淺埋暗挖隧道施工險情分析

祁建良

中鐵五局集團機械化公司 湖南長沙 421002

摘要：滲流問題是巖土工程領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施的建造與使用過程當中。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。本文以某埋暗挖隧道施工過程中發生的險情跡象。通通過監控量測數據反饋現場處治措施的實施效果，提出預防含砂土層滲流破壞的關鍵是控制地下水在砂層中的滲流條件。

關鍵詞：富水含砂；隧道施工；險情；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、圍巖情況復雜不穩定、地下水豐富、施工難度大、安全事故多發段。

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。隧道采用上下臺階法開挖，初期支護為鋼格柵拱架加掛網噴射混凝土，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，并且初期支護墻底不斷有泥沙涌出，注漿無法封堵。現象表明隧道支護結構瀕于失穩，存在垮塌風險。

二、險情分析

綜觀險情發展的全過程，很明顯嚴重滲水是其主要誘因，而滲水問題得不到解決直接導致了滲流破壞的發生。隧道開挖改變了地下水的賦存條件，由此帶來水頭分布發生變化，進一步會影響水的滲流路徑和水力梯度。

1.滲流破壞

（1）接觸流失。在滲流系數相差懸殊的兩土層中，當滲流垂直于層面時，會將滲流系數小的土層中的細顆粒帶到滲流系數大的土層當中，這種現象稱為接觸流失。根據詳勘報告，本工程中三層土滲流系數分別為：素填土層0.05m/d，粉質黏土層0.02m/d，粗砂層20m/d。素填土層和粉質黏土層滲流系數較為接近，分析時可將其視為同一土層。接觸流失的發生使粉質黏土層及其上填土層中大量細顆粒成分流散，這勢必會造成土體的孔隙率增大。而土體滲流系數大小與粒徑和孔隙率有直接關系，故滲流系數會隨著孔隙率的增大而變大。滲流破壞首先發生在上覆素填土和粉質黏土層等細粒土層中。因此不難解釋在支護混凝土開裂之前，隧道上臺階開挖過程中掌子面曾發生過一次小塌方，有泥狀黏土涌出。當滲流破壞發展到一定程度時，塌方便有可能發生。

（2）管涌多發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遠小于黏土層中。管涌不同于流土，它是一個持續進行的過程，破壞速度由慢到快，程度由弱到強。對本工程而言，當滲流水將上覆土層中細粒土帶入粗砂層時，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。這部分細粒土和粗砂層中的細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。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滲水更加嚴重。

支護開裂。土中有效應力的下降會導致土抗剪強度降低。隧道上方存在較多堆積物，其中包括大量鋼材，還設有一個混凝土攪拌站，這給隧道帶來了較大的外加荷載。根據監測資料，在支護開裂前，地面沉降值亦出現異常，日變化量持續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，洞周圍巖塑性區支護背后部分區域會暫時形成空洞，原來作用在支護結構上的圍巖壓力得到釋放，這相當于一個卸載過程。塑性區發展后支護結構要承受更大的圍巖壓力，這又相當于一個再加載過程。因此可以認為，滲流破壞至塑性區發展的整個過程為加載—卸載—再加載的反復受荷過程。支護混凝土在反復荷載作用下的應力—應變曲線如圖1所示。反復荷載下支護混凝土產生不可恢復的殘余變形，殘余變形量達到混凝土的允許變形時，混凝土發生屈服，如圖中B點。當變形超過屈服極限后混凝土發生彎拉破壞，產生裂縫。

三、處理措施

1.復噴混凝土。在原初期支護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.補設臨時仰拱。對還未施作臨時仰拱的區域及時加設臨時仰拱，促使初期支護封閉成環，提高支護的受力性能。

3.架設臨時支撐。在已開挖段范圍內架設臨時支撐，支撐采用組合工字鋼結構，端頭焊接在初期支護鋼格柵拱架上，支撐間距80cm，局部地區加密，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42mm普通鋼管，長度3.5m，管頭切削為錐體，前端2.5m范圍內布設注漿孔，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），水泥強度等級32.5MPa，水玻璃模數2.6～3.0，濃度30～ 40B'e，注漿壓力0.8～2.0MPa。

四、效果評價

1.監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參數的修改提供依據。從現場監測數據變化情況來看，在搶險加固方案實施過程當中，圍巖變形呈現快速—慢速—反復—穩定的變化規律。一個月后變形量基本穩定，拱頂沉降和水平收斂累計最大變化量分別維持在69 mm 和42mm左右，變形速率分別<0.3mm/d 和0.1mm/d。

2.仰拱封閉和臨時支撐架設屬于應急性加固措施，可以防止圍巖變形進一步加劇，能保證短期內支護結構不會失穩。但并不能從根本上遏制滲流破壞和圍巖塑性區的發展。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時間短、強度高、動水條件下結石率高等優點，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成整體，提高其抗剪強度和自穩能力。因此在注漿過程中，滲水問題會逐步解決，同時補強后的周邊圍巖可以與支護結構共同承擔外圍水土壓力，支護效果明顯改善。

對于含砂土層滲流破壞的預防，控制地下水在砂層中的滲流條件是關鍵。因為含砂土層的滲流破壞不僅僅發生在砂層本身，與其交界的上部細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性質的方法，既可以減小砂土的滲流系數，降低地下水滲流速度，又能提高其膠結性能。漿液的成分和注漿方法的選擇宜根據工程實際進行試驗研究確定。

參考文獻：

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