黄土隧道的湿陷变形规律及其对衬砌结构的作用

黄土围岩潜在的湿陷变形不利于隧道工后的安全稳定,为深入研究黄土围岩湿陷变形对隧道结构的影响机制,在已建黄土隧道场地开展大面积试坑浸水试验,研究湿陷性黄土围岩的渗水分布场、湿陷变形发展规律及隧道结构的受力变形规律。表明隧道开挖促使黄土围岩原生竖向节理、裂隙发育,易形成贯通地表的竖向裂缝,增大了深层黄土竖向渗水能力,地表水易于向深层土运移。隧道开挖扰动了黄土围岩原有结构,改变了深层黄土的湿陷变形特性,遭浸水作用后产生较原位土层湿陷变形更大的沉降变形。当水分入渗接近隧道埋深,围岩承载拱作用的减弱甚至消失,会显著地增大隧道围岩压力及传至基底的压缩应力,并在拱脚位置形成应力集中,引发拱脚下沉,而仰拱中部地基的弹性抗力抑制中部沉降变形发展,显著的不均匀沉降差导致仰拱中部开裂,形成纵向裂缝。对于埋深较浅的黄土隧道,应避免隧道上方地表出现长期浸水的情况;设计施工中应充分考虑拱脚地基承载能力不足的情况,可加强仰拱刚度以抵御不均匀沉降的发展。     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

湿陷性黄土隧道应力应变特性的离心模型试验研究

湿陷性黄土对建筑物的安全稳定的影响较大,因此研究处于湿陷性黄土中的隧道的应力分布规律及沉降变形特征对工程施工有重要意义。本文以西安市轨道交通临潼线(纺织城至临潼北二环)某断面为研究对象,采用离心模型试验方法,揭示了处于湿陷性黄土中的隧道在黄土遇水湿陷下的应力分布特征及应变规律,为实际工程施工及地基处理方案设计提供依据。结果表明,黄土浸水湿陷后,衬砌的拱顶,拱肩,边墙,仰拱底环向应力均增大,拱脚所受环向应力有所减小,应力变化最大的位置出现在拱脚和仰拱底;隧道基底沉降曲线类似于开口向下的二次抛物线,沉降最小沉降值出现在拱底;浸水后土压力成"W"型分布,土压力增大约12%。变化最大的位置出现在仰拱底的位置。     

砂井浸水试验在黄土隧道地基湿陷变形评价中的应用研究

针对室内压缩试验和现场试坑浸水试验难以准确评价黄土隧道基底深埋地层湿陷变形的问题,提出采用砂井浸水试验对黄土隧道地基的湿陷变形进行测试评价。通过对比分析相邻大厚度湿陷性黄土场地开展的砂井浸水试验、试坑浸水试验及相应室内试验结果,论证砂井浸水试验用于测试评价黄土隧道基底深埋黄土地层湿陷变形的合理性和可靠性。试验结果表明,砂井浸水试验条件可保证井壁周围土柱湿陷变形的有效释放,且砂井埋深越大,井底地层潜在的湿陷变形释放越完全,其更适用于量测深埋黄土地层的湿陷变形;该试验方法可更为真实地模拟黄土隧道地基湿陷发生的力、水条件,且场地条件要求低、需水量少、周期短、费用低,具备在黄土高原地区隧道沿线大量开展的条件,可解决隧道穿越的黄土梁峁地区地层湿陷性复杂多变所造成的单点评价结果代表性十分有限的问题;并分析目前砂井浸水试验技术方案存在的不足,提出相应的改进措施。     

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响试验研究

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构的影响是较为突出的岩土工程问题之一,为深入研究黄土层湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,通过改进长安大学离心机浸水装置和监测设备,系统开展了浸水条件下湿陷性黄土层对地铁隧道结构影响的离心模型试验,试验结果表明:地铁隧道周边黄土浸水湿陷会导致土层重度增加,隧道拱顶土层内部拱效应因湿陷而消散,土层自重压力增加且完全由隧道结构承担,从而会导致隧道结构受力和变形不利,传统的深埋隧道结构设计理论需考虑湿陷条件下拱顶土压力的不利增长因素;地铁隧道基底下黄土地基的浸水湿陷会明显诱发隧道结构的附加作用应力,但一定厚度的非湿陷性黄土或有效处理过湿陷性黄土层抵御下伏土体湿陷变形的能力不容忽略,非湿陷土层厚度越大,对于抵御湿陷变形的能力越强;隧道基底土层不均匀浸水湿陷会导致隧道拱顶部呈现受拉状态,底部呈现受压状态,隧道拱顶所承受的附加应力更大,约为拱底附加压应力的3倍,隧道基底的自重湿陷变形对隧道顶部衬砌结构所造成的破坏更严重。     

黄土隧道地基湿陷压缩应力的计算方法

黄土隧道地基湿陷变形产生的不均匀沉降是导致衬砌结构破坏的重要影响因素。首先,在应用松散介质围岩压力的Terzaghi公式和松散岩柱公式确定隧道围岩压力的基础上,考虑衬砌结构自重荷载,得到了衬砌结构基底压力的两种计算方法。然后,应用半无限弹性空间解答,考虑衬砌结构基底压力和隧道两侧上覆地层土自重压力,得到了隧道地基土竖向压缩应力的解析解,从而提出了一种黄土隧道地基湿陷压缩应力的解析计算方法。利用隧道基底压力的两种解答,比较分析了不同埋深隧道的基底压力和自重应力的差异;利用隧道地基土竖向压缩应力计算方法,比较分析了隧道地基土竖向压缩应力和场地自重应力的差异,得到了地基土竖向压缩应力和场地自重应力比值沿深度的分布变化规律。并与数值计算结果比较,表明解析计算方法确定的湿陷压缩应力安全可靠,为合理评价黄土隧道地基的湿陷性提供了压缩应力条件。     

原状黄土地基渗水特性及其与自重湿陷的关系研究

通过青海乐都大厚度自重湿陷性黄土地基现场试坑浸水试验,深入研究了原状黄土地基湿陷特性及渗水特性两个核心问题。通过分层布设沉降观测系统和TDR水分原位测试系统,对试坑浸水试验过程及停止浸水后原状黄土地基不同位置的体积含水率和沉降进行连续观测。精确测试了水在原状黄土地基中的入渗过程、扩散形态及长时间浸水条件下的影响范围;得到了水在原状黄土地基竖向和径向不同部位的扩散速率及其与扩散距离之间的关系;分析了水分入渗与自重湿陷变形之间的相互关系;提出了用现场实测的黄土受水浸湿时间和湿陷起始时间之间的时间差定量判定黄土自重湿陷敏感性的新方法及其评价标准建议值。     

关中地区黄土的湿陷变形

通过在关中地区五个湿陷性黄土场地上所进行的10个试坑浸水试验和21个浸水载荷试验,本文详细讨论了黄土地基自重湿陷变形和外荷湿陷变形的规律以及有关场地湿陷类型的判别问题.     

关中地区黄土的湿陷变形

根据在关中湿陷性黄土地区５个场地上所进行的１０个试坑浸水试验和１９个浸水载荷试验结果，详细讨论了黄土地基自重湿陷变形和外荷湿陷变形的规律以及有关场地湿陷类型的判别问题。     

兰州地铁大厚度湿陷性黄土地层的现场浸水试验研究

为了研究大厚度湿陷性黄土地层的湿陷性对城市轨道交通地下结构的影响,针对传统室内试验评价结果不准确的缺点,依托兰州地铁3号线一期工程—陡道沟站,选取典型大厚度湿陷性黄土施工场地,通过开展场地地面浸水试验,测试了地面入渗过程中不同深度地层的湿陷沉降变形及地表的沉降变形,研究了既有黄土地层的湿陷变形特性,并结合室内试验的结果进行验证。结果表明：①场地内黄土的湿陷性具有突发性的特点,地表土层及深部土层的湿陷变形大体呈现陡增、骤降和平稳三个阶段;②场地内黄土的湿陷系数随着黄土深度的增加而降低,自重湿陷系数与深度的关系曲线符合幂函数关系,相关性为0.983;③兰州地区湿陷性黄土地层自重湿陷变形计算值的修正系数建议取值为1.675。研究结果可为兰州地区大厚度湿陷性黄土地层地铁设计及施工提供借鉴。     

大厚度湿陷性黄土地层的现场砂井浸水试验研究

针对大厚度黄土湿陷变形室内试验评价不准确,现场原位浸水试坑试验评价方法周期长、费用高且难以适应线性工程技术要求等不足,提出了一种新的现场试验评价方法:砂井浸水试验方法。其核心是利用湿陷变形土体与未湿陷变形土体之间产生相对沉降差及地裂缝,通过湿陷性黄土场地设置砂井,将水直接导入某一深层湿陷性黄土地层及砂井圆周边土体,以此来测定砂井井底下地层和砂井孔深范围内黄土的湿陷变形量。该方法具有操作简便、花费小、周期短和灵活性高等特点。依托宝兰客专建设项目,在具有代表性的大埋深自重湿陷性黄土场地开展了4个不同深度的砂井浸水试验,测试了砂井场地的沉降变形及井底湿陷性土层的沉降变形,同时配合井底土层含水量的量测,分析了井底黄土的湿陷性变形特征。参考现有规范中建议的该地区自重湿陷量修正系数,对比砂井浸水试验结果与室内试验结果,初步论证了砂井浸水试验的合理性,及其在大厚度湿陷性黄土线性工程上运用的优势。     

管幕预筑隧道衬砌结构现场监测分析

为了考察管幕预筑隧道衬砌结构在土方大开挖过程中的力学响应,对中国首个采用管幕预筑法的工程进行了现场试验,得到了其动态变化规律,积累了现场实测数据,为判断隧道安全稳定提供了参考数据,确保了管幕预筑法的成功应用。研究表明：①衬砌结构的应力和变形均很小,预筑的衬砌结构对于控制结构的变形和地层损失具有很好的效果;②衬砌结构的最大应力监测值仅为强度设计值的30%,预支护结构增强了围岩的自稳能力,并降低了围岩压力;③围岩被动土压力区间较小,衬砌结构与围岩的相互作用不明显;④隧道内部顶层土方贯通当日拱顶沉降达到了5 mm,设计需要考虑贯通过程中的结构和环境效应,施工过程应加强监测与分析;⑤管幕预筑法建造地下空间技术可以有效控制衬砌结构的变形和地表沉降,具有很好的环境效益和社会效益,值得进一步研究和推广。     

Experimental study on settling characteristics of thick self-weight collapsible loess in Xinjiang Ili region in China using field immersion test

To study the settling characteristics of Ili loess, a field immersion test was implemented on thick collapsible loess with seepage holes to speed up the collapse. The loess at the test site belongs to the Q₃^eol stratum and had a thickness of 30?m. The on-site settlement, the degree of saturation, and other observations, such as surface cracks and dolinas, were continuously monitored. The experimental results show that Ili loess is a typically collapsible eolian soil with a large thickness, strong water sensitivity, low anti-erosion capability, and strong self-weight collapsibility. The collapsibility of the Ili loess was basically eliminated by the field immersion test. One primary reason was the significant reduction in the numerous trellis pores. In comparison with other similar tests, a much higher settling rate and self-weight collapsible settlement were observed. The correction coefficient of collapsibility for Ili loess is 1.64, which is calculated as the measured self-weight collapsible settlement divided by the calculated value. It is a key parameter for evaluating the loess collapsibility in the area. A four-stage settling trend was characterized; it is distinguishable from other regular five-stage models. It was confirmed that the pre-immersion method with seepage holes is an effective method of foundation treatment for the Ili loess region.     

帷幕注浆加固法在高含水率黄土隧道中的应用

隧道穿越高含水率黄土地层极易引发掌子面涌泥失稳、支护沉降变形大等风险,施工掘进难度大,进度极为缓慢。为解决高速铁路隧道穿越富水黄土地层时出现的各种病害,依托在建宝兰客专上庄隧道施工中的实际情况,采用帷幕注浆加固技术对高含水率黄土地层进行治理,通过超前地质预报地质雷达法及数值模拟等方法对注浆加固效果进行详细评价。结果表明:注浆加固体能够有效阻断地下水的涌渗流,浆液结石体固结强度高,围岩整体稳定性好,未发生涌水、涌泥、掉块、坍塌等现象;注浆后断面初期支护受力状况得到有效改善,隧道围岩塑性应变值得到有效控制。可见,帷幕注浆技术加固效果良好,对于快速、高效地通过高含水率黄土地层具有显著的工程价值。     

黄土隧道设计与施工中的几个问题

通过总结分析黄土地层的饱和、固结、湿陷、可灌性与降排水性等对黄土隧道稳定性的影响,提出了黄土隧道工程中应注意的问题;对黄土隧道衬砌结构设计中需要考虑的侧压力系数、变形模量取值问题,围岩压力计算及围岩与衬砌结构相互作用等问题进行深入剖析,并提出了设计中应注意的问题;对于浅埋黄土隧道,建议采取“拟塌落拱有限元方法”进行分析;以某饱和黄土隧道工程为依托进行了几种常用施工方案的数值对比分析,表明NATM施工、掏槽施工或压桩施工均难以满足成洞条件,且先行降、排水措施和初期喷浆支护难度较大,应采取超前管棚注浆等新工艺才能满足饱和黄土隧洞的成洞要求;针对黄土地层盾构隧道施工,建议采用控制“地层刚度”和修正“盾构工艺参数”的方法来控制地表隆沉。