某在建隧道拱部涌砂與應(yīng)對措施

沙金碩

(北京市市政工程設(shè)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(huán)內(nèi)歷史文化保護區(qū)，工程設(shè)計采用暗挖法施工，設(shè)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(yīng)的地面條件是繁華的臨街商業(yè)、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(huán)境風(fēng)險源。

根據(jù)要求，地下工程地下水處理由以前的抽降方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵤╇y度較高的止水方式。本工程全線設(shè)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(shè)，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(xiàn)多次拱部范圍的涌水、涌砂情況。

2 工程與水文地質(zhì)條件

本工程場區(qū)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(zhì)黏土、⑦卵石、⑦1中粗砂、⑦2粉細砂、⑧粉質(zhì)黏土。施工通道拱部位于不透水層⑥粉質(zhì)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(xù)分布，地層滲透系數(shù)110m/d；⑥粉質(zhì)黏土天然含水量26%，孔隙比0.73，液性指數(shù)0.33，可塑～硬塑，地層整體性較好，連續(xù)分布，局部夾粉土薄層，地層滲透系數(shù)0.05m/d。

擬建場地在勘察深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(jù)勘察報告，本暗挖通道洞身所處地層結(jié)構(gòu)雜散，開挖斷面所處地層由上而下依次為⑥粉質(zhì)黏土、⑥3細中砂、⑦2粉細砂、⑦1中粗砂、⑦卵石、⑧粉質(zhì)黏土。潛水(二)連續(xù)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(jié)構(gòu)中上部；層間水(三)連續(xù)出現(xiàn)在⑦卵石中，位于結(jié)構(gòu)底部附近，結(jié)構(gòu)底部則是連續(xù)的隔水層⑧粉質(zhì)黏土。

3 地下水處理設(shè)計

對于暗挖工程，止水方案可采用凍結(jié)、旋噴、深孔注漿等方式，具體方式還需要考慮實施條件、對環(huán)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(jié)構(gòu)規(guī)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(jié)構(gòu)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(jīng)濟的深孔注漿方式。

圖1 通道結(jié)構(gòu)支護設(shè)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(shù)是關(guān)鍵。日本在注漿止水技術(shù)要求上提出了降低地層1～2個數(shù)量級的滲透系數(shù)為目標(biāo)，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(shù)以及注漿實際效果，注漿后的地層提出了滲透系數(shù)≤1×10-6cm/s的量化指標(biāo)要求，止水圈層厚度根據(jù)地層條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)封端，過程中發(fā)生了3次拱部涌砂事故。

1)第1次涌砂發(fā)生于2018年7月，通道開挖洞身長約22m，發(fā)生部位位于拱部11點方向，發(fā)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(jù)現(xiàn)場勘察，該處開挖揭露的地層為較密實的粉質(zhì)黏土，硬塑，無水漬，但隨著暴露時間變長，黏土表層出現(xiàn)滲水，很快發(fā)展為滴水、點流，地層出現(xiàn)明顯的蠕變、劣化，最終上層⑤圓礫卵石層水穿透黏土層發(fā)展成涌砂。針對此情況，涌砂發(fā)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(yīng)對措施，參建各方進行了專題技術(shù)討論。首先，涌砂并非在開挖揭露地層第一時間發(fā)生，并且新揭露的地層表現(xiàn)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(huán)時間約為4h，時間并不緊湊，工序銜接有優(yōu)化空間，因此，制定的措施以充分利用地層自穩(wěn)特性及時空效應(yīng)為原則，強調(diào)注漿效果控制的同時，提高開挖、立拱、噴混凝土環(huán)節(jié)工作效率，并加強現(xiàn)場協(xié)調(diào)組織，優(yōu)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(xiàn)了第2次涌砂，揭露的地層仍為較完整的粉質(zhì)黏土，發(fā)生時在進行周邊輪廓土體清理，準(zhǔn)備立拱，本次涌砂量約2m3。

本次涌砂發(fā)生后，結(jié)合這兩次涌砂發(fā)展過程，研究重點放在如何利用拱頂⑥粉質(zhì)黏土天然隔水及自穩(wěn)性能，同時考慮如何縮短拱部臺階開挖與支護時間。目前結(jié)構(gòu)斷面拱部采用矢高1.5m，結(jié)構(gòu)跨度4m，矢跨比0.375，三心圓結(jié)構(gòu)形式(見圖1)。拱部位于粉質(zhì)黏土⑥層中，該層土在通道拱頂區(qū)域內(nèi)厚度分布約1.3～1.5m。經(jīng)分析，盡量保留⑥粉質(zhì)黏土，加大上層水滲透路徑長度，延緩粉質(zhì)黏土劣化失穩(wěn)的時間是設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)矢高由原來的1.5m優(yōu)化為1m，矢跨比調(diào)整為0.25(見圖2)。同時設(shè)計也考慮了設(shè)置中間臨時豎撐，將結(jié)構(gòu)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(jīng)討論，采取該措施開挖斷面小，實施效率低，不宜采用。

圖2 結(jié)構(gòu)拱部優(yōu)化斷面

結(jié)構(gòu)矢跨比的優(yōu)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(fā)生在拱部11點位置，分析推斷，拱部左側(cè)斷面上方土體性質(zhì)較差，不宜過早開挖暴露，在土體開挖環(huán)節(jié)應(yīng)優(yōu)先開挖右側(cè)斷面土方，減少拱部11點位置處土體暴露時間。同時，根據(jù)這兩次涌砂體涌砂過程形態(tài)發(fā)展，適當(dāng)加大上下臺階長度，利于涌砂發(fā)生時涌砂體盡快形成穩(wěn)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(fā)生涌砂，涌砂發(fā)展過程與之前類似，但涌砂體量大，地層水土損失嚴(yán)重，本次涌砂量約40m3。險情發(fā)生后立即從地面進行地層補償注漿，防止次生險情發(fā)生。

連續(xù)發(fā)生的3次涌砂險情嚴(yán)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(shù)條件下還無法完全封閉水體。⑤圓礫卵石滲透系數(shù)大，透水性好，注漿難以有效控制固結(jié)范圍，也難以均勻填充空隙，固結(jié)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(nèi)部挖潛、提高工效與注漿止水綜合措施已不足以解決當(dāng)前的困境，減小涌砂風(fēng)險發(fā)生的概率只能調(diào)整設(shè)計方案、增加技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)確定，沒有調(diào)整的空間，頂部拱形設(shè)計則考慮頂部土方開挖的穩(wěn)定。在當(dāng)前條件下，需要研究平頂結(jié)構(gòu)實施的可行性。結(jié)構(gòu)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(wěn)，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(dǎo)管注漿。本部位施工不僅需要考慮土體的穩(wěn)定，還應(yīng)兼顧止水需要，管棚或小導(dǎo)管注漿并不能很好地滿足這兩方面需求，經(jīng)討論，設(shè)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(yè)空間，本通道不具備管幕施工擴挖的條件。管幕布設(shè)范圍根據(jù)實施條件確定，中間布設(shè)12根φ180mm×10mm管幕，兩側(cè)無法實施的區(qū)域采用密排φ42mm×3.25mm長導(dǎo)管進行補充，具體設(shè)計如圖3所示。

圖3 通道結(jié)構(gòu)平頂結(jié)構(gòu)

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(jié)語

1)不利地層條件下的隧道施工更應(yīng)貫徹動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工的理念，利用好地層時空效應(yīng)，想方設(shè)法提高效率。從實施的情況來看，應(yīng)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(yīng)進一步開展不同地質(zhì)條件下，注漿材料、注漿配合比、注漿工藝、注漿參數(shù)以及指標(biāo)評判的研究，正確對待注漿技術(shù)在止水領(lǐng)域的定位與發(fā)展。

3)風(fēng)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(chǎn)生了可能造成社會影響的隱患，如何評估工程風(fēng)險程度、技術(shù)方案合理性、施工水平、工程投資經(jīng)濟性等因素，以及平衡上述因素的關(guān)系需要社會、政府、工程參建各方共同面對、解決。