湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段处理措施研究

湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段处理措施研究

郭和泉

平原县交通运输局  山东德州  253100

摘要：近几年来，我国轨道交通桥工程建设规模持续扩大，由于区域差异，部分区域广泛覆盖的湿陷性黄土，对水分变化的高度敏感，成为众多工程建设项目中关注的核心。这种特殊类型的土壤在接触水分后会发生体积和强度的显著变化，导致地表沉降，这对基础设施的稳定性和安全性构成了严重威胁。因此，本文将结合实际案例，讨论湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段处理措施。

关键词：湿陷性黄土地区；轨道交通；桥隧过渡段；处理措施

前言：面对湿陷性黄土问题，要求工程建设必须采取综合性的解决策略。通过多学科的合作，结合传统工程技术和现代科技创新，能够有效应对由湿陷性黄土引发的工程挑战，保障城市基础设施的稳定安全，支撑区域的可持续发展。

一、项目介绍

某工程项目，施工单位面对的是一个特殊的桥隧过渡段工程，该段工程以一种独特的布局呈现——小里程端开始于高架结构，而大里程端则过渡到了使用盾构技术挖掘的隧道。整个过渡段全长达到594米，轨道从地面的高程约1.1米开始，以大约28‰的坡度逐渐下降至地下大约15.5米。此段的结构设计采纳了多样性，包括U型槽、单层单跨矩形框架结构以及单层双跨矩形框架结构，展现出项目的复杂性和技术挑战性。项目位于黄土高原的特定地貌单元——黄土塬上。地下水位的深度则在29.0米之处，这意味着地下水和抗浮水位都位于过渡段底板的下方，为工程提供了一个较为稳定的水文地质环境。经过对该地区的细致调研和一系列现场浸水试验及室内试验的结果显示，计划建设区域的湿陷性土层主要由Q3时期的黄土构成，这部分黄土的湿陷性介于中等到强烈之间，另外还有部分古土壤的湿陷性从轻微至中等不等。

二、湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段基础处理措施

（一）桩基础

在本工程的初期，面对湿陷性土层厚度较大的挑战，通过采纳桩基础方案，能够有效穿透问题土层，体现了其强大的适应性。此外，桩基础由于其较高的刚度，对于维持结构平衡、控制桥梁和隧道两侧因变形引起的不同沉降，具有显著效果。这种方法不仅确保了结构安全，也为工程提供了可靠的技术支持，优化了整体施工方案。

（二）挤密处理措施

挤密法，一种在地基处理中得到广泛应用的技术，特别适合于处理那些土层厚度在5至25米之间的地层。该方法允许使用多种类型的填料，包括水泥土、灰土以及素土等。在处理具有湿陷性的土质时，推荐使用素土作为填料，这是因为素土在消除湿陷性方面表现良好[1]。而当选择水泥土或灰土作为填料时，则不仅有助于消除湿陷性，更能显著提升地基的承载能力和降低地基的沉降幅度。对于本工程的中段地基处理而言，挤密法显示出其效用。工程规划中考虑到沿项目中段纵向采用不同配比的填料，这种做法旨在实现地基刚度的平滑过渡，有效减少了工程完成后由于地基不均匀压缩而引发的差异沉降。通过精心选择填料的配比及其应用范围，挤密法不但适应了中间区段特有的工程需求，也优化了地基处理效果，增强了整个工程结构的稳定性和可靠性。

（三）垫层处理措施

垫层法通过替换水敏性土质达到消除湿陷性土层的目的，在施工过程中，首先移除原土层，接着用土、灰土或水泥土进行分层的填充和碾压，直至达到预定的设计高度。这种方法尤为适用于处理不超过3米厚度的湿陷性土层，特别是在本工程一些湿陷性土层较薄的地段。项目具体位置从 K23+436起，该处湿陷性土层底界距离结构底板下方13.0米，并随着线路的斜降，在K23+920处接近于结构底板下1米。为了达成消除湿陷性和控制工程完成后的差异沉降的目的，选择地基处理方案时，必须考虑处理深度、对环境的影响以及工程成本等多重因素，并且须确保从桥梁桩基到隧道自然地基之间的地基基础刚度能够平滑过渡。针对本段区间，地基处理采取了桩基础、挤密桩和灰土替换垫层等多种措施。为了实现地基硬度的顺畅转换以及确保施工材料的稳定性，计划使用不同配比的水泥土为挤密桩的填料。本工程选用了孔内深层强夯法（DDC法）来施行挤密桩工程，这一技术是基于传统挤密法的改进，通过先施作预成孔，然后向孔中填充材料，并使用重型夯锤在孔内分层紧实，使得填料向周围挤压，从而强化了孔内填料和桩之间土壤的固结效果[2]。相较于传统的挤密桩，DDC法具备高效率、设备简便、成本较低等优点，在处理湿陷性黄土的工程中已广泛应用。
    选择DDC地基处理的作业面时，应综合基坑大小、待处理的地基范围以及施工现场的具体布置等因素。本工程采用的是以原地面作为DDC地基处理的作业面，这样不仅能确保地基处理的质量，还能通过减小基坑的宽度来节约工程成本，相较于使用基底作为处理面的方案，在经济和效率上都有所考量。

三、湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段结构处理措施

在本工程的桥隧连接区，采取的地基处理策略旨在解决湿陷性黄土问题并控制工程完成后的差异沉降，确保了研究目标的达成。尽管如此，由于桩基与复合地基之间固有的沉降差异，加上交通负荷的不确定性以及环境因素的影响，桥隧过渡处仍旧面临着差异沉降的风险，这对行车安全构成了潜在的威胁。借鉴公路及铁路领域在路桥过渡区域使用桥头跳板的做法，并结合施工单位的地基处理方案，施工单位在桩基与复合地基的过渡区设计了一个30米长的U型槽结构段。这一过渡结构的地基使用了含有15%水泥土的挤密桩，其一端通过铰接结构与桩板结构的末端梁相接。基础发生沉降时，受桩基支撑的U型槽结构端部会由于纵向的挠曲作用而产生纵向应力的变化。为了深入分析U型槽的受力状况，施工单位构建了一个有限元模型。在模型中，结构用实体单元来模拟，而网格的尺寸被设定为0.3米×0.3米×0.3米。模型中考虑了多种荷载，包括结构自重、道床荷载、列车荷载、侧向土压力及地面超载等因素

[3]。结构底板通过定义仅能承受压力的弹簧来模拟基床的响应，并在桩基支承处施加了+10毫米的纵向位移，以模拟桩基与复合地基之间由于差异沉降所产生的变化。通过这样的分析，施工单位意在深入理解并应对过渡段可能遇到的结构应力变化，以保障整个工程的安全运营。

当U型槽过渡结构在经历了10mm的差异性沉降后，会出现纵向的弯曲变形，这一变化导致部分地基弹簧停止发挥作用，特别是在靠近桩基的区域。这种情况下，地基反力集中向离桩基较远的侧面移动，导致该区域地基受到的平均压力达到了55.12千帕，而局部区域的最大压力甚至高达193.63千帕。尽管如此，地基的承载能力仍旧符合工程需求。分析U型槽结构的应力反应时，施工单位发现最大的纵向压应力为4.17兆帕，出现在挡墙的顶端，远低于C35等级混凝土的抗压强度设计标准，即16.7兆帕。同时，最大的纵向拉应力达到了2.07兆帕，位置在底板底面，通过对受拉区进行单位宽度的积分计算，施工单位得知该区域的内力为900.6千牛顿。根据这一结果，施工单位选择使用直径为28毫米，间距150毫米的纵向钢筋进行配筋。通过计算，裂缝宽度估算为0.287毫米，表明即使在这种极端条件下，钢筋混凝土结构的强度和耐久性也完全能够满足相关规范的要求。此分析表明，即便面对较大的差异沉降，U型槽过渡段的结构设计仍具有足够的安全余量，确保了结构的稳定性和长期耐用性。这一结论为后续类似工程提供了宝贵的参考和指导，展现了细致入微的设计和精确分析对工程成功的重要性。

结语：在涉及自重湿陷性土的轨道交通建设项目中，除实施恰当的地基加固方法外，保障线路边界的防水和排水工作也至关重要。这涉及到避免低洼地区的水体积聚及确保对周围含水的市政管道网络进行周期性的检查与维护，以防水体渗透或积聚引起的问题。为维护轨道的安全与稳定，轨道交通的运行阶段还需对轨道床和相关结构执行持续的沉降跟踪与监测。这样可以实时掌握轨道交通系统的健康状况，确保其运营的持续安全性。这种预防性的监控和及时的维护策略对于预防潜在的干扰和确保乘客安全具有不可或缺的作用。

参考文献：

[1]夏冬,侯石悦.湿陷性黄土地区轨道交通桥隧过渡段处理措施研究[J].现代城市轨道交通,2023,(04):69-74.

[2]杨凯.湿陷性黄土地区深基坑变形特性及预测研究[D].长安大学,2022.DOI:10.

[3]杨浩杰.湿陷性黄土地区地下车站结构地震反应分析[D].西安建筑科技大学,2017.