某在建隧道拱部涌砂與應對措施

沙金碩

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

1 工程概況

北京某地下工程位于二環內歷史文化保護區，工程設計采用暗挖法施工，設置兩處臨時施工豎井通道滿足正線隧道開挖進洞需要。工程對應的地面條件是繁華的臨街商業、擁擠的交通道路以及歷史悠久的四合院建筑，同時道路下方存在大量地下管線，多為重力流雨污水管溝，年代也較為久遠，對施工有較大影響，也是重要的環境風險源。

根據要求，地下工程地下水處理由以前的抽降方式轉變為實施難度較高的止水方式。本工程全線設計為全止水方案，通過多手段處理地下水問題。工程2號臨時豎井及施工通道于2018年初開工建設，豎井采用倒掛井壁法施工，施工通道采用暗挖法施工，通道在施工過程中出現多次拱部范圍的涌水、涌砂情況。

2 工程與水文地質條件

本工程場區位于永定河沖洪積扇中部，砂卵石層與粉土、黏土類地層交互沉積，對工程有較大影響的地層主要為⑤圓礫卵石、⑥粉質黏土、⑦卵石、⑦1中粗砂、⑦2粉細砂、⑧粉質黏土。施工通道拱部位于不透水層⑥粉質黏土，其上為含水層⑤圓礫卵石。⑤圓礫卵石地層密實，一般粒徑5～20mm，最大粒徑≥110mm，級配較好，低壓縮性，連續分布，地層滲透系數110m/d；⑥粉質黏土天然含水量26%，孔隙比0.73，液性指數0.33，可塑～硬塑，地層整體性較好，連續分布，局部夾粉土薄層，地層滲透系數0.05m/d。

擬建場地在勘察深度范圍內發現4層地下水，其中對工程實施有影響的地下水分別為潛水(二)、層間水(三)、層間水(四)。根據勘察報告，本暗挖通道洞身所處地層結構雜散，開挖斷面所處地層由上而下依次為⑥粉質黏土、⑥3細中砂、⑦2粉細砂、⑦1中粗砂、⑦卵石、⑧粉質黏土。潛水(二)連續分布于⑤圓礫卵石，含水層厚度為1～3m，直接影響隧道拱部安全。少量層間水(三)分布于⑥3細中砂中，位于結構中上部；層間水(三)連續出現在⑦卵石中，位于結構底部附近，結構底部則是連續的隔水層⑧粉質黏土。

3 地下水處理設計

對于暗挖工程，止水方案可采用凍結、旋噴、深孔注漿等方式，具體方式還需要考慮實施條件、對環境影響、工期以及投資等因素。本暗挖通道為正線隧道施工的臨時通道，結構規模不大，開挖寬度4.6m，高度9.17m，初支厚度300mm(見圖1)，含水地層分散布置于結構頂部、中部及底板，含水層厚度不大，因此，地下水控制采用了簡單、經濟的深孔注漿方式。

圖1 通道結構支護設計

城市帶水砂土隧道采用注漿堵水的實例不多，注漿止水選擇合理參數是關鍵。日本在注漿止水技術要求上提出了降低地層1～2個數量級的滲透系數為目標，給出了3m～(1～2)D注漿止水層厚度(D為隧道洞徑)。本工程參考地層加固通常提出的滲透系數以及注漿實際效果，注漿后的地層提出了滲透系數≤1×10-6cm/s的量化指標要求，止水圈層厚度根據地層條件、結構參數以及不同地層注漿效果特點，確定了開挖面外擴2.5m。

4 隧道涌砂及應對措施

2號施工臨時通道全長約46m，分上下兩部開挖，開挖按臺階法進行。通道于2018年5月9日開始破豎井馬頭門進洞，于2018年11月底完成結構封端，過程中發生了3次拱部涌砂事故。

1)第1次涌砂發生于2018年7月，通道開挖洞身長約22m，發生部位位于拱部11點方向，發生時本次上臺階土方開挖基本完成，銑拱過程中(格柵間距為0.5m，每次開挖步長0.5m)，涌砂量約5～8m3。

根據現場勘察，該處開挖揭露的地層為較密實的粉質黏土，硬塑，無水漬，但隨著暴露時間變長，黏土表層出現滲水，很快發展為滴水、點流，地層出現明顯的蠕變、劣化，最終上層⑤圓礫卵石層水穿透黏土層發展成涌砂。針對此情況，涌砂發生后及時封堵涌砂體并進行地層補償注漿，控制地層變形。

針對下一步的防涌砂應對措施，參建各方進行了專題技術討論。首先，涌砂并非在開挖揭露地層第一時間發生，并且新揭露的地層表現出了較好的物理特性；其次，通道拱部開挖、立拱、噴混凝土循環時間約為4h，時間并不緊湊，工序銜接有優化空間，因此，制定的措施以充分利用地層自穩特性及時空效應為原則，強調注漿效果控制的同時，提高開挖、立拱、噴混凝土環節工作效率，并加強現場協調組織，優化工序銜接。

2)2018年8月，距離上次涌砂開挖進尺2m的隧道拱部同樣位置出現了第2次涌砂，揭露的地層仍為較完整的粉質黏土，發生時在進行周邊輪廓土體清理，準備立拱，本次涌砂量約2m3。

本次涌砂發生后，結合這兩次涌砂發展過程，研究重點放在如何利用拱頂⑥粉質黏土天然隔水及自穩性能，同時考慮如何縮短拱部臺階開挖與支護時間。目前結構斷面拱部采用矢高1.5m，結構跨度4m，矢跨比0.375，三心圓結構形式(見圖1)。拱部位于粉質黏土⑥層中，該層土在通道拱頂區域內厚度分布約1.3～1.5m。經分析，盡量保留⑥粉質黏土，加大上層水滲透路徑長度，延緩粉質黏土劣化失穩的時間是設計優化的關鍵。結構矢高由原來的1.5m優化為1m，矢跨比調整為0.25(見圖2)。同時設計也考慮了設置中間臨時豎撐，將結構施工細分為左右兩次開挖，減少一次開挖斷面尺寸，盡早封閉開挖面，后經討論，采取該措施開挖斷面小，實施效率低，不宜采用。

圖2 結構拱部優化斷面

結構矢跨比的優化減少了一定的土方開挖量，但幅度不大，因此，要有效減少土體的暴露時間還需要再細化施工工序。由于兩次涌砂的部位均發生在拱部11點位置，分析推斷，拱部左側斷面上方土體性質較差，不宜過早開挖暴露，在土體開挖環節應優先開挖右側斷面土方，減少拱部11點位置處土體暴露時間。同時，根據這兩次涌砂體涌砂過程形態發展，適當加大上下臺階長度，利于涌砂發生時涌砂體盡快形成穩定錐體，減少涌砂量。

3)2018年9月，通道開挖到約29m時，即距離第2次涌砂進尺約5m，拱部相同部位相似時點再次發生涌砂，涌砂發展過程與之前類似，但涌砂體量大，地層水土損失嚴重，本次涌砂量約40m3。險情發生后立即從地面進行地層補償注漿，防止次生險情發生。

連續發生的3次涌砂險情嚴重影響了施工進度。深孔注漿止水作為阻止地下水的首道防線，在目前的技術條件下還無法完全封閉水體。⑤圓礫卵石滲透系數大，透水性好，注漿難以有效控制固結范圍，也難以均勻填充空隙，固結顆粒，一味地擴大注漿止水范圍對于改善止水效果作用有限。內部挖潛、提高工效與注漿止水綜合措施已不足以解決當前的困境，減小涌砂風險發生的概率只能調整設計方案、增加技術措施。

減少拱頂以上地下水影響最有效的方式是遠離含水層⑤圓礫卵石，通道的結構位置及輪廓由通道使用功能與實施安全確定，通道高程位置、直墻段高度由正線隧道參數確定，沒有調整的空間，頂部拱形設計則考慮頂部土方開挖的穩定。在當前條件下，需要研究平頂結構實施的可行性。結構平頂斷面可以減少開挖高度1m，此部分范圍地層為⑥3細中砂，土體不能自穩，容易塌落，必須再增加頂部支撐措施，常用的手段是增加管棚或超前導管注漿。本部位施工不僅需要考慮土體的穩定，還應兼顧止水需要，管棚或小導管注漿并不能很好地滿足這兩方面需求，經討論，設計采用了頂部增加管幕的措施。

但管幕施工需要一定的作業空間，本通道不具備管幕施工擴挖的條件。管幕布設范圍根據實施條件確定，中間布設12根φ180mm×10mm管幕，兩側無法實施的區域采用密排φ42mm×3.25mm長導管進行補充，具體設計如圖3所示。

圖3 通道結構平頂結構

在管幕防護下，2號施工臨時通道順利完成了剩余長度的施工，為正線隧道的施工提供了條件。

5 結語

1)不利地層條件下的隧道施工更應貫徹動態設計、動態施工的理念，利用好地層時空效應，想方設法提高效率。從實施的情況來看，應大力推廣機械化施工。

2)注漿方式還無法徹底解決地層止水問題。應進一步開展不同地質條件下，注漿材料、注漿配合比、注漿工藝、注漿參數以及指標評判的研究，正確對待注漿技術在止水領域的定位與發展。

3)風險控制是地下工程回避不了的難題。隧道涌砂造成了工程投資、工期等方面的損失，也產生了可能造成社會影響的隱患，如何評估工程風險程度、技術方案合理性、施工水平、工程投資經濟性等因素，以及平衡上述因素的關系需要社會、政府、工程參建各方共同面對、解決。