富水含砂地区浅埋暗挖隧道施工险情分析

柯 尉，蒋斌松，杜石文

(中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

富水含砂地区浅埋暗挖隧道施工险情分析

柯 尉，蒋斌松，杜石文

(中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

渗流破坏是富水地区隧道施工最易发生的地质灾害之一，给工程施工带来了极大的困难和风险。从土体渗流破坏机理和围岩与支护结构相互作用原理的角度出发，深入分析某暗挖过街通道施工过程中发生的险情迹象。通过监控量测数据反馈现场处治措施的实施效果，提出预防含砂土层渗流破坏的关键是控制地下水在砂层中的渗流条件。

富水含砂 隧道 渗流破坏 裂缝

渗流问题是岩土工程领域一个重要的研究课题，它广泛存在于边坡、堤坝、基坑及隧道等工程设施的建造与使用过程当中。地下水渗流会引起土体渗流变形，若不加以防治则会演变成渗流破坏。常见的渗流破坏形式有流土、管涌、接触冲刷以及接触流失等［1］。许多学者都致力于研究渗流及渗流破坏的机理和变化规律［2-7］，使渗流基础理论不断完善，从而能更好地服务于抗渗设计。本文在前人理论研究的基础上，利用土体渗流破坏机理解释工程实践中所遇到的施工风险，分析了多重渗流破坏的发生机理和变化过程。

1 工程概况

深圳地铁某车站暗挖过街通道全长49.8 m，开挖断面尺寸5.9 m×5.3 m，埋深5.8～6.7 m。隧道所处地层主要由素填土层、粉质黏土层及粗砂组成。地下水位埋深约4 m，水量丰富。隧道采用上下台阶法开挖，初期支护为钢格栅拱架加挂网喷射混凝土，二次衬砌为40 cm厚模筑混凝土。

隧道施工过程中一直面临渗水困扰，虽采取了一定的引排水措施，但效果均不理想。后来渗水量日渐增大，并且初期支护墙底不断有泥沙涌出，注浆无法封堵。与此同时两侧边墙开始出现裂缝，随后一段时间裂缝沿环向和纵向发展，裂缝宽度不断增大。监测数据反映裂缝发展过程中围岩变形发生突变，拱顶沉降日变量由原1 mm左右增至3 mm以上，最大日变量超过6 mm，累计变形量远超过变形控制值，而由于变形量测的滞后，实际沉降数据可能比测量数据大得多［8-11］。现象表明隧道支护结构濒于失稳，存在垮塌风险。

2 险情分析

综观险情发展的全过程，很明显严重渗水是其主要诱因，而渗水问题得不到解决直接导致了渗流破坏的发生。为了便于分析，绘制隧道现场施工简图如图1所示，其中包含隧道所处水文地质状况以及周边环境设施。

图1 隧道施工现场示意

隧道开挖改变了地下水的赋存条件，由此带来水头分布发生变化，进一步会影响水的渗流路径和水力梯度。水在渗流过程中会对土粒形成一种“拖拽力”，称为渗流力［1］。渗流力的方向与渗流方向一致，其大小与水力梯度成正比

式中 j——渗流力(kN/m3);

i——水力梯度;

γw——水的重度(kN/m3)。因为渗流力大小与水力梯度关系紧密，而土体都

式中 ［i］——允许水力梯度;

icr——临界水力梯度;

Fs——安全系数，根据工程类别按规范选取，通常取1.5～2.5。

目前把渗流破坏土体分为三类，即流土型土，管涌型土和过渡型土。临界水力梯度的大小与土体性质和渗流破坏形式有关。各种类型土渗流破坏的临界水力梯度计算公式界定不一，其中流土型土计算方法相对明确，公式中涉及到土的相对密度、孔隙率、土体颗粒形状系数等因素。而管涌型土由于其渗流路径复杂，破坏形式多样，如文献［7］中又将管涌分为发展型管涌和非发展型管涌，故没有统一的计算方法，宜根据室内试验测定。考虑到本工程实际土层厚度分布不均，而图1只是为方便分析而作出的简化，同时现场施工方法也会对渗流条件产生影响，因此，本文主要从理论上作定性分析。

2.1 渗流破坏

1)接触流失

在渗流系数相差悬殊的两土层中，当渗流垂直于层面时，会将渗流系数小的土层中的细颗粒带到渗流系数大的土层当中，这种现象称为接触流失。根据详勘报告，本工程中三层土渗流系数分别为：素填土层0.05 m/d，粉质黏土层 0.02 m/d，粗砂层20 m/d。素填土层和粉质黏土层渗流系数较为接近，分析时可将其视为同一土层。该土层与下伏粗砂层渗流系数相差极大，其分界面为图1中面A。在渗流过程中，该接触面上极易发生接触流失，接触流失的演变过程如图2所示。存在允许水力梯度，因此当渗流水力梯度超过土体的允许水力梯度时，土粒将会被渗流水带走而发生渗流破坏。土体的允许水力梯度可由其临界水力梯度除以安全系数得到，即

图2 接触流失演变示意

接触流失的发生使粉质黏土层及其上填土层中大量细颗粒成分流散，这势必会造成土体的孔隙率增大。而土体渗流系数大小与粒径和孔隙率有直接关系，故渗流系数会随着孔隙率的增大而变大。根据达西渗透定律，水的渗流速度与渗流系数成正比，渗流速度的不断加大将会加速渗流破坏的发展。

由以上分析可知，渗流破坏首先发生在上覆素填土和粉质黏土层等细粒土层中。因此不难解释在支护混凝土开裂之前，隧道上台阶开挖过程中掌子面曾发生过一次小塌方，有泥状黏土涌出。从图1可以看出，上台阶范围内围岩组成主要为粉质黏土层，当渗流破坏发展到一定程度时，塌方便有可能发生。

2)管涌

管涌多发生于级配不均匀的粗粒土中，特别是砂土层。由于砂土中不存在黏聚力，而且土体孔隙率较大，水渗流时只需要克服粒间的摩擦力，因此所遇到的阻力远远小于黏土层中。管涌不同于流土，它是一个持续进行的过程，破坏速度由慢到快，程度由弱到强。

对本工程而言，当渗流水将上覆土层中细粒土带入粗砂层时，在交界面处由于阻力迅速减小，渗流力和渗流速度会突然加大。这部分细粒土和粗砂层中的细小颗粒将会集体被这种较大的渗流力“拖拽”，在粗颗粒之间的间隙里流动，直至被带出渗流层面。由于临时仰拱施工不及时，断面支护成型后底部没有封闭，故渗流土体会从边墙底部空隙处流出。随着细粒土不断流失，土体孔隙率越来越大，孔隙水压力会逐步上升，导致渗流力进一步增大，原先稳定的粗颗粒也会被这种“拖拽力”带动流走。因此会有愈来愈多的泥砂从底部空隙涌出，同时渗流速度的增大会使渗水更加严重。

2.2 支护开裂

有效应力原理指出，土中总应力等于有效应力与孔隙水应力之和，即

式中 σ'——有效应力;

σ——总应力;

u——孔隙水应力。渗流不断加剧时，土颗粒之间的孔隙逐渐被流水填充，孔隙水压力随之上升，故有效应力将会降低。依据摩尔—库仑强度理论，土抗剪强度可用有效应力表示为

式中 τf——抗剪强度;

c'，φ'——有效应力强度参数。由式(4)知，土中有效应力的下降会导致土抗剪强度降低。隧道上方存在较多堆积物，其中包括大量钢材，还设有一个混凝土搅拌站，这给隧道带来了较大的外加荷载。根据监测资料，在支护开裂前，地面沉降值亦出现异常，日变化量持续超过警戒值且不断增大，最大日变量接近5 mm/d。因此可以确定，在渗流破坏和外加荷载的双重不利因素影响下，洞周围岩塑性区有向外扩张的趋势，围岩塑性区的扩张趋势如图3所示。

图3 洞周围岩塑性区发展示意

再分析支护结构的受力，当涌泥(沙)现象发生后，支护背后部分区域会暂时形成空洞，原来作用在支护结构上的围岩压力得到释放，这相当于一个卸载过程。塑性区发展后支护结构要承受更大的围岩压力，这又相当于一个再加载过程。因此可以认为，渗流破坏至塑性区发展的整个过程为加载—卸载—再加载的反复受荷过程［9］。支护混凝土在反复荷载作用下的应力—应变曲线如图4所示。反复荷载下支护混凝土产生不可恢复的残余变形，残余变形量达到混凝土的允许变形时，混凝土发生屈服，如图中B点。当变形超过屈服极限后混凝土发生弯拉破坏，产生裂缝。

图4 混凝土在反复荷载作用下应力—应变曲线

3 处理措施

1)复喷混凝土

在原初期支护混凝土表面重喷一层速凝混凝土，封闭裂缝同时加厚喷层;

2)补设临时仰拱

对还未施作临时仰拱的区域及时加设临时仰拱，促使初期支护封闭成环，提高支护的受力性能;

3)架设临时支撑

在已开挖段范围内架设临时支撑，支撑采用组合工字钢结构，端头焊接在初期支护钢格栅拱架上，支撑间距80 cm，局部地区加密，防止隧道变形加剧;

4)注浆加固

在拱顶、边墙、基底及掌子面实行全面注浆加固。注浆管采用φ42 mm普通钢管，长度3.5 m，管头切削为锥体，前端2.5 m范围内布设注浆孔，梅花形布置，间排距0.5 m×1.0 m。浆液采用水泥—水玻璃混合浆液，C∶S=(1∶0.6)～ (1∶1.1)，水泥强度等级 32.5 MPa，水玻璃模数 2.6～3.0，浓度 30～40 B'e，注浆压力 0.8～2.0 MPa。

隧道加固方法设计图如图5、图6所示。

图5 隧道加固横断面

图6 隧道加固纵断面(单位：mm)

4 效果评价

监控量测贯穿于抢险工作始终，量测频率由原1～2次/d加密到2～3次/d。保证第一时间掌握围岩变形发展趋势，借此评价加固措施的实施效果，并为加固方案和技术参数的修改提供依据。

从现场监测数据变化情况来看，在抢险加固方案实施过程当中，围岩变形呈现快速—慢速—反复—稳定的变化规律。一个月后变形量基本稳定，拱顶沉降和水平收敛累计最大变化量分别维持在69 mm和42 mm左右，变形速率分别 ＜0.3 mm/d和0.1 mm/d。选取一典型量测断面，收集其自发生突变至变形稳定大约40 d的变形数据，绘制成位移(速率)—时间变化曲线图，如图7和图8所示。

图7 断面拱顶沉降变化曲线

图8 断面水平收敛变化曲线

仰拱封闭和临时支撑架设属于应急性加固措施，可以防止围岩变形进一步加剧，能保证短期内支护结构不会失稳。但并不能从根本上遏制渗流破坏和围岩塑性区的发展。因此前期围岩变形减缓趋势并不明显。注浆是从根源上治理围岩受损破坏，水泥—水玻璃双液浆具有凝结时间短、强度高、动水条件下结石率高等优点，地下水流速较大时可以起到快速堵漏的效果。浆液首先阻断或改变地下水的空隙，达到降低渗流速度的目的。其次浆液渗透到土粒孔隙中凝固，可以将原本松散的土体胶结成整体，提高其抗剪强度和自稳能力。因此在注浆过程中，渗水问题会逐步解决，同时补强后的周边围岩可以与支护结构共同承担外围水土压力，支护效果明显改善。

5 结论

渗流破坏不同于强度破坏，它是一个缓慢发展的过程，而且会愈来愈严重。施工中若重视程度不够，不注意预防，一旦破坏趋势完全展开，轻则引发突水涌泥，给施工带来极大困难和不便;重则会导致支护失稳坍塌。并且渗流破坏发育后，治理难度大，费用高，周期长。同时由于地下水的大量流失，还有可能影响到当地地下水环境和周围建筑物的安全。

对于含砂土层渗流破坏的预防，控制地下水在砂层中的渗流条件是关键。因为含砂土层的渗流破坏不仅仅发生在砂层本身，与其交界的上部细粒黏土层也会受影响。注浆不失为一种十分有效的改良砂土物理力学性质的方法，既可以减小砂土的渗流系数，降低地下水渗流速度，又能提高其胶结性能。浆液的成分和注浆方法的选择宜根据工程实际进行试验研究确定。

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U455.4

A

1003-1995(2012)01-0059-04

2011-07-21;

2011-10-12

柯尉(1986— )，男，湖北黄冈人，硕士研究生。

(责任审编 王天威)