佛山地区地铁粉砂层涌水涌沙灾害分析

程马遥 曾洋 杨虹

摘  要：通过对涌水涌沙发展过程的探究，文章针对佛山地铁粉砂质层依次对其土粒级配、水源分布、渗流通道、水动力四个方面进行分析，确定了佛山地区存在发生涌水涌沙的客观条件;并通过公式从理论角度来得出佛山地区颗粒粒径对应的管道流速大于其临界流速的结论，推演了佛山地区富水粉砂层涌水涌砂灾害演化机制。对佛山地区发生涌水涌砂的可能性做出明确的判断，为后续注浆加固工作提供参考。

关键词：富水砂层;涌水涌沙;破坏机理;公式分析

中图分类号：U231.3        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）22-0032-04

Abstract： Based on the exploration of the development process of water and sand gushing， this paper analyzes the soil grain gradation， water source distribution， seepage channel and hydrodynamic force of the silt layer of Foshan metro successively， and determines the objective conditions for the occurrence of water and sand gushing in Foshan area. The conclusion that the pipeline velocity corresponding to the particle size is larger than the critical velocity is obtained from the theoretical point of view through the formula， and the evolution mechanism of water-gushing hazard in the water-rich silt layer in Foshan area is deduced. The possibility of water gushing and sand gushing in Foshan area was clearly judged to provide reference for the subsequent grouting reinforcement work.

Keywords： water-rich sand layer; water and sand gushing; failure mechanism; formula analysis

引言

佛山市地处珠三角腹地，地下水系发达，土质以粉砂为主。由于粉砂自身结构松散，稳定性差，并且承受拉应力和压应力的能力较弱，故而在富水条件下进行地下工程建设时极易引发涌水涌砂事故。若处理措施不及时得当，涌水涌沙事故将发展为隧道的坍塌，严重时向上发展引起路面局部垮塌，极大威胁着工程人员的生命安全，大大滞后施工进度，社会影响恶劣。

广州市地铁六号线大坦砂站-黄砂站盾构区间总长约1500m，其中约有345m的隧道洞身处于淤泥质粉细砂层，张旭东分析认为，由于富水砂层其自身稳定性差，如果施工过程中处理措施不当，将导致水土突涌风险增加，隧道垮塌等工程事故的发生[1]。位于山西中南部的百店隧道其埋深80-160m，洞身处于地下水位以下，隧道在DK283+763-DK284+204段时遭遇富水砂层，导致在施工过程中多次发生涌水涌沙等灾害事故，经济损失严重，大大滞后了工程进度[2]。厦门海底隧道陆域段部分地层属于松散富水砂层，开挖施工时曾发生地表塌陷的事故，地面环境遭到破坏和施工安全也受到了影响。张成平认为如果隧道塌方或海床塌陷发生在海域段隧道，海水将从破裂通道大量灌入隧道内部，造成灾难性的破坏[3]。

为研究佛山地区富水砂层对地铁施工的影响，首先通过探究涌水涌砂事故发生的一般性机理，认为富水粉砂层发生涌水涌砂事故存在着客观的条件。故在佛山地区土质条件下依次针对土粒级配、水源分布、渗流通道、水动力四个方面进行分析;并通过相关渗流理论公式的分析来阐述涌水涌沙发生时土颗粒尺寸与水流速大小存在的关系。结合实际工况推演出佛山地区富水粉砂层涌水涌砂灾害演化的机制，对工程是否发生涌水涌砂做出有效判断，为后续工程提出预报警示并提供防渗加固的建议[4]。

1 一般涌水涌砂灾害发生机理及客观条件分析

1.1 一般涌水涌砂災害发生机理

对于涌水涌砂的发展过程，首先，由于在施工过程中对土体进行了挖掘产生了空间，隧道周围土体受力平衡发生破坏。为达到新的平衡状态隧道周围土体需要重新进行分布，隧道侧壁从受压状态转为受拉状态，两侧围岩原有的弹性能失去了限制得到释放，围岩挤压碎裂。 隧道拱顶、底部也产生减压区， 由原来的承压开始转变为受拉，应力引起围岩破裂形成涌水涌砂的通道[5]。

其次，如果土质级配不良，渗流通道中承担骨架作用粗颗粒不存在或者含量极低，将导致细颗粒被水流逐渐带走，涌水涌沙通道随时间进一步扩大。同时当土层的粘性土含量较低时，也无法与砂颗粒形成比较稳定的砂-黏土团结构堆积在过水通道下方，对过水通道的长度进行截断，故而涌水涌砂灾害持续发展水和泥沙大量涌入隧道内，最终导致隧道围岩或拱顶上土体大规模塌落。

1.2 一般涌水涌砂灾害发生客观条件分析

一般认为涌水涌砂发生有几个条件：（1）含有富水砂层或水层以下存在松散砂层;（2）出现涌水涌砂通道;（3）存在水砂能够涌入的空间;（4）含水层高度大，较大的水头差能使水流更快的带走土中颗粒。故针对佛山地区展开分析主要包括：砂源分析;水源分析;通道分析;水动力分析。

1.2.1 砂源分析

佛山地区土层主要由：（1）残积层：粉质粘土;（2）冲积层：细砂、中粗砂层;（3）海陆交互相沉积层：淤泥、淤泥质土层。地层特征如表1所示。以上软弱砂层均位于隧道洞身之上，多呈中、细砂，级配不良。故施工开挖将致使隔水层削弱至临界承压状态，掌子面内的应力将重新分布，造成能量的突然释放，围岩破裂，砂石随着水流大量灌入隧道内，对隧道的稳定产生巨大的威胁。严重时拱顶坍塌扩散至地面，造成地表塌陷，行人受伤致死等恶劣后果[6]。

1.2.2 水源分析

佛山地处亚热带气候环境，雨量充沛;地貌属珠江三角洲平原，地势开阔低平。地表水源含量多范围大。

地下水主要通过大气降雨，地表河流以及侧向径流的方式进行补充。按存在方式主要分为第四系土层孔隙水，层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水三类。第四系土层中的孔隙水主要存在于第四系海陆交互相沉积砂层、冲积-洪积砂层。属于中等～强透水层，水量丰富。层状基岩裂隙水主要存在于碎屑岩的强风化带和中风化带中。在局部裂隙发育地段或构造破碎带中水量丰富，具承压性。块状基岩裂隙水主要赋存在火成岩的强风化带和中风化带。地下水水量不均匀，在裂隙（断裂）发育地段，水量较丰富，具承压性。

由此可知佛山地区水源丰富，通过大气降雨，一部分进入地表上的湖泊河流，另一部分通过渗透为地下水进行补给。

1.2.3 通道分析

一般来说颗粒的粒径大小、级配是否良好和密度是渗透性的主要影响因素。而佛山地区富水砂层多为中、细砂层缺少粗颗粒，砂颗粒介质结构本身松散，且呈现出较强的渗透特性。渗流发展开始阶段，在水流渗透作用下，土中细颗粒在稍大的颗粒形成的孔隙通道中移动以致流失，土的孔隙发展不断扩大，渗流速度加快，稍大的颗粒也随之被水流带走，砂层强度进一步削弱，最终导致形成贯通渗流通道。富水砂层之下为粉质粘土层，粉质粘土特点表现为强度较低，压缩性高，自稳能力差，所以当粉质黏土层上的水压或荷载作用过大时容易发生变形。故在施工扰动下，本身就十分脆弱的变形部位应力状态发生失衡，导致拱顶和周围围岩破裂坍塌从而形成水砂突涌的通道。

1.2.4 水动力分析

由于推动土体颗粒发生运动的主要动力为土中的渗流力[7]根据公式（1）

可知渗透力的大小与水头差大小直接相关，在隧道开挖扰动下，含水层通过发育的缝隙通道连接至砂层，含水层越大，水头差越大，则渗透力越大，使得水流携砂能力增强，渗流通道进一步扩大。

综上在佛山地区水文土质条件下通过对四个客观条件的分析，我们可以得出佛山地区的土质具有发生涌水涌沙灾害的可能性。

2 涌水涌砂灾害发生模式分析

本文采用渗流管道及小管径出流的形式来进行细观上的受力分析，分析了渗流发生时的具体演化方式，结合渗流发生的特点从微观角度来为涌水涌砂事故的判断提供依据。

窦国仁[8-9]研究认为水流中的泥沙颗粒若运动，存在一个临界起动流速条件，即流经该通道各处的水流速大于各颗粒对应的临界起动流速时，土中颗粒将不再稳定，首先土中粒径较小的颗粒会在水流作用下率先流失，水流通道贯通扩大，流速上升致使较大粒径的颗粒也被带走，破坏进一步增强。

作用在颗粒上的力在涌砂管道中可分为两种：一类为带动颗粒的起动力，如水流的作用力FD及浮力FL;另一类为颗粒起动时的阻碍力，如颗粒的重力W和颗粒之间的粘结力N。现以渗流通道砂群中某一颗粒为例，受力分析如图1所示。

以O点为转动中心，表示砂粒起动临界条件的动力平衡方程式为：

K1dFD+K2dFL=K3dW+K4dN    （2）

將各个力带入式（2）化简处理可得渗流通道水平时的起动流速Uc[4]

d1-相对粒径，d-颗粒粒径，h-水深，ha-代表与大气压力相应的水柱高，？籽-密度

据张瑞瑾[10]通过试验及实测资料得到C1，C2的取值分别为1.34，0.00000496，s取值为0.72。可得均匀砂混合粘性土起动流速公式（4）

引入附加阻力？子0[11]得到非均匀砂混合粘性土起动流速公式（5）

当渗流通道倾斜时Uc=KUc

m0-自然斜坡系数，？兹-通道倾斜角，m-非均匀砂的密实系数。

故只要求出管道水平条件下的起动流速和K值，就可得到任意倾斜角度下管道的起动流速。

由于开挖面处于地表水位以下，而地下水补给区范围尺寸远远大于渗流通道尺寸，故在渗流发生过程中可以视作水头差为0，水力梯度恒定，则在通道内的水流流动时视为常水头流动。对于在接近于渗流或小孔径管道流的水流速作用时，其临界颗粒尺寸不会太大。故当土层各颗粒组分级配不良，不存在大颗粒或大颗粒含量低，则无法充当骨架作用。水流将小颗粒带走，无粗颗粒起到良好的骨架作用，来防止通道进一步扩散不致发展成为大流量突水溃砂通道。

土中黏土含量也影响着渗流的发展，一方面表现为土颗粒的粘聚力可以与砂颗粒粘聚形成砂-黏土团，通道内聚集成团的砂颗粒抵抗水流冲刷的能力得到提高，使得砂层不容易发生渗透破坏。另一方面由于粘性土颗粒表面带电，容易产生絮凝结构，使得砂颗粒可以淤积堵塞部分水流通道，对涌水涌砂的发展产生一定的缓冲作用。

3 佛山地区地铁隧道涌水涌沙灾害特殊演化机制

佛山地区富水砂层段砂颗粒组分多为中～细砂，粗颗粒含量较低，颗粒多集中于0.25～0.50mm，其颗粒粒径所对应的渗透系数约为0.0138cm/s～0.15cm/s，视为管道流速。取用公式（4）和公式（5）分别计算在中砂～细砂所形成的渗流通道时的流速，且通道竖直时其临界流速分别为0.0052cm/s及0.0084cm/s， 均小于0.0138cm/s～0.15cm/s。可知在佛山地区渗流发生过程中，水流会持续带走砂层中的中、细砂颗粒。

将佛山地区土质情况与一般涌水涌沙事故发生条件相比对可知，砂层中粗颗粒的含量极少，其骨架效应作用微小。土中颗粒在地下水的持续作用下以小到大的顺序持续带出渗流通道。从而管道断面不断扩张，尺寸不断增大。因此开挖扰动富水砂层后将形成渗流通道，砂颗粒和部分黏土在水流冲刷作用下不断被带走，通道尺寸扩大，流速加快，水砂流失速度也不断增大。

由于富水砂层之下为粉质黏土，黏土一般呈现出低渗透性，可视作天然隔水层。佛山地区地下水资源丰富导致粉质黏土层在长期侵蚀作用下，抗剪强度大大降低，承受渗流的能力明显下降[12]。黏土层承受着其上土层的自重应力和水压力，在施工的开挖扰动很可能导致隧道顶拱及洞身围岩无法再承受地下水及上覆土层堆载的压力，造成水砂混合体的大量灌入隧道空间，引起开挖断面的崩塌，严重时导致地表的沉降，对其上的建筑物、行人、车辆造成严重的威胁。

4 结束语

本文针对佛山地区特有富水砂层展开分析，结合一般涌水涌沙事故发生机理和相关理论公式，得到以下结论：

（1）通过相关地质勘察资料，结合一般地质涌水涌砂发生机理，本文依次对砂源、水源、渗流通道、水动力四个方面进行分析，认为佛山地区存在着水土突涌的必要客观条件。并对佛山地铁富水砂层进行了突涌灾害预测。

（2）结合相关流速理论公式分析，从力学角度对佛山地铁富水砂层涌水涌砂灾害进行了解释分析。由于不同的粒径应存在对应的临界起动流速，故当水流流速大于颗粒起动流速时，该颗粒将被携带流出，而佛山地区对应砂粒对应起动流速小于管道流速，导致渗流的不断发展，最终涌形成严重的水涌砂灾害。

（3）将佛山地区实际土质情况与理论分析结合，得出了富水砂层条件下佛山地铁隧道涌水涌砂灾害发生的必然性。粉质黏土层承受着其上土层的自重应力和水压力，在施工的开挖扰动就可能导致隧道顶拱及洞身围岩无法再承受其压力，致使严重的开挖面崩塌、水土突涌事故发生。因此必须对富水砂层和粉质黏土层进行相应的加固维护。

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