某隧道發(fā)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(jīng)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(fā)生在巖質(zhì)隧道如斷層破碎帶、不同巖性接觸帶、巖溶地區(qū)的溶洞位置處。但在特定的地質(zhì)條件下土質(zhì)隧道也會發(fā)生涌水涌泥（砂）事故，本文介紹了某隧道在圍巖為粉質(zhì)黏土的條件下發(fā)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(zhì)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(qū)為黃土臺塬地貌邊緣地帶，臺塬頂部較平坦，周邊沖溝發(fā)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(qū)表覆第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土、細砂，中更新統(tǒng)沖洪積老黃土、砂類土，上第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂類土、半膠結(jié)砂巖；隧道洞身范圍地層巖性為上第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、細砂、粉砂、細圓礫土及半膠結(jié)狀砂巖，其中粉質(zhì)黏土堅硬～硬塑，局部夾砂巖，局部不同地層間結(jié)合差，頂板易脫落，圍巖易坍塌。砂巖呈鈣質(zhì)、泥質(zhì)半膠結(jié)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(jié)的變化而變化，第三系地層中存在不穩(wěn)定的“囊狀水”。

2 涌砂事故發(fā)生過程

涌砂事故發(fā)生在DK590+720處，在掌子面開挖并出碴完成時，掌子面粉質(zhì)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)生機理分析

施工揭示發(fā)生涌砂段的隧道圍巖的巖性為第三系粉質(zhì)黏土夾砂層，粉質(zhì)黏土呈棕紅色，堅硬～硬塑狀態(tài)。粉質(zhì)黏土上部分布有粉細砂層，呈密實狀，局部半膠結(jié)。地質(zhì)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(zhì)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(qū)地下水按賦存條件為第四系孔隙潛水、第三系“囊狀水”?！澳覡钏辟x存于第三系砂類土、碎石類土以及半膠結(jié)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(zhì)黏土松弛變形，節(jié)理裂隙發(fā)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(lián)系，地下水的運移路徑發(fā)生變化，砂層和粉質(zhì)黏土等圍巖失穩(wěn)，極易發(fā)生涌水、涌泥、涌砂。

開挖至DK590+730附近時，隧道拱部粉質(zhì)黏土中有少量地下水滲出，現(xiàn)場實作超前水平鉆探揭示，隧道正前方拱部0～2 m為粉質(zhì)粘土，2 m以后為粉砂，粉砂呈密實，潮濕，揭示粉質(zhì)黏土上部的砂層中存在一定的地下水，但未引起現(xiàn)場施工人員足夠的重視。施工至DK590+720時，隨隧道開挖，洞頂?shù)姆圪|(zhì)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(zhì)黏土逐漸軟化，強度和承載能力大大降低，當隧道頂部粉質(zhì)黏土的承載能力小于上覆地層的自重壓力時，頂部粉質(zhì)黏土發(fā)生坍塌，上覆砂層伴隨地下水涌出，產(chǎn)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(xiàn)場已形成自然坡坡腳采用沙袋堆碼擋護；在已經(jīng)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?；A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(wǎng)格為20×20 cm的φ8鋼筋網(wǎng)片，噴15 cm厚C25混凝土封閉，防止漏砂繼續(xù)；

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(huán)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(nèi)插φ89 mm鋼管提高強度，φ89 mm鋼管環(huán)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(wěn)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(nèi)涌砂松散體要采取注漿加固或掛網(wǎng)噴混凝土封閉，防止開挖過程中掌子面突出，必要時雙側(cè)壁導坑法施工。

5 結(jié)論

通過分析該隧道的地質(zhì)條件，得出發(fā)生涌砂事故的主要原因為隧道頂部的粉質(zhì)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(zhì)黏土坍塌，砂層涌出；從施工過程分析，超前地質(zhì)預報已經(jīng)揭示可能發(fā)生事故的風險，但是沒有結(jié)合原勘察資料進一步分析，致使事故最后發(fā)生，可見在隧道施工中超前地質(zhì)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(nèi)超前預加固咬合樁布置Fig.5 Layout of pre-reinforced engaged piles in tunnel (Unit: cm)