砂性土層中圍堰法施工水底隧道滲透機(jī)理與防治技術(shù) ①

柳軍修， 席培勝， 張興其， 嚴(yán) 中， 浦玉炳， 王 楓， 席彬彬， 肖博文

(1.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室，安徽 合肥 230601；2. 合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司, 安徽 合肥 230041)

0 引 言

交替圍堰進(jìn)行湖底或河底隧道施工的方法已被廣泛使用[1-5]，該施工方法二期圍堰不可避免地與已建隧道管節(jié)相交，導(dǎo)致該部分止水帷幕無法穿越已建隧道。當(dāng)隧道底部為強(qiáng)透水砂性土層時，較小的水頭差即可出現(xiàn)滲透破壞，嚴(yán)重威脅施工安全和工程質(zhì)量。以安徽沿淮及淮河以北地區(qū)為例，強(qiáng)透水砂性土層分布廣泛，并可通過局部透水層與上部水體存在水力聯(lián)系或本身為含承壓水層，因強(qiáng)透水砂性土層造成的滲透破壞已出現(xiàn)多次。目前對圍堰變形和穩(wěn)定性的研究已開展較多[6-9]，但砂性土層中圍堰法施工水底隧道滲透機(jī)理與防治技術(shù)的研究尚未見報道?；谀乘姿淼郎靶酝恋貙訃呋佑克蚍治?，建立圍堰滲流三維數(shù)值模型，分析不同圍堰止水結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能，在此基礎(chǔ)上提出水底隧道砂性土地層抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況及圍堰基坑涌水

1.1 工程概況

某河底隧道全長1280m，其中暗埋段660m。隧道呈南北走向垂直穿越河流，其岸邊段采用明挖順作法施工，河中段設(shè)圍堰明挖順作通水限航施工。河中段分兩期圍堰施工，河南岸為一期圍堰，北岸為二期圍堰。圍堰結(jié)構(gòu)采用雙排拉森鋼板樁，并采用對拉螺桿拉結(jié)形成整體，堰心回填砂土。圍堰體高度14.0m，其中河床以上2.4m，河床以下11.6m；圍堰體厚度7.0m，中部設(shè)Φ800@500mm高壓旋噴樁止水帷幕，止水帷幕深度28.5m；沿隧道軸向兩排圍堰體的軸線距離為87.9m。待一期圍堰內(nèi)隧道箱體結(jié)構(gòu)A15管節(jié)施工完成后，利用一期圍堰干法施作二期圍堰南端頭(見圖1)，并與A15管節(jié)頂部及兩側(cè)預(yù)設(shè)接頭進(jìn)行連接。

根據(jù)勘察報告，河中段一期和二期圍堰交接處地質(zhì)分層從上到下分別為：①1淤泥，標(biāo)高范圍33.6～33.1m，厚度0.5m；①2沖填土，標(biāo)高范圍33.1～27.0m，厚度6.1m；④粉土夾粉質(zhì)粘土，標(biāo)高范圍27.0～25.6m，厚度1.4m；⑤細(xì)砂，標(biāo)高范圍25.6～13.7m，厚度11.9m；⑥粉質(zhì)粘土，標(biāo)高范圍13.7～8.0m，厚度5.7m；⑦粉土，標(biāo)高范圍8.0～3.3m，厚度4.7m；⑧粉質(zhì)粘土與粉土互層，標(biāo)高范圍3.3～-8.6m，厚度11.9m。地質(zhì)剖面圖如圖2所示，土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

該場區(qū)有2層承壓含水層：第1層主要賦存于第⑤層細(xì)砂中，該層水在河床與潛水連通；勘察期間測得承壓水頭標(biāo)高為32.0m左右，但同時通過局部透水層與上層水體有密切的水力聯(lián)系，因而承壓水頭高度隨河水位變化較大；第2層承壓水賦存于第⑦工程地質(zhì)層粉土中，勘察期間測得承壓水頭標(biāo)高為33.00m左右，施工期間實(shí)測承壓水頭標(biāo)高為26.5m。

圖1 圍堰及隧道管節(jié)平面尺寸示意圖(單位：m)

圖2 地層及隧道剖面尺寸圖(單位：m)

圍堰內(nèi)隧道基坑采用鉆孔灌注樁結(jié)合內(nèi)支撐方式進(jìn)行支護(hù)。鉆孔灌注樁直徑為800mm、間距為1000mm；基坑內(nèi)部設(shè)置3道支撐，其中頂部設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800mm×800mm，下部設(shè)置2道鋼支撐，鋼管型號為Φ609×16。內(nèi)支撐中部設(shè)置鋼格構(gòu)立柱、并支承于直徑為800mm鉆孔灌注樁的立柱樁上；鉆孔灌注樁外部設(shè)置三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。由于施工現(xiàn)場先施工了鉆孔灌注樁，然后施工三軸水泥土攪拌樁，為避免攪拌機(jī)施工導(dǎo)致設(shè)備或樁體損壞，在水泥土攪拌樁與鉆孔灌注樁之間留有約200mm的間隙，如圖3所示。

隧道管節(jié)基坑采用坑內(nèi)深井降水，每段隧道管節(jié)基坑對稱設(shè)置4個降水井(見圖1)，降水井沿隧道縱向間距15.0m，沿隧道橫向間距14.0m，降水井深度至隧道底板以下10.0m。

隧道A14～A15管節(jié)采用單箱雙孔結(jié)構(gòu)，沿隧道軸向管節(jié)長度為30.0m，橫斷面總寬度為27.9m，高度為8.3m；單孔凈寬為12.5m，凈高為5.4m；隧道底板厚度1.5m，側(cè)面邊墻厚度1.1m，頂板厚度1.4m，中墻厚度0.7m；隧道底板埋深14.1m。涌水發(fā)生時，隧道A14～A15管節(jié)已完成施工(管節(jié)剖面尺寸及埋設(shè)位置如圖2所示)，隧道A16管節(jié)段位置已完成基坑支護(hù)和開挖，隧道管節(jié)施工完成部分頂面回填素混凝土。

圖3 隧道A16管節(jié)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

圖4 基坑涌水過程

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 圍堰基坑滲流涌水情況

為確保渡汛，一期圍堰內(nèi)隧道箱體結(jié)構(gòu)A15管節(jié)以及二期圍堰南端頭施工完成后，在一期圍堰內(nèi)逐步進(jìn)行回水，同時對A16隧道管節(jié)已開挖基坑情況進(jìn)行觀察和監(jiān)測：

(1)一期圍堰內(nèi)回水第1d開始于9∶30，至20∶10回水至水位標(biāo)高30.5m，回水量約30000m3，此時發(fā)現(xiàn)二期圍堰南端頭在箱體范圍兩側(cè)出現(xiàn)滲漏水情況，故立即封堵回水口。

(2)第2d 14∶45，在已施工的隧道A15管節(jié)以北、隧道A16管節(jié)基坑內(nèi)部距離A15管節(jié)端頭約2.0 m的位置(見圖1)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，如圖4(a)所示；14∶55，A16管節(jié)基坑內(nèi)全橫斷面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水迅速，如圖4(b)所示；15∶30，對基坑內(nèi)水位進(jìn)行觀測，水位標(biāo)高23.87 m；第6d 0∶30，基坑內(nèi)水位為26.07 m。

2 圍堰基坑涌水原因及滲流數(shù)值分析

2.1 圍堰基坑涌水原因

取二期端部圍堰軸線作為剖切線(見圖1中A-A剖切線)，得到的圍堰、隧道管節(jié)以及旋噴樁止水帷幕等結(jié)構(gòu)的剖面圖，如圖5所示?？梢钥闯?，隧道管節(jié)兩側(cè)圍堰和旋噴樁止水帷幕能夠起到止水作用，隧道管節(jié)頂部圍堰體由于采用了鋼板樁掛防滲土工膜、堰心回填粘土的方法也能起到抗?jié)B透作用，但隧道管節(jié)頂部圍堰體無法穿越已建隧道管節(jié)插入水底隔水層，導(dǎo)致隧道管節(jié)底部強(qiáng)滲透性砂土層止水帷幕缺失。

設(shè)計中為彌補(bǔ)隧道管節(jié)以下止水帷幕缺失的不足，采用基坑止水帷幕隔斷隧道管節(jié)下強(qiáng)透水層在水平方向的滲流和水力補(bǔ)給，采用已建隧道管節(jié)及其頂面素混凝土隔斷隧道管節(jié)下強(qiáng)透水層在豎直方向的滲流和水力補(bǔ)給，從而將基坑止水帷幕與圍堰止水帷幕形成封閉性空間止水系統(tǒng)。

圖5 圍堰與隧道結(jié)構(gòu)剖面圖

然而，如前所述，施工的基坑鉆孔灌注圍護(hù)樁與水泥土攪拌樁止水帷幕存在約有200mm的間隙(見圖3)，且在樁基施工過程中土體擾動，空間止水系統(tǒng)存在左、右側(cè)兩條滲流通道?；厮^程中隨著一期圍堰水位的逐步上升，一期圍堰內(nèi)水面與A16管節(jié)基坑底面形成的水頭差逐漸增大，最終導(dǎo)致鉆孔灌注樁與水泥土攪拌樁止水帷幕間形成滲流通道且流速和流量逐漸增大，一期圍堰內(nèi)的回水涌入基坑，形成管涌。

2.2 圍堰基坑滲流數(shù)值分析

PLAXIS由荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology)開發(fā)，能較好的模擬巖土的非線性、時間相關(guān)性和各向異性的行為[10]。為揭示砂性土層中圍堰法施工水底隧道基坑滲流涌水機(jī)理，采用PLAXIS 3D建立砂性土層中圍堰法施工水底隧道數(shù)值模型，分析以下4種工況圍堰止水結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能：(1)不設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕工況；(2)設(shè)置基坑止水帷幕工況；(3)設(shè)置隧道管節(jié)下止水帷幕工況；(4)同時設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕工況。

(1)幾何模型

選取隧道A14～A16管節(jié)，以及相應(yīng)位置的一期圍堰和二期圍堰南端建立三維數(shù)值模型，其幾何模型如圖6所示。數(shù)值模型沿X方向的尺寸為207.9m，沿Y方向的尺寸為120.0m，沿Z方向土層厚度為42.2m；數(shù)值模型中潛水位標(biāo)高設(shè)置為35.0m。止水帷幕采用界面單元進(jìn)行模擬，其強(qiáng)度設(shè)置為剛性，僅用于模擬止水帷幕的不透水性。隧道管節(jié)采用板單元進(jìn)行模擬；基坑圍護(hù)灌注樁按照抗彎剛度相等原則轉(zhuǎn)換為板單元進(jìn)行模擬，并在板單元上設(shè)置界面單元模擬止水帷幕；通過實(shí)體單元模擬圍堰體。

圖6 數(shù)值分析模型

圖7 數(shù)值模型水平滲流場分布

圖8 數(shù)值模型水平滲流速度云圖

(2)邊界條件與計算過程

數(shù)值計算分兩階段進(jìn)行：第一階段約束模型底部邊界節(jié)點(diǎn)的水平和垂直位移，約束模型四周豎向邊界節(jié)點(diǎn)在各自邊界法線方向的水平位移，然后生成地基靜水壓力；第二階段生成隧道A14和A15管節(jié)及管節(jié)與相鄰?fù)翆咏佑|面，開挖隧道A14和A15管節(jié)內(nèi)部土體，激活A(yù)16管節(jié)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)降水井進(jìn)行基坑降水，至數(shù)值模型形成穩(wěn)定的滲流場。

(3)計算結(jié)果分析

圖7給出了不設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕工況數(shù)值模型基坑坑底標(biāo)高處水平滲流場分布，可以看出，由于隧道管節(jié)底部沒有設(shè)置止水帷幕且隧道設(shè)置于強(qiáng)透水砂土層中，地下水會從水頭較高的位置流向基坑開挖降水位置。圖8給出了不設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕工況數(shù)值模型基坑坑底標(biāo)高處水平滲流速度的云圖，可以看出，最大流速出現(xiàn)在A15管節(jié)與二期圍堰相接處，即飽和砂土中水流量在A16管節(jié)基坑側(cè)邊較大。

圖9 模型穩(wěn)態(tài)滲流場

圖9為數(shù)值計算的4種工況下模型穩(wěn)態(tài)滲流場，需要指出，圖中流速大小與各自箭頭大小成正比，但為了顯示清晰，圖9(a)箭頭大小為真實(shí)的0.25倍(顯示放大因子Fm=0.25)，圖9(b)和9(c)箭頭大小為真實(shí)的20倍(顯示放大因子Fm=20)，圖9(d)箭頭大小為真實(shí)的100倍(顯示放大因子Fm=100)。因此，大小相同的箭頭，圖9(a)反映的流速為圖9(b)和9(c)的80倍，是圖9(d)的400倍。

由圖9可以看出，由于隧道底部設(shè)置于透水性較強(qiáng)的飽和砂土中，若不設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕，A16管節(jié)的基坑開挖和降水引起的滲流場為水平向，即強(qiáng)透水砂層成為滲流的主要通道，最大流速位于A16管節(jié)基坑內(nèi)與A15管節(jié)交界處，最大流速為v=86.9 m/d，總流量qt=174.2m3/d；僅設(shè)置基坑止水帷幕和僅設(shè)置隧道管節(jié)下止水帷幕工況由于均形成了封閉性止水系統(tǒng)，最大流速和總流量均顯著降低，最大流速分別為v=0.3m/d和v=0.7 m/d，總流量分別為qt=0.3m3/d和qt=2.3m3/d，且采用基坑止水帷幕較管節(jié)下止水帷幕由于降水范圍更小因而滲流量也更??；而同時設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕工況隔水效果更好，模型最大流速v=0.05m/d，總流量qt=0.1m3/d。

因此，僅設(shè)置管節(jié)下止水帷幕或基坑止水帷幕，可使?jié)B流最大流速降低為無止水帷幕工況的0.3%～0.8%，總流量降低為無止水帷幕工況的0.2%～1.3%；同時設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕，可使?jié)B流最大流速和總流量降低為無止水帷幕情況的0.06%。

3 抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)及技術(shù)要點(diǎn)

水底隧道強(qiáng)透水砂性土層抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)包括：(1)與隧道走向一致的一期側(cè)面縱向圍堰和垂直于隧道走向的一期端部橫向圍堰，與隧道走向一致的二期側(cè)面縱向圍堰和垂直于隧道走向的二期端部橫向圍堰，圍堰內(nèi)設(shè)置有止水帷幕；(2)隧道管節(jié)下止水帷幕或管節(jié)側(cè)基坑止水帷幕，止水帷幕可采用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁。

圖10(a)給出的封閉性空間止水結(jié)構(gòu)由圍堰止水帷幕與管節(jié)側(cè)基坑止水帷幕組成?；又顾∧粦?yīng)先于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，厚度宜為圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的3～5倍，并將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工于基坑止水帷幕厚度的中部，從而使二期端部橫向圍堰內(nèi)止水帷幕與基坑止水帷幕封閉連接，避免基坑止水帷幕與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間留有間隙而成為可能的滲流通道；隧道管節(jié)施工完畢后其頂部及側(cè)面與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的縫隙應(yīng)采用素混凝土回填，從而使基坑兩側(cè)止水帷幕與隧道管節(jié)緊密結(jié)合，隔斷隧道管節(jié)以下強(qiáng)透水土層與上層水體的水力聯(lián)系。

圖10 抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)

圖10(b)給出的封閉性止水結(jié)構(gòu)由圍堰止水帷幕與管節(jié)下止水帷幕組成。管節(jié)下止水帷幕設(shè)置在隧道管節(jié)的下方，先于隧道管節(jié)施工；圍堰止水帷幕與管節(jié)下止水帷幕通過連接止水帷幕進(jìn)行搭接連接，連接止水帷幕設(shè)置在二期端部橫向圍堰和隧道管節(jié)下止水帷幕相交的平面位置，選用3～5倍圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度且將圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置于連接止水帷幕的中間部位，避免基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在引起圍堰止水帷幕與管節(jié)下止水帷幕之間留有間隙而成為可能的滲流通道。

4 結(jié) 語

基于某水底隧道砂性土地層圍堰基坑涌水原因分析，并建立圍堰滲流三維數(shù)值模型，研究不同圍堰止水結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能，在此基礎(chǔ)上提出了水底隧道砂性土地層抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)要點(diǎn)，得出主要結(jié)論如下：

(1)強(qiáng)透水砂性土層水底隧道交替圍堰法施工中，二期圍堰和止水帷幕無法穿越已建隧道管節(jié)插入水底深處，止水結(jié)構(gòu)在隧道管節(jié)下缺失，較小的水頭差即可能出現(xiàn)滲透破壞，設(shè)計和施工中應(yīng)予以重視。

(2)水底隧道強(qiáng)透水砂性土層抗?jié)B透破壞結(jié)構(gòu)由圍堰止水帷幕與管節(jié)止水帷幕組成，管節(jié)止水帷幕可采用管節(jié)側(cè)基坑止水帷幕或管節(jié)下止水帷幕；管節(jié)側(cè)基坑止水帷幕應(yīng)先于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，并將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工于基坑止水帷幕厚度的中部；管節(jié)下止水帷幕設(shè)置在隧道管節(jié)的下方，先于隧道管節(jié)施工。

(3)設(shè)置管節(jié)下止水帷幕或基坑止水帷幕，可使?jié)B流最大流速降低為無止水帷幕工況的0.3%～0.8%，總流量降低為無止水帷幕工況的0.2%～1.3%；同時設(shè)置管節(jié)下止水帷幕和基坑止水帷幕，可使?jié)B流最大流速和總流量降低為無止水帷幕工況的0.06%。