柯 尉，蔣斌松，杜石文

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

富水含砂地區(qū)淺埋暗挖隧道施工險情分析

柯 尉，蔣斌松，杜石文

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

滲流破壞是富水地區(qū)隧道施工最易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害之一，給工程施工帶來了極大的困難和風(fēng)險。從土體滲流破壞機(jī)理和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用原理的角度出發(fā)，深入分析某暗挖過街通道施工過程中發(fā)生的險情跡象。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋現(xiàn)場處治措施的實施效果，提出預(yù)防含砂土層滲流破壞的關(guān)鍵是控制地下水在砂層中的滲流條件。

富水含砂 隧道 滲流破壞 裂縫

滲流問題是巖土工程領(lǐng)域一個重要的研究課題，它廣泛存在于邊坡、堤壩、基坑及隧道等工程設(shè)施的建造與使用過程當(dāng)中。地下水滲流會引起土體滲流變形，若不加以防治則會演變成滲流破壞。常見的滲流破壞形式有流土、管涌、接觸沖刷以及接觸流失等［1］。許多學(xué)者都致力于研究滲流及滲流破壞的機(jī)理和變化規(guī)律［2-7］，使?jié)B流基礎(chǔ)理論不斷完善，從而能更好地服務(wù)于抗?jié)B設(shè)計。本文在前人理論研究的基礎(chǔ)上，利用土體滲流破壞機(jī)理解釋工程實踐中所遇到的施工風(fēng)險，分析了多重滲流破壞的發(fā)生機(jī)理和變化過程。

1 工程概況

深圳地鐵某車站暗挖過街通道全長49.8 m，開挖斷面尺寸5.9 m×5.3 m，埋深5.8～6.7 m。隧道所處地層主要由素填土層、粉質(zhì)黏土層及粗砂組成。地下水位埋深約4 m，水量豐富。隧道采用上下臺階法開挖，初期支護(hù)為鋼格柵拱架加掛網(wǎng)噴射混凝土，二次襯砌為40 cm厚模筑混凝土。

隧道施工過程中一直面臨滲水困擾，雖采取了一定的引排水措施，但效果均不理想。后來滲水量日漸增大，并且初期支護(hù)墻底不斷有泥沙涌出，注漿無法封堵。與此同時兩側(cè)邊墻開始出現(xiàn)裂縫，隨后一段時間裂縫沿環(huán)向和縱向發(fā)展，裂縫寬度不斷增大。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映裂縫發(fā)展過程中圍巖變形發(fā)生突變，拱頂沉降日變量由原1 mm左右增至3 mm以上，最大日變量超過6 mm，累計變形量遠(yuǎn)超過變形控制值，而由于變形量測的滯后，實際沉降數(shù)據(jù)可能比測量數(shù)據(jù)大得多［8-11］。現(xiàn)象表明隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)瀕于失穩(wěn)，存在垮塌風(fēng)險。

2 險情分析

綜觀險情發(fā)展的全過程，很明顯嚴(yán)重滲水是其主要誘因，而滲水問題得不到解決直接導(dǎo)致了滲流破壞的發(fā)生。為了便于分析，繪制隧道現(xiàn)場施工簡圖如圖1所示，其中包含隧道所處水文地質(zhì)狀況以及周邊環(huán)境設(shè)施。

圖1 隧道施工現(xiàn)場示意

隧道開挖改變了地下水的賦存條件，由此帶來水頭分布發(fā)生變化，進(jìn)一步會影響水的滲流路徑和水力梯度。水在滲流過程中會對土粒形成一種“拖拽力”，稱為滲流力［1］。滲流力的方向與滲流方向一致，其大小與水力梯度成正比

式中 j——滲流力(kN/m3);

i——水力梯度;

γw——水的重度(kN/m3)。因為滲流力大小與水力梯度關(guān)系緊密，而土體都

式中 ［i］——允許水力梯度;

icr——臨界水力梯度;

Fs——安全系數(shù)，根據(jù)工程類別按規(guī)范選取，通常取1.5～2.5。

目前把滲流破壞土體分為三類，即流土型土，管涌型土和過渡型土。臨界水力梯度的大小與土體性質(zhì)和滲流破壞形式有關(guān)。各種類型土滲流破壞的臨界水力梯度計算公式界定不一，其中流土型土計算方法相對明確，公式中涉及到土的相對密度、孔隙率、土體顆粒形狀系數(shù)等因素。而管涌型土由于其滲流路徑復(fù)雜，破壞形式多樣，如文獻(xiàn)［7］中又將管涌分為發(fā)展型管涌和非發(fā)展型管涌，故沒有統(tǒng)一的計算方法，宜根據(jù)室內(nèi)試驗測定?？紤]到本工程實際土層厚度分布不均，而圖1只是為方便分析而作出的簡化，同時現(xiàn)場施工方法也會對滲流條件產(chǎn)生影響，因此，本文主要從理論上作定性分析。

2.1 滲流破壞

1)接觸流失

在滲流系數(shù)相差懸殊的兩土層中，當(dāng)滲流垂直于層面時，會將滲流系數(shù)小的土層中的細(xì)顆粒帶到滲流系數(shù)大的土層當(dāng)中，這種現(xiàn)象稱為接觸流失。根據(jù)詳勘報告，本工程中三層土滲流系數(shù)分別為：素填土層0.05 m/d，粉質(zhì)黏土層 0.02 m/d，粗砂層20 m/d。素填土層和粉質(zhì)黏土層滲流系數(shù)較為接近，分析時可將其視為同一土層。該土層與下伏粗砂層滲流系數(shù)相差極大，其分界面為圖1中面A。在滲流過程中，該接觸面上極易發(fā)生接觸流失，接觸流失的演變過程如圖2所示。存在允許水力梯度，因此當(dāng)滲流水力梯度超過土體的允許水力梯度時，土粒將會被滲流水帶走而發(fā)生滲流破壞。土體的允許水力梯度可由其臨界水力梯度除以安全系數(shù)得到，即

圖2 接觸流失演變示意

接觸流失的發(fā)生使粉質(zhì)黏土層及其上填土層中大量細(xì)顆粒成分流散，這勢必會造成土體的孔隙率增大。而土體滲流系數(shù)大小與粒徑和孔隙率有直接關(guān)系，故滲流系數(shù)會隨著孔隙率的增大而變大。根據(jù)達(dá)西滲透定律，水的滲流速度與滲流系數(shù)成正比，滲流速度的不斷加大將會加速滲流破壞的發(fā)展。

由以上分析可知，滲流破壞首先發(fā)生在上覆素填土和粉質(zhì)黏土層等細(xì)粒土層中。因此不難解釋在支護(hù)混凝土開裂之前，隧道上臺階開挖過程中掌子面曾發(fā)生過一次小塌方，有泥狀黏土涌出。從圖1可以看出，上臺階范圍內(nèi)圍巖組成主要為粉質(zhì)黏土層，當(dāng)滲流破壞發(fā)展到一定程度時，塌方便有可能發(fā)生。

2)管涌

管涌多發(fā)生于級配不均勻的粗粒土中，特別是砂土層。由于砂土中不存在黏聚力，而且土體孔隙率較大，水滲流時只需要克服粒間的摩擦力，因此所遇到的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黏土層中。管涌不同于流土，它是一個持續(xù)進(jìn)行的過程，破壞速度由慢到快，程度由弱到強(qiáng)。

對本工程而言，當(dāng)滲流水將上覆土層中細(xì)粒土帶入粗砂層時，在交界面處由于阻力迅速減小，滲流力和滲流速度會突然加大。這部分細(xì)粒土和粗砂層中的細(xì)小顆粒將會集體被這種較大的滲流力“拖拽”，在粗顆粒之間的間隙里流動，直至被帶出滲流層面。由于臨時仰拱施工不及時，斷面支護(hù)成型后底部沒有封閉，故滲流土體會從邊墻底部空隙處流出。隨著細(xì)粒土不斷流失，土體孔隙率越來越大，孔隙水壓力會逐步上升，導(dǎo)致滲流力進(jìn)一步增大，原先穩(wěn)定的粗顆粒也會被這種“拖拽力”帶動流走。因此會有愈來愈多的泥砂從底部空隙涌出，同時滲流速度的增大會使?jié)B水更加嚴(yán)重。

2.2 支護(hù)開裂

有效應(yīng)力原理指出，土中總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水應(yīng)力之和，即

式中 σ'——有效應(yīng)力;

σ——總應(yīng)力;

u——孔隙水應(yīng)力。滲流不斷加劇時，土顆粒之間的孔隙逐漸被流水填充，孔隙水壓力隨之上升，故有效應(yīng)力將會降低。依據(jù)摩爾—庫侖強(qiáng)度理論，土抗剪強(qiáng)度可用有效應(yīng)力表示為

式中 τf——抗剪強(qiáng)度;

c'，φ'——有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)。由式(4)知，土中有效應(yīng)力的下降會導(dǎo)致土抗剪強(qiáng)度降低。隧道上方存在較多堆積物，其中包括大量鋼材，還設(shè)有一個混凝土攪拌站，這給隧道帶來了較大的外加荷載。根據(jù)監(jiān)測資料，在支護(hù)開裂前，地面沉降值亦出現(xiàn)異常，日變化量持續(xù)超過警戒值且不斷增大，最大日變量接近5 mm/d。因此可以確定，在滲流破壞和外加荷載的雙重不利因素影響下，洞周圍巖塑性區(qū)有向外擴(kuò)張的趨勢，圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)張趨勢如圖3所示。

圖3 洞周圍巖塑性區(qū)發(fā)展示意

再分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，當(dāng)涌泥(沙)現(xiàn)象發(fā)生后，支護(hù)背后部分區(qū)域會暫時形成空洞，原來作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力得到釋放，這相當(dāng)于一個卸載過程。塑性區(qū)發(fā)展后支護(hù)結(jié)構(gòu)要承受更大的圍巖壓力，這又相當(dāng)于一個再加載過程。因此可以認(rèn)為，滲流破壞至塑性區(qū)發(fā)展的整個過程為加載—卸載—再加載的反復(fù)受荷過程［9］。支護(hù)混凝土在反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。反復(fù)荷載下支護(hù)混凝土產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形，殘余變形量達(dá)到混凝土的允許變形時，混凝土發(fā)生屈服，如圖中B點。當(dāng)變形超過屈服極限后混凝土發(fā)生彎拉破壞，產(chǎn)生裂縫。

圖4 混凝土在反復(fù)荷載作用下應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3 處理措施

1)復(fù)噴混凝土

在原初期支護(hù)混凝土表面重噴一層速凝混凝土，封閉裂縫同時加厚噴層;

2)補(bǔ)設(shè)臨時仰拱

對還未施作臨時仰拱的區(qū)域及時加設(shè)臨時仰拱，促使初期支護(hù)封閉成環(huán)，提高支護(hù)的受力性能;

3)架設(shè)臨時支撐

在已開挖段范圍內(nèi)架設(shè)臨時支撐，支撐采用組合工字鋼結(jié)構(gòu)，端頭焊接在初期支護(hù)鋼格柵拱架上，支撐間距80 cm，局部地區(qū)加密，防止隧道變形加劇;

4)注漿加固

在拱頂、邊墻、基底及掌子面實行全面注漿加固。注漿管采用φ42 mm普通鋼管，長度3.5 m，管頭切削為錐體，前端2.5 m范圍內(nèi)布設(shè)注漿孔，梅花形布置，間排距0.5 m×1.0 m。漿液采用水泥—水玻璃混合漿液，C∶S=(1∶0.6)～ (1∶1.1)，水泥強(qiáng)度等級 32.5 MPa，水玻璃模數(shù) 2.6～3.0，濃度 30～40 B'e，注漿壓力 0.8～2.0 MPa。

隧道加固方法設(shè)計圖如圖5、圖6所示。

圖5 隧道加固橫斷面

圖6 隧道加固縱斷面(單位：mm)

4 效果評價

監(jiān)控量測貫穿于搶險工作始終，量測頻率由原1～2次/d加密到2～3次/d。保證第一時間掌握圍巖變形發(fā)展趨勢，借此評價加固措施的實施效果，并為加固方案和技術(shù)參數(shù)的修改提供依據(jù)。

從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況來看，在搶險加固方案實施過程當(dāng)中，圍巖變形呈現(xiàn)快速—慢速—反復(fù)—穩(wěn)定的變化規(guī)律。一個月后變形量基本穩(wěn)定，拱頂沉降和水平收斂累計最大變化量分別維持在69 mm和42 mm左右，變形速率分別 ＜0.3 mm/d和0.1 mm/d。選取一典型量測斷面，收集其自發(fā)生突變至變形穩(wěn)定大約40 d的變形數(shù)據(jù)，繪制成位移(速率)—時間變化曲線圖，如圖7和圖8所示。

圖7 斷面拱頂沉降變化曲線

圖8 斷面水平收斂變化曲線

仰拱封閉和臨時支撐架設(shè)屬于應(yīng)急性加固措施，可以防止圍巖變形進(jìn)一步加劇，能保證短期內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)不會失穩(wěn)。但并不能從根本上遏制滲流破壞和圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。因此前期圍巖變形減緩趨勢并不明顯。注漿是從根源上治理圍巖受損破壞，水泥—水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時間短、強(qiáng)度高、動水條件下結(jié)石率高等優(yōu)點，地下水流速較大時可以起到快速堵漏的效果。漿液首先阻斷或改變地下水的空隙，達(dá)到降低滲流速度的目的。其次漿液滲透到土?？紫吨心蹋梢詫⒃舅缮⒌耐馏w膠結(jié)成整體，提高其抗剪強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。因此在注漿過程中，滲水問題會逐步解決，同時補(bǔ)強(qiáng)后的周邊圍巖可以與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)外圍水土壓力，支護(hù)效果明顯改善。

5 結(jié)論

滲流破壞不同于強(qiáng)度破壞，它是一個緩慢發(fā)展的過程，而且會愈來愈嚴(yán)重。施工中若重視程度不夠，不注意預(yù)防，一旦破壞趨勢完全展開，輕則引發(fā)突水涌泥，給施工帶來極大困難和不便;重則會導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)坍塌。并且滲流破壞發(fā)育后，治理難度大，費(fèi)用高，周期長。同時由于地下水的大量流失，還有可能影響到當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境和周圍建筑物的安全。

對于含砂土層滲流破壞的預(yù)防，控制地下水在砂層中的滲流條件是關(guān)鍵。因為含砂土層的滲流破壞不僅僅發(fā)生在砂層本身，與其交界的上部細(xì)粒黏土層也會受影響。注漿不失為一種十分有效的改良砂土物理力學(xué)性質(zhì)的方法，既可以減小砂土的滲流系數(shù)，降低地下水滲流速度，又能提高其膠結(jié)性能。漿液的成分和注漿方法的選擇宜根據(jù)工程實際進(jìn)行試驗研究確定。

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U455.4

A

1003-1995(2012)01-0059-04

2011-07-21;

2011-10-12

柯尉(1986— )，男，湖北黃岡人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)