的变化规律及其与在建隧道结构的空间位置关系汇总对比,如图 6 所示。图 6 饱和软黄土地层降水前、后锥尖阻力测试曲线对比Fig.6 Comparison of cone resistance test curves before and after dewatering in saturated soft loess stratum依据现场原位试验测试成果可以发现,在降水疏干过程中,原位于地下水位附近的饱和 Q3软黄土,其锥尖阻力 qc由 0.88 MPa 有效增长至 1.25 MPa,提高比例达到 42%,具有与原地下水位上方的湿陷性 Q3黄土相近的承载能力,即在降水条件下,饱和 Q3软黄土的强度变形特征得到了有效改善;对于 Q3古土壤以下的饱和 Q2软黄土层,经降水井持续运营约 45 d 后,尽管周边观测井内水位已有效下降,对应层序位置处的软黄土的锥尖阻力均处于 1.051.12 MPa,其力学性质在降水前后并未发生明显改善。在某竖井类基坑工程实施过程中,此类土具有相近的疏干特征。在降水井持续运营 6090 d 后,基坑开挖至饱和 Q2软黄土层时,工作面仍呈泥泞状,地下水于侧壁和工作面底呈股状流出12。综合来看,该类工程实施风险的产生主要是由于饱和 Q2软黄土有效疏干所需的降水时间相对较长、强度增长速度较慢。结合其所处层序特征,可将该疏干特性归结为,饱和 Q2软黄土处于已压密饱和 Q2黄土和质密稳定的 Q3古土壤之间,在管井降水实施过程中,土体内部的水分自地层内顺利导排的难度较大,仅依赖管井降水措施难以起到有效疏干该层土的目的。综上,饱和软黄土地层暗挖隧道实施过程中,当采用降水疏干方案时,2 个沉积年代下饱和软黄土的降水疏干特征存在一定差异,处于较深层的饱和 Q2软黄土受地层条件的约束,降水效果不确定,土体软弱性质改善不显著,盲目开挖必将导致塌方风险。2.4 盾构掘进风险饱和软黄土饱水软弱,同时地层中软(饱和软黄土)硬(古土壤钙质结核)组合是盾构掘进风险的根源。具体表现为:1)天然沉积状态下的饱和软黄土呈现软塑或流塑状态,盾构掘进过程中实际出土量难以准确控制,易引起地面沉降变形的持续发生;2)饱和软黄土具有高灵敏度、易扰动变形的力学性质,盾构管片拼装实施过程中,易产生一定的错台风险;3)与邻近层序位置处的已压密饱和黄土、古土壤层相比,饱和软黄土的物理力学性质存在着显著差异,层厚复杂多变、连续性差,盾构隧道轴线通过范围内土性差异易产生盾构姿态控制难度增加、地表沉降变形持续发展等典型风险。以某盾构隧道工程实施过程为例,盾构轴线通过范围内地层以 Q3古土壤、Q2黄土为主,盾构轴线通过范围内的土层由 Q3古土壤逐步向饱和 Q2软黄土过渡演化,将同一断面位置处左、右线隧道位置处的土性指标范围值汇总对比,如表 1 所示。表 1 饱和软塑黄土段盾构隧道左右线物性指标汇总11Table 1Summary of physical indexes of left and right lines of shield tunnel in saturated soft loess section11指标 右线钻孔左线钻孔液性指数 IL最大值 0.88最大值 0.98最小值 0.40最小值 0.34平均值 0.66平均值 0.74压缩系数 1-2最大值 0.38最大值 0.53最小值 0.24最小值 0.12平均值 0.32平均值 0.32依据室内试验测试成果,盾构隧道 050 环的土层以 Q3古土壤为主,左线隧道(50140 环)位置处的土层的液性指数 IL为 0.751.0,多处于软塑状态,局部达到流塑状态,即属于饱和软黄土;右线隧道(50140 环)位置处的土体液性指数 IL多处于 0.75 以下,呈现可塑状态,即属于已压密饱和黄土。现将该饱和软黄土段内盾构隧道掘进过程中地表沉降发展历程曲线汇总对比,如图 7 所示。图 7 饱和软黄土段盾构隧道地表沉降变形曲线Fig.7Surface settlement deformation curve of shield tunnel in saturated soft loess034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本段盾构隧道在掘进 050 环时,地表沉降始终保持在 20 mm 以内,基本维持稳定;盾构在掘进 50120 环时,右线隧道掘进过程中地表累计变形量为2024 mm,盾构左线累计变形量达到 60 mm,增长比例达到 200%300%。当盾构左线隧道掘进至 129 环处,其上方地面监测点沉降速率突然增大,地面出现细微裂缝,形成沉降凹槽。该沉降发展过程主要是因盾构隧道掘进范围内的土性突变,导致盾构姿态难以及时调整,存在盾构“栽头”风险。综合来看,饱和软黄土盾构隧道实施过程中,受土层性质差异、地层损失特征、扰动变形规律等多种因素的影响,仍存在一定的施工安全风险,对轴线通过范围内土性差异的预先评价、掘进速度控制、参数选择、姿态控制和注浆浆液选用提出了更高的技术要求。3 风险控制措施近年来,西安地铁在饱和软黄土区域暗挖隧道建设过程中,从地下水控制方式的选择、土层性质的不均匀性评价、盾构掘进速度控制、参数调整以及周边环境设施变形过大时应急处置措施的选用等方面采取了一系列的风险应对措施,取得了较好的控制效果。本节主要从隧道自身风险控制和周边环境风险控制 2 个角度分别提出风险应对技术措施。3.1 隧道自身风险控制措施抓住饱和软黄土的饱水软弱性和地层结构特征是隧道工程自身风险控制的基础。1)工程勘察阶段,应详细查明饱和软黄土的物理力学性质、分布范围及厚度、地层结构、地层均匀性等。当饱和软黄土场地内存在地裂缝时,应加密勘探点,尤其是当发现地裂缝两侧水位存在明显差异时,确定水位差异的两相邻钻孔不应大于 4 m;施工中必须开展超前地质勘探,超前范围不小于 6 m。2)饱和软黄土场地遇到地裂缝时,竖井应尽量设置在上盘一侧(地下水位高的一侧),隧道掘进应自水位较高的一侧向水位低的一侧进行开挖,避免土性突然变差造成涌水、涌泥或塌方事故。3)工程设计阶段,为降低施工期间的安全风险和运营期间的沉降风险,尽可能避开饱和软黄土地层。纵断面设置不宜采用大坡度,隧道工程应尽可能设置在 Q3古土壤层和已压密饱和黄土中;若无法回避时,应评价隧道围岩失稳和扰动变形大的可能性。4)当采用降水措施疏干饱和软黄土时,暗挖隧道开挖支护前,应保证充足的预先降水时间,必要时可采用其他的地下水控制措施辅助;暗挖隧道开挖支护前应对饱和软黄土降水后的物理力学性质开展勘察,土体处于可塑状态(用液性指数评价)时方可开挖;应充分认识到饱和 Q3软黄土和饱和 Q2软黄土降水规律的差异。5)联络通道优先选择降水改善土性的地下水控制措施,即降水措施,并同时辅助地面加固或者洞内注浆加固。6)隧道内堵头墙或端墙的设计应充分考虑饱和软黄土的饱水软弱性和较大的侧压力系数,加强支护刚度和强度。7)盾构实施前应详细查明隧道轴线通过范围内饱和软黄土的分布厚度、范围,评价地层不均匀性;掘进过程中应严格控制盾构自身性态、盾构掘进速度、出土量等关键指标,当出现异常情况时,及时进行调整。8)注浆加固,水泥浆和水玻璃均可满足要求。要依据隧道所处地层特征,试验确定注浆参数和注浆工艺,要消除注浆加固盲区,避免涌泥。每循环注浆结束确认加固效果后,方可进行开挖,若加固效果不佳则应进行补注。3.2 周边环境风险控制措施饱和软黄土城市地铁隧道实施过程中,周边环境风险主要由工程降水变形大和自身安全风险控制不当2 方面引起,具体风险控制措施如下。1)综合考虑地层特征、降水深度、建(构)筑物接近程度等因素,合理确定地下水控制措施是关键。若周边环境敏感性较高,允许变形量较小时,应采用全断面注浆方案措施控制风险。可通过降水风险评价体系23确定地下水控制方案。2)当采用降水方案时,在实施过程中应严格控制降水速度,避免沉降发展速度过快导致建(构)筑物差异沉降迅速发展;保证降水井持续运行,控制降水区域内的动水位,使之保持稳定,避免水位往复变化引起多次沉降的产生。若降水实施过程中,周边环境变形过大,周边建筑物存在较大的破坏风险时,在评估的基础上可采取局部关停降水井、设置止水帷幕的处置措施;以饱和软黄土某降水工程实施过程为例,其关停降水井前后既有建筑物的沉降发展历程曲线见图 8。由图8 可知,当采取局部关停降水井措施后,其周边邻近建(构)筑物和地表变形得到了有效控制,既有建筑物的沉降变形呈稳定趋势,地面变形具有一定的回弹,隆起变形量不超过 5 mm。图 8 采取关停降水井措施前后建筑物沉降发展历程曲线Fig.8 Development curves of building settlement before and after taking measures to shut down water lowering wells134隧道建设(中英文)第 43 卷3)暗挖隧道开挖支护过程中,应遵循少扰动、早封闭、勤量测、短开挖和强支护的设计原则,尽可能减小邻近隧道间相互扰动所引起的沉降扩散增大效应,及时进行初期支护背后注浆。4)盾构增设止浆环,并根据地层软硬变化,及时调整掘进参数。同步注浆采取双液浆,提高凝结速度,及时进行二次注浆;跟踪分析地表沉降发展规律,出现异常情况时及时分析原因。4 结论与建议饱和软黄土地区城市地铁隧道工程建设的风险控制是长期困扰建设者的难点问题。土性软弱、事故多是大家的普遍认识。本文在 10 多年西安市地铁隧道工程实践的基础上,从饱和软黄土物理力学及工程性质、地层赋存规律等角度出发,分析了产生事故的根本原因,同时讨论了典型的施工风险特征和工程应对措施。主要研究结论如下:1)饱和软黄土是黄土浸水后湿陷未彻底发生,大孔隙仍然存在的一种不稳定状态土体,具有欠压密特征、饱水软弱性和失水变形大的特性。大孔隙结构的存在,在水的作用下,导致土体稳定性变差,一旦扰动或降水,必然引起土体结构发生变化,这是城市地铁隧道工程风险产生的根本原因。2)饱和软黄土的失水变形是环境风险根源,饱水软弱性是自身风险根源。工程经验表明,隧道工程实践主要存在因地下水控制措施不合理引发的周边环境破坏;因地下水控制效果不理想,开挖和支护不合理、不及时引发的涌水涌泥、塌方;因地层软硬不均引发的盾构姿态控制难度大等风险。其风险表现与土体性质一一对应。3)从周边环境风险和隧道自身风险 2 个方面提出了风险控制措施。周边环境风险控制的关键在于在降水风险评价的基础上,制定合理的地下水控制措施;针对自身风险,应在详细查明地层特征的基础上,选择纵断面优化、竖井设置在地裂缝上盘、隧道从上盘向下盘开挖、增加降水后土体状态检验、加强堵头墙刚度及多策并举等控制措施。本文针对饱和软黄土城市地铁隧道施工安全风险分类和工程应对措施进行了相关讨论。其中,失水变形大是引发工程周边环境设施变形、破坏风险的根源,但现行规范中所采用的降水沉降计算方法,主要取决于技术人员对该区域降水沉降的经验,随意性较大,无经验时,预测结果与实际相差较大,直接影响后期工程方案的的决策和可实施性,尚无法适应现阶段隧道工程实践的要求。如何综合考虑影响饱和软黄土失水变形的影响因素,提出合理有效的降水沉降计算方法是后续研究的主要技术难点。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向J.岩土工程学报,2001,23(1):3.XIE Dingyi.Exploration of some new tendencies in research of loess soil mechanicsJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2001,23(1):3.2 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