柯 尉，蔣斌松，杜石文

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

富水含砂地區(qū)淺埋暗挖隧道施工險(xiǎn)情分析

柯 尉，蔣斌松，杜石文

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)了極大的困難和風(fēng)險(xiǎn)。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(guò)街通道施工過(guò)程中發(fā)生的險(xiǎn)情跡象。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋現(xiàn)場(chǎng)處治措施的實(shí)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(wèn)題是巖土工程領(lǐng)域一個(gè)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(guò)程當(dāng)中。地下水滲流會(huì)引起土體滲流變形，若不加以防治則會(huì)演變成滲流破壞。常見(jiàn)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(jì)。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(shí)踐中所遇到的施工風(fēng)險(xiǎn)，分析了多重滲流破壞的發(fā)生機(jī)理和變化過(guò)程。

1 工程概況

深圳地鐵某車站暗挖過(guò)街通道全長(zhǎng)49.8 m，開(kāi)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(tái)階法開(kāi)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(guò)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(lái)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(wú)法封堵。與此同時(shí)兩側(cè)邊墻開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，隨后一段時(shí)間裂縫沿環(huán)向和縱向發(fā)展，裂縫寬度不斷增大。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映裂縫發(fā)展過(guò)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(guò)6 mm，累計(jì)變形量遠(yuǎn)超過(guò)變形控制值，而由于變形量測(cè)的滯后，實(shí)際沉降數(shù)據(jù)可能比測(cè)量數(shù)據(jù)大得多［8-11］?，F(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(xiǎn)。

2 險(xiǎn)情分析

綜觀險(xiǎn)情發(fā)展的全過(guò)程，很明顯嚴(yán)重滲水是其主要誘因，而滲水問(wèn)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(chǎng)施工簡(jiǎn)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(chǎng)示意

隧道開(kāi)挖改變了地下水的賦存條件，由此帶來(lái)水頭分布發(fā)生變化，進(jìn)一步會(huì)影響水的滲流路徑和水力梯度。水在滲流過(guò)程中會(huì)對(duì)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?yàn)闈B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(guò)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(jì)算公式界定不一，其中流土型土計(jì)算方法相對(duì)明確，公式中涉及到土的相對(duì)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(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，宜根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定?？紤]到本工程實(shí)際土層厚度分布不均，而圖1只是為方便分析而作出的簡(jiǎn)化，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工方法也會(huì)對(duì)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(shí)，會(huì)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(bào)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(shí)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(guò)程中，該接觸面上極易發(fā)生接觸流失，接觸流失的演變過(guò)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(guò)土體的允許水力梯度時(shí)，土粒將會(huì)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(shì)必會(huì)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(huì)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(huì)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(kāi)裂之前，隧道上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中掌子面曾發(fā)生過(guò)一次小塌方，有泥狀黏土涌出。從圖1可以看出，上臺(tái)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(shí)，塌方便有可能發(fā)生。

2)管涌

管涌多發(fā)生于級(jí)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(shí)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(gè)持續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，破壞速度由慢到快，程度由弱到強(qiáng)。

對(duì)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(shí)，在交界面處由于阻力迅速減小，滲流力和滲流速度會(huì)突然加大。這部分細(xì)粒土和粗砂層中的細(xì)小顆粒將會(huì)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(dòng)，直至被帶出滲流層面。由于臨時(shí)仰拱施工不及時(shí)，斷面支護(hù)成型后底部沒(méi)有封閉，故滲流土體會(huì)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(lái)越大，孔隙水壓力會(huì)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(huì)被這種“拖拽力”帶動(dòng)流走。因此會(huì)有愈來(lái)愈多的泥砂從底部空隙涌出，同時(shí)滲流速度的增大會(huì)使?jié)B水更加嚴(yán)重。

2.2 支護(hù)開(kāi)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(shí)，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(huì)降低。依據(jù)摩爾—庫(kù)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(huì)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(gè)混凝土攪拌站，這給隧道帶來(lái)了較大的外加荷載。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，在支護(hù)開(kāi)裂前，地面沉降值亦出現(xiàn)異常，日變化量持續(xù)超過(guò)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(shì)，圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)張趨勢(shì)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(huì)暫時(shí)形成空洞，原來(lái)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(gè)卸載過(guò)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(gè)再加載過(guò)程。因此可以認(rèn)為，滲流破壞至塑性區(qū)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程為加載—卸載—再加載的反復(fù)受荷過(guò)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(shí)，混凝土發(fā)生屈服，如圖中B點(diǎn)。當(dāng)變形超過(guò)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(shí)加厚噴層;

2)補(bǔ)設(shè)臨時(shí)仰拱

對(duì)還未施作臨時(shí)仰拱的區(qū)域及時(shí)加設(shè)臨時(shí)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(shí)支撐

在已開(kāi)挖段范圍內(nèi)架設(shè)臨時(shí)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(shí)行全面注漿加固。注漿管采用φ42 mm普通鋼管，長(zhǎng)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(jí) 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(jì)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(píng)價(jià)

監(jiān)控量測(cè)貫穿于搶險(xiǎn)工作始終，量測(cè)頻率由原1～2次/d加密到2～3次/d。保證第一時(shí)間掌握圍巖變形發(fā)展趨勢(shì)，借此評(píng)價(jià)加固措施的實(shí)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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況來(lái)看，在搶險(xiǎn)加固方案實(shí)施過(guò)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(gè)月后變形量基本穩(wěn)定，拱頂沉降和水平收斂累計(jì)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(cè)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(shí)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(shí)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(huì)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(shì)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(shí)間短、強(qiáng)度高、動(dòng)水條件下結(jié)石率高等優(yōu)點(diǎn)，地下水流速較大時(shí)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。其次漿液滲透到土粒孔隙中凝固，可以將原本松散的土體膠結(jié)成整體，提高其抗剪強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。因此在注漿過(guò)程中，滲水問(wèn)題會(huì)逐步解決，同時(shí)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(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程，而且會(huì)愈來(lái)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(shì)完全展開(kāi)，輕則引發(fā)突水涌泥，給施工帶來(lái)極大困難和不便;重則會(huì)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(zhǎng)。同時(shí)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(duì)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?yàn)楹巴翆拥臐B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(huì)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(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)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)