某隧道發生涌砂的機理及工程應對措施

許延彪

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

隧道的涌水涌泥（砂）事故危害巨大，不僅延誤工期，造成經濟損失，嚴重時更危及施工人員的生命安全。通常隧道的涌水涌泥（砂）事故往往發生在巖質隧道如斷層破碎帶、不同巖性接觸帶、巖溶地區的溶洞位置處。但在特定的地質條件下土質隧道也會發生涌水涌泥（砂）事故，本文介紹了某隧道在圍巖為粉質黏土的條件下發生涌砂事故的過程,分析其形成機理，類似工程可起到一定借鑒作用。

1 工程概況及工程地質條件

隧道設計為單洞雙線隧道，全長6 693 m，線間距為5 m,共設3座斜井。隧道區為黃土臺塬地貌邊緣地帶，臺塬頂部較平坦，周邊沖溝發育，溝谷深切較大，多呈“U”字型及“V”字型，地形起伏較大，最大高差約305 m。地表植被稀疏，多為耕地，隧道進口山坡自然坡度68°，出口處自然坡度60～70°。

隧道區表覆第四系上更新統坡洪積新黃土、細砂，中更新統沖洪積老黃土、砂類土，上第三系上新統粉質黏土、砂類土、半膠結砂巖；隧道洞身范圍地層巖性為上第三系上新統粉質黏土、細砂、粉砂、細圓礫土及半膠結狀砂巖，其中粉質黏土堅硬～硬塑，局部夾砂巖，局部不同地層間結合差，頂板易脫落，圍巖易坍塌。砂巖呈鈣質、泥質半膠結狀，吸水易軟化碎裂。地下水為第四系孔隙潛水，主要賦存于第四系松散層中，主要含水層為碎石類土及砂類土。在黃土與下伏地層接觸帶附近存有少量第四系孔隙水，水位隨季節的變化而變化，第三系地層中存在不穩定的“囊狀水”。

2 涌砂事故發生過程

涌砂事故發生在DK590+720處，在掌子面開挖并出碴完成時，掌子面粉質黏土層慢慢開始呈片狀剝落，幾分鐘后上臺階掌子面前方即發生涌砂事故，整個涌砂過程瞬間完成，涌砂量約300 m3，在掌子面至仰拱端頭形成自然坡體。涌砂造成DK590+723～DK590+720段已完成初期支護4榀拱架被壓垮，DK590+763～DK590+723段已完成初期支護局部開裂。次日掌子面再次發生土層滑塌，滑落土方約60 m3。涌砂過程中伴有涌水，最大涌水量15 m3/h，后慢慢減小。現場情況如圖1、2、3所示。

圖1 涌砂段示意圖Fig.1 Sand gushing section

3 涌砂事故發生機理分析

施工揭示發生涌砂段的隧道圍巖的巖性為第三系粉質黏土夾砂層，粉質黏土呈棕紅色，堅硬～硬塑狀態。粉質黏土上部分布有粉細砂層，呈密實狀，局部半膠結。地質條件如圖4所示。

圖2 涌砂Fig.2 sand inrush

圖3 涌水Fig.3 Water gushing

圖4 隧道涌砂段地質縱斷面示意圖Fig.4 Geology vertical section of sand gushing section in tunnel

由于勘探在枯水期進行，且第三系“囊狀水”分布不均勻，勘探期間未揭露地下水。施工中揭示隧址區地下水按賦存條件為第四系孔隙潛水、第三系“囊狀水”。“囊狀水”賦存于第三系砂類土、碎石類土以及半膠結砂巖裂隙中，受地層復雜接觸關系影響，差異性大，分布極不均勻。施工期間受施工擾動和地下水的影響，隧道圍巖中粉質黏土松弛變形，節理裂隙發育，砂層密實程度降低，施工中一旦隔水層被揭穿，打通地下水力聯系，地下水的運移路徑發生變化，砂層和粉質黏土等圍巖失穩，極易發生涌水、涌泥、涌砂。

開挖至DK590+730附近時，隧道拱部粉質黏土中有少量地下水滲出，現場實作超前水平鉆探揭示，隧道正前方拱部0～2 m為粉質粘土，2 m以后為粉砂，粉砂呈密實，潮濕，揭示粉質黏土上部的砂層中存在一定的地下水，但未引起現場施工人員足夠的重視。施工至DK590+720時，隨隧道開挖，洞頂的粉質黏土變薄且松馳，在上部砂層孔隙水的滲透和浸泡下，使得原本堅硬～硬塑狀的粉質黏土逐漸軟化，強度和承載能力大大降低，當隧道頂部粉質黏土的承載能力小于上覆地層的自重壓力時，頂部粉質黏土發生坍塌，上覆砂層伴隨地下水涌出，產生坍塌涌砂、涌水事故，致使隧道上部形成3～5 m的空洞。由于第三系地層整體性較好，未引起事故的進一步惡化。

4 工程應對措施

1）防止前方砂土層進一步涌出，前期對現場已形成自然坡坡腳采用沙袋堆碼擋護；在已經施做的初期支護段，為確保安全，設置I22護拱，間距0.8 m，護拱間設置縱向連接筋，并確保基礎牢固，同時加設臨時鋼支撐。

2）后期對涌砂段的端頭DK590+723處掛設網格為20×20 cm的φ8鋼筋網片，噴15 cm厚C25混凝土封閉，防止漏砂繼續；

3）DK590+763～DK590+723套拱鋼架與初支面縫隙處增加木楔，對本段初支背后空洞進行充填水泥砂漿。

4）DK590+723～DK590+703段隧道拱部160°范圍采用φ600超前預加固咬合樁超前支護對周圍土體進行加固，超前預加固樁長度為15 m，每循環搭接長度3 m，樁徑600 mm，樁間距為400 mm，相鄰樁相互咬合200 mm，成樁體達到的抗壓強度5.0～8.0 MPa；按大角度打設，設計角度為5～10°，為提高超前預加固咬合樁抗剪強度，采用拱部120°超前預加固咬合樁內插φ89 mm鋼管提高強度，φ89 mm鋼管環向間距80 cm。如圖5所示。

5）隧道圍巖級別維持Ⅴ級不變，為確保掌子面穩定采用超前預加固樁進行加固，掌子面超前預加固樁按水平方向打設，長度為12 m；一般按隧道斷面等腰三角形布置，間距2×2 m。

6）上述措施完成后，對涌砂體進行開挖，盡量縮小開挖斷面，斷面內涌砂松散體要采取注漿加固或掛網噴混凝土封閉，防止開挖過程中掌子面突出，必要時雙側壁導坑法施工。

5 結論

通過分析該隧道的地質條件，得出發生涌砂事故的主要原因為隧道頂部的粉質黏土受到上覆砂層孔隙水的軟化以及施工擾動，強度降低，難以支撐上覆土層壓力，導致頂部粉質黏土坍塌，砂層涌出；從施工過程分析，超前地質預報已經揭示可能發生事故的風險，但是沒有結合原勘察資料進一步分析，致使事故最后發生，可見在隧道施工中超前地質預報工作需進一步加強，需增加綜合分析過程。針對涌砂機理采取適宜的工程措施，并取得了良好的效果。

圖5 洞內超前預加固咬合樁布置Fig.5 Layout of pre-reinforced engaged piles in tunnel (Unit: cm)