祁建良

中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化公司 湖南長沙 421002

摘要：滲流問題是巖土工程領(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。常見的滲流破壞形式有流土、管涌、接觸沖刷以及接觸流失等。本文以某埋暗挖隧道施工過程中發(fā)生的險(xiǎn)情跡象。通通過監(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。

關(guān)鍵詞：富水含砂；隧道施工；險(xiǎn)情；處理措施

城市地鐵所施工的暗挖隧道多處于淺埋、地表建筑物較多、圍巖情況復(fù)雜不穩(wěn)定、地下水豐富、施工難度大、安全事故多發(fā)段。

一、概況

1.某車站暗挖隧道全長49.8m，開挖斷面尺寸5.9 m×5.3 m，埋深5.8～6.7m。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4m，水量豐富。隧道采用上下臺(tái)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40cm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?，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)。

二、險(xiǎn)情分析

綜觀險(xiǎn)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。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(huì)影響水的滲流路徑和水力梯度。

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0.05m/d，粉質(zhì)黏土層0.02m/d，粗砂層20m/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。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。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(tái)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。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。因此會(huì)有愈來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。

支護(hù)開裂。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，這給隧道帶來了較大的外加荷載。根據(jù)監(jiān)測(cè)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5mm/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)支護(hù)背后部分區(qū)域會(huì)暫時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)過程為加載—卸載—再加載的反復(fù)受荷過程。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1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)變形超過屈服極限后混凝土發(fā)生彎拉破壞，產(chǎn)生裂縫。

三、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80cm，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42mm普通鋼管，長度3.5m，管頭切削為錐體，前端2.5m范圍內(nèi)布設(shè)注漿孔，梅花形布置，間排距0.5m×1.0m。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)32.5MPa，水玻璃模數(shù)2.6～3.0，濃度30～ 40B'e，注漿壓力0.8～2.0MPa。

四、效果評(píng)價(jià)

1.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)變化情況來看，在搶險(xiǎn)加固方案實(shí)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(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42mm左右，變形速率分別<0.3mm/d 和0.1mm/d。

2.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?？紫吨心?，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。因此在注漿過程中，滲水問題會(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。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭陳旻.隧道塌方預(yù)警預(yù)測(cè)體系及治理措施研究.成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[2]李志厚.公路隧道特大塌方病害處治方法研究.西安：長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[3]趙志江.超淺埋暗挖隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（3）：136-140.