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祁建良
中铁五局集团机械化公司 湖南长沙 421002
摘要：渗流问题是岩土工程领域一个重要的研究课题，它广泛存在于边坡、堤坝、基坑及隧道等工程设施的建造与使用过程当中。地下水渗流会引起土体渗流变形，若不加以防治则会演变成渗流破坏。常见的渗流破坏形式有流土、管涌、接触冲刷以及接触流失等。本文以某埋暗挖隧道施工過程中发生的险情迹象。通通过监控量测数据反馈现场处治措施的实施效果，提出预防含砂土层渗流破坏的关键是控制地下水在砂层中的渗流条件。
关键词：富水含砂；隧道施工；险情；处理措施
城市地铁所施工的暗挖隧道多处于浅埋、地表建筑物较多、围岩情况复杂不稳定、地下水丰富、施工难度大、安全事故多发段。
一、概况
1.某车站暗挖隧道全长49.8m，开挖断面尺寸5.9 m×5.3 m，埋深5.8～6.7m。隧道所处地层主要由素填土层、粉质黏土层及粗砂组成。地下水位埋深约4m，水量丰富。隧道采用上下台阶法开挖，初期支护为钢格栅拱架加挂网喷射混凝土，二次衬砌为40cm厚模筑混凝土。隧道施工过程中一直面临渗水困扰，虽采取了一定的引排水措施，但效果均不理想。后来渗水量日渐增大，并且初期支护墙底不断有泥沙涌出，注浆无法封堵。现象表明隧道支护结构濒于失稳，存在垮塌风险。
二、险情分析
综观险情发展的全过程，很明显严重渗水是其主要诱因，而渗水问题得不到解决直接导致了渗流破坏的发生。隧道开挖改变了地下水的赋存条件，由此带来水头分布发生变化，进一步会影响水的渗流路径和水力梯度。
1.渗流破坏
（1）接触流失。在渗流系数相差悬殊的两土层中，当渗流垂直于层面时，会将渗流系数小的土层中的细颗粒带到渗流系数大的土层当中，这种现象称为接触流失。根据详勘报告，本工程中三层土渗流系数分别为：素填土层0.05m/d，粉质黏土层0.02m/d，粗砂层20m/d。素填土层和粉质黏土层渗流系数较为接近，分析时可将其视为同一土层。接触流失的发生使粉质黏土层及其上填土层中大量细颗粒成分流散，这势必会造成土体的孔隙率增大。而土体渗流系数大小与粒径和孔隙率有直接关系，故渗流系数会随着孔隙率的增大而变大。渗流破坏首先发生在上覆素填土和粉质黏土层等细粒土层中。因此不难解释在支护混凝土开裂之前，隧道上台阶开挖过程中掌子面曾发生过一次小塌方，有泥状黏土涌出。当渗流破坏发展到一定程度时，塌方便有可能发生。
（2）管涌多发生于级配不均匀的粗粒土中，特别是砂土层。由于砂土中不存在黏聚力，而且土体孔隙率较大，水渗流时只需要克服粒间的摩擦力，因此所遇到的阻力远远小于黏土层中。管涌不同于流土，它是一个持续进行的过程，破坏速度由慢到快，程度由弱到强。对本工程而言，当渗流水将上覆土层中细粒土带入粗砂层时，在交界面处由于阻力迅速减小，渗流力和渗流速度会突然加大。这部分细粒土和粗砂层中的细小颗粒将会集体被这种较大的渗流力“拖拽”，在粗颗粒之间的间隙里流动，直至被带出渗流层面。因此会有愈来愈多的泥砂从底部空隙涌出，同时渗流速度的增大会使渗水更加严重。
支护开裂。土中有效应力的下降会导致土抗剪强度降低。隧道上方存在较多堆积物，其中包括大量钢材，还设有一个混凝土搅拌站，这给隧道带来了较大的外加荷载。根据监测资料，在支护开裂前，地面沉降值亦出现异常，日变化量持续超过警戒值且不断增大，最大日变量接近5mm/d。因此可以确定，在渗流破坏和外加荷载的双重不利因素影响下，洞周围岩塑性区支护背后部分区域会暂时形成空洞，原来作用在支护结构上的围岩压力得到释放，这相当于一个卸载过程。塑性区发展后支护结构要承受更大的围岩压力，这又相当于一个再加载过程。因此可以认为，渗流破坏至塑性区发展的整个过程为加载—卸载—再加载的反复受荷过程。支护混凝土在反复荷载作用下的应力—应变曲线如图1所示。反复荷载下支护混凝土产生不可恢复的残余变形，残余变形量达到混凝土的允许变形时，混凝土发生屈服，如图中B点。当变形超过屈服极限后混凝土发生弯拉破坏，产生裂缝。
三、处理措施
1.复喷混凝土。在原初期支护混凝土表面重喷一层速凝混凝土，封闭裂缝同时加厚喷层。
2.补设临时仰拱。对还未施作临时仰拱的区域及时加设临时仰拱，促使初期支护封闭成环，提高支护的受力性能。
3.架设临时支撑。在已开挖段范围内架设临时支撑，支撑采用组合工字钢结构，端头焊接在初期支护钢格栅拱架上，支撑间距80cm，局部地区加密，防止隧道变形加剧。
4.注浆加固。在拱顶、边墙、基底及掌子面实行全面注浆加固注浆管采用42mm普通钢管，长度3.5m，管头切削为锥体，前端2.5m范围内布设注浆孔，梅花形布置，间排距0.5m×1.0m。浆液采用水泥—水玻璃混合浆液，C∶ S =（1∶ 0.6）～（1∶1.1），水泥强度等级32.5MPa，水玻璃模数2.6～3.0，浓度30～ 40B'e，注浆压力0.8～2.0MPa。
四、效果评价
1.监控量测贯穿于抢险工作始终，量测频率由原1～2 次/d 加密到2～3次/d。保证第一时间掌握围岩变形发展趋势，借此评价加固措施的实施效果，并为加固方案和技术参数的修改提供依据。从现场监测数据变化情况来看，在抢险加固方案实施过程当中，围岩变形呈现快速—慢速—反复—稳定的变化规律。一个月后变形量基本稳定，拱顶沉降和水平收敛累计最大变化量分别维持在69 mm 和42mm左右，变形速率分别<0.3mm/d 和0.1mm/d。
2.仰拱封闭和临时支撑架设属于应急性加固措施，可以防止围岩变形进一步加剧，能保证短期内支护结构不会失稳。但并不能从根本上遏制渗流破坏和围岩塑性区的发展。因此前期围岩变形减缓趋势并不明显。注浆是从根源上治理围岩受损破坏，水泥—水玻璃双液浆具有凝结时间短、强度高、动水条件下结石率高等优点，地下水流速较大时可以起到快速堵漏的效果。浆液首先阻断或改变地下水的空隙，达到降低渗流速度的目的。其次浆液渗透到土粒孔隙中凝固，可以将原本松散的土体胶结成整体，提高其抗剪强度和自稳能力。因此在注浆过程中，渗水问题会逐步解决，同时补强后的周边围岩可以与支护结构共同承担外围水土压力，支护效果明显改善。
对于含砂土层渗流破坏的预防，控制地下水在砂层中的渗流条件是关键。因为含砂土层的渗流破坏不仅仅发生在砂层本身，与其交界的上部细粒黏土层也会受影响。注浆不失为一种十分有效的改良砂土物理力学性质的方法，既可以减小砂土的渗流系数，降低地下水渗流速度，又能提高其胶结性能。浆液的成分和注浆方法的选择宜根据工程实际进行试验研究确定。
参考文献：
[1]郑陈旻.隧道塌方预警预测体系及治理措施研究.成都：西南交通大学硕士学位论文，2011.
[2]李志厚.公路隧道特大塌方病害处治方法研究.西安：长安大学硕士学位论文，2013.
[3]赵志江.超浅埋暗挖隧道施工技术[J].现代隧道技术，2011，48（3）：136-140.
中铁五局集团机械化公司 湖南长沙 421002
摘要：渗流问题是岩土工程领域一个重要的研究课题，它广泛存在于边坡、堤坝、基坑及隧道等工程设施的建造与使用过程当中。地下水渗流会引起土体渗流变形，若不加以防治则会演变成渗流破坏。常见的渗流破坏形式有流土、管涌、接触冲刷以及接触流失等。本文以某埋暗挖隧道施工過程中发生的险情迹象。通通过监控量测数据反馈现场处治措施的实施效果，提出预防含砂土层渗流破坏的关键是控制地下水在砂层中的渗流条件。
关键词：富水含砂；隧道施工；险情；处理措施
城市地铁所施工的暗挖隧道多处于浅埋、地表建筑物较多、围岩情况复杂不稳定、地下水丰富、施工难度大、安全事故多发段。
一、概况
1.某车站暗挖隧道全长49.8m，开挖断面尺寸5.9 m×5.3 m，埋深5.8～6.7m。隧道所处地层主要由素填土层、粉质黏土层及粗砂组成。地下水位埋深约4m，水量丰富。隧道采用上下台阶法开挖，初期支护为钢格栅拱架加挂网喷射混凝土，二次衬砌为40cm厚模筑混凝土。隧道施工过程中一直面临渗水困扰，虽采取了一定的引排水措施，但效果均不理想。后来渗水量日渐增大，并且初期支护墙底不断有泥沙涌出，注浆无法封堵。现象表明隧道支护结构濒于失稳，存在垮塌风险。
二、险情分析
综观险情发展的全过程，很明显严重渗水是其主要诱因，而渗水问题得不到解决直接导致了渗流破坏的发生。隧道开挖改变了地下水的赋存条件，由此带来水头分布发生变化，进一步会影响水的渗流路径和水力梯度。
1.渗流破坏
（1）接触流失。在渗流系数相差悬殊的两土层中，当渗流垂直于层面时，会将渗流系数小的土层中的细颗粒带到渗流系数大的土层当中，这种现象称为接触流失。根据详勘报告，本工程中三层土渗流系数分别为：素填土层0.05m/d，粉质黏土层0.02m/d，粗砂层20m/d。素填土层和粉质黏土层渗流系数较为接近，分析时可将其视为同一土层。接触流失的发生使粉质黏土层及其上填土层中大量细颗粒成分流散，这势必会造成土体的孔隙率增大。而土体渗流系数大小与粒径和孔隙率有直接关系，故渗流系数会随着孔隙率的增大而变大。渗流破坏首先发生在上覆素填土和粉质黏土层等细粒土层中。因此不难解释在支护混凝土开裂之前，隧道上台阶开挖过程中掌子面曾发生过一次小塌方，有泥状黏土涌出。当渗流破坏发展到一定程度时，塌方便有可能发生。
（2）管涌多发生于级配不均匀的粗粒土中，特别是砂土层。由于砂土中不存在黏聚力，而且土体孔隙率较大，水渗流时只需要克服粒间的摩擦力，因此所遇到的阻力远远小于黏土层中。管涌不同于流土，它是一个持续进行的过程，破坏速度由慢到快，程度由弱到强。对本工程而言，当渗流水将上覆土层中细粒土带入粗砂层时，在交界面处由于阻力迅速减小，渗流力和渗流速度会突然加大。这部分细粒土和粗砂层中的细小颗粒将会集体被这种较大的渗流力“拖拽”，在粗颗粒之间的间隙里流动，直至被带出渗流层面。因此会有愈来愈多的泥砂从底部空隙涌出，同时渗流速度的增大会使渗水更加严重。
支护开裂。土中有效应力的下降会导致土抗剪强度降低。隧道上方存在较多堆积物，其中包括大量钢材，还设有一个混凝土搅拌站，这给隧道带来了较大的外加荷载。根据监测资料，在支护开裂前，地面沉降值亦出现异常，日变化量持续超过警戒值且不断增大，最大日变量接近5mm/d。因此可以确定，在渗流破坏和外加荷载的双重不利因素影响下，洞周围岩塑性区支护背后部分区域会暂时形成空洞，原来作用在支护结构上的围岩压力得到释放，这相当于一个卸载过程。塑性区发展后支护结构要承受更大的围岩压力，这又相当于一个再加载过程。因此可以认为，渗流破坏至塑性区发展的整个过程为加载—卸载—再加载的反复受荷过程。支护混凝土在反复荷载作用下的应力—应变曲线如图1所示。反复荷载下支护混凝土产生不可恢复的残余变形，残余变形量达到混凝土的允许变形时，混凝土发生屈服，如图中B点。当变形超过屈服极限后混凝土发生弯拉破坏，产生裂缝。
三、处理措施
1.复喷混凝土。在原初期支护混凝土表面重喷一层速凝混凝土，封闭裂缝同时加厚喷层。
2.补设临时仰拱。对还未施作临时仰拱的区域及时加设临时仰拱，促使初期支护封闭成环，提高支护的受力性能。
3.架设临时支撑。在已开挖段范围内架设临时支撑，支撑采用组合工字钢结构，端头焊接在初期支护钢格栅拱架上，支撑间距80cm，局部地区加密，防止隧道变形加剧。
4.注浆加固。在拱顶、边墙、基底及掌子面实行全面注浆加固注浆管采用42mm普通钢管，长度3.5m，管头切削为锥体，前端2.5m范围内布设注浆孔，梅花形布置，间排距0.5m×1.0m。浆液采用水泥—水玻璃混合浆液，C∶ S =（1∶ 0.6）～（1∶1.1），水泥强度等级32.5MPa，水玻璃模数2.6～3.0，浓度30～ 40B'e，注浆压力0.8～2.0MPa。
四、效果评价
1.监控量测贯穿于抢险工作始终，量测频率由原1～2 次/d 加密到2～3次/d。保证第一时间掌握围岩变形发展趋势，借此评价加固措施的实施效果，并为加固方案和技术参数的修改提供依据。从现场监测数据变化情况来看，在抢险加固方案实施过程当中，围岩变形呈现快速—慢速—反复—稳定的变化规律。一个月后变形量基本稳定，拱顶沉降和水平收敛累计最大变化量分别维持在69 mm 和42mm左右，变形速率分别<0.3mm/d 和0.1mm/d。
2.仰拱封闭和临时支撑架设属于应急性加固措施，可以防止围岩变形进一步加剧，能保证短期内支护结构不会失稳。但并不能从根本上遏制渗流破坏和围岩塑性区的发展。因此前期围岩变形减缓趋势并不明显。注浆是从根源上治理围岩受损破坏，水泥—水玻璃双液浆具有凝结时间短、强度高、动水条件下结石率高等优点，地下水流速较大时可以起到快速堵漏的效果。浆液首先阻断或改变地下水的空隙，达到降低渗流速度的目的。其次浆液渗透到土粒孔隙中凝固，可以将原本松散的土体胶结成整体，提高其抗剪强度和自稳能力。因此在注浆过程中，渗水问题会逐步解决，同时补强后的周边围岩可以与支护结构共同承担外围水土压力，支护效果明显改善。
对于含砂土层渗流破坏的预防，控制地下水在砂层中的渗流条件是关键。因为含砂土层的渗流破坏不仅仅发生在砂层本身，与其交界的上部细粒黏土层也会受影响。注浆不失为一种十分有效的改良砂土物理力学性质的方法，既可以减小砂土的渗流系数，降低地下水渗流速度，又能提高其胶结性能。浆液的成分和注浆方法的选择宜根据工程实际进行试验研究确定。
参考文献：
[1]郑陈旻.隧道塌方预警预测体系及治理措施研究.成都：西南交通大学硕士学位论文，2011.
[2]李志厚.公路隧道特大塌方病害处治方法研究.西安：长安大学硕士学位论文，2013.
[3]赵志江.超浅埋暗挖隧道施工技术[J].现代隧道技术，2011，48（3）：136-140.