常兵

（西安市干道市政建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西西安 710077）

0 引言

合理利用城市地下空間是解決城市擴(kuò)張與土地資源緊張之間矛盾的重要方法，是實(shí)現(xiàn)城市立體式發(fā)展的重要載體。地下綜合管廊是將電力、燃?xì)?、通信、給排水等各種工程管線集中在一個地下隧道空間，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)運(yùn)行的城市管道綜合走廊。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，城市地下綜合管廊的總長度和現(xiàn)代化程度也在穩(wěn)步提高，不僅實(shí)現(xiàn)了各類城市公共管線的集約式維護(hù)和管理，也避免了不同管線單位對城市路面的反復(fù)開挖。

我國疆域遼闊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同地質(zhì)條件進(jìn)行地下工程作業(yè)必須分析土體介質(zhì)的基本水土特性，確保工程建設(shè)和運(yùn)營的可靠性和安全性。濕陷性黃土主要存在于我國西北地區(qū)，在干燥情況下土質(zhì)堅(jiān)硬、穩(wěn)定性好，遇水浸濕后濕陷變形。西安地處渭河流域中部關(guān)中盆地，位于黃土高原和秦嶺之間，屬于濕陷性黃土地區(qū)，在地下綜合管廊的建設(shè)過程中難免會遇到管線穿越濕陷性黃土地層的情況下，容易產(chǎn)生由地基濕陷導(dǎo)致的管廊結(jié)構(gòu)變形甚至塌方[1]。因此，在地下綜合管廊的項(xiàng)目評估和規(guī)劃期間，就應(yīng)該展開黃土管廊地基濕陷預(yù)測以及危害評估。

1 黃土濕陷性分析

黃土由于其特殊的顆粒間架空孔隙造成其在天然低濕度條件下強(qiáng)度較高、抗形變能力較強(qiáng)，但在浸水情況下強(qiáng)度驟降，容易產(chǎn)生大幅度形變，因此導(dǎo)致地下綜合管廊由于濕陷性出現(xiàn)工程問題。早期國外學(xué)者針對黃土濕陷成因提出的毛管理論[2]、膠體理論、溶鹽理論、欠壓密理論等都只能對部分現(xiàn)象做出解釋，直到電子顯微鏡等新技術(shù)在地質(zhì)學(xué)科投入運(yùn)用，學(xué)術(shù)界才對“黃土顆粒間架空孔隙導(dǎo)致濕陷”這一理論達(dá)成共識。目前普遍認(rèn)為，黃土中的顆粒形態(tài)、孔隙特征、接合形態(tài)和接合材料是決定黃土結(jié)構(gòu)性質(zhì)的重要因素，黃土濕陷就是由于黃土顆粒間架空孔隙在水分子作用下結(jié)構(gòu)崩塌產(chǎn)生更小孔隙的過程。

非飽和黃土由于其雙孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其浸水濕陷變形影響因素主要有孔隙比ε、土壤含水率ω、土壤飽和度σ和相對滲透系數(shù)k，孔隙比ε是為土顆粒間孔隙和土顆粒內(nèi)孔隙的比值，土壤飽和度σ為土壤孔隙水體積除以土壤總體積，相對滲透系數(shù)k是土體非飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)除以土體飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。目前對黃土的浸水濕陷性模型仍處于研究階段，傳統(tǒng)研究方向均聚焦于彈塑性理論和損傷理論，這些理論在理論分析和濕陷數(shù)值計(jì)算等方面都存在較大缺陷。借助SEM（掃描電鏡）等技術(shù)，通過研究浸水條件下非飽和黃土的滲透特性，根據(jù)觀測結(jié)果，可以得到非飽和黃土在不同壓力和含水率條件下的濕陷變型機(jī)理。同時為了分析滲透率和孔隙之間關(guān)系，需要在現(xiàn)有滲透模型的基礎(chǔ)上結(jié)合具體孔隙參數(shù)解釋不同孔隙和不同含水率情況下濕陷性黃土的滲透特性。

此外，基于Olivier等人的多孔介質(zhì)理論，近些年L.B和B.T.Lai等人提出的土體狀態(tài)理論建立了孔隙土體由非飽和狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型，但該模型未考慮氣壓因素，當(dāng)土體所處氣壓環(huán)境改變時模型計(jì)算得到的土壤排水?dāng)?shù)據(jù)誤差較大。同時，這類模型并未考慮孔隙形狀對土體滲透特性的影響，忽視了土體中固體、液體和氣體之間相互轉(zhuǎn)換的情況，因此仍需要一個能夠全面描述非飽和黃土特性的數(shù)學(xué)模型。

2 非飽和黃土對管廊施工的影響

非飽和黃土地區(qū)管廊工程在施工前需要采用模擬實(shí)驗(yàn)，通過使用玻璃、塑料等材料模擬管廊襯砌，并利用攝像機(jī)、傳感器等手段觀察土體周邊壓力矩、浸水深度和地表沉降程度，分析管廊項(xiàng)目施工過程中由于濕陷性黃土遇水造成的工程風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果制定管廊工程所處濕陷性黃土區(qū)域的黃土控制方法和處置深度，為工程的安全性和可靠性提供支持。

西安已建成或在建的地下綜合管廊項(xiàng)目大部分處于黃土地層，部分廊段臨近河道，綜合管廊項(xiàng)目在建設(shè)和運(yùn)營過程中長期受到地層浸水干擾，土壤含水率、黃土顆粒間孔隙比等水土特性容易受到降雨、河道水量變化、地下水遷移等影響，且地下綜合管廊施工改變了水滲流路徑和水位，河道裂隙容易在廊體周圍富集，導(dǎo)致管廊所在地層浸水改變土壤狀態(tài)和廊體結(jié)構(gòu)受力、地基強(qiáng)度等參數(shù)隨時間變化，產(chǎn)生錯臺、管道結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、襯砌開裂甚至廊體坍塌?，F(xiàn)有的《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》主要關(guān)注點(diǎn)在于地面建筑物和地面基礎(chǔ)設(shè)施，其針對濕陷性黃土的處置方法并不適用于地下管廊工程的建設(shè)，且目前地下綜合管廊多采用明挖法，管廊工程導(dǎo)致土體卸載量大于加載量，可能會造成地基受力變形。目前西安地下綜合管廊建設(shè)尚處在全面建設(shè)開始階段，濕陷性黃土對綜合管廊的影響評估尚無一個精確地模型，無法準(zhǔn)確計(jì)算浸水黃土對工程的危害，因此考慮采用相似模擬實(shí)驗(yàn)對西安地下綜合管廊建設(shè)與維護(hù)進(jìn)行研究。

3 相似模擬實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

相似模擬實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下按照相似原理制造與原物品類似的模型，同時借助儀器儀表等測試手段對模型的狀態(tài)進(jìn)行觀測和研究，由于基于相似模擬理論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬仿真及理論分析相比具有很高的精確度，因而在建筑領(lǐng)域使用十分廣泛[3]。根據(jù)相似模擬理論，對地下管廊工程進(jìn)行等比例縮尺，并建立與實(shí)際類似的模型，通過調(diào)節(jié)模型狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境因素，可以有效分析地下綜合管廊施工過程中周圍土體環(huán)境的非線性變化，避免在管廊工程施工和運(yùn)行過程中產(chǎn)生不利影響。

以西安常寧新區(qū)管廊工程為例，該區(qū)段最最淺埋深不足10m，由于管廊埋深較淺，地面雨水匯集以及河道滲水造成濕陷性黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，地基及圍巖承重能力下降，此時管廊側(cè)壁及拱頂受力發(fā)生變化，容易產(chǎn)生截面?zhèn)惹谢虺两底冃?，造成管廊整體結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)部線路遭到破壞。采用相似模擬實(shí)驗(yàn)分析方法，設(shè)定隧道埋深為35cm（對應(yīng)實(shí)際深度10m）[4]，管廊下部濕陷性黃土厚度為70cm（對應(yīng)實(shí)際深度20m），采用10cm、15cm、20cm、25cm、30cm和35cm六種不同浸水深度，在模型拱璧不同位置安裝壓力傳感器，采用2mm×2mm篩網(wǎng)對黃土過篩，并通過襯砌彎矩和壓力分析管廊工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，當(dāng)浸水深度增加時，不僅管廊隧道應(yīng)力發(fā)生改變，圍巖承重能力降低，同時管廊底部地基承壓也在增加，且地基的強(qiáng)度逐漸減弱，管廊和地基容易出現(xiàn)沉降位移。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，在濕陷性黃土環(huán)境修建地下綜合管廊應(yīng)充分考慮可能出現(xiàn)的浸水狀況，并采用不同結(jié)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固以避免管廊和地基沉降變形。