基于透明土的盾構隧道突水涌砂災變發展試驗研究

馮 義， 陳育民

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710000； 2. 河海大學土木與交通學院， 江蘇 南京 210098)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的加速推進，在沿江沿海地區城市隧道建設中穿越復雜地質的工程案例日益增多。在飽和砂土地層中進行盾構隧道施工，極易導致突水涌砂災害，對施工人員的生命安全造成嚴重威脅。但是隧道建設工程中的突水涌砂災害具有發生突然、破壞性大的特點，其現場實測數據較難獲取。因此，災害發展過程中隧道周圍土體的變化規律是目前亟待探索研究的熱點問題。

國內學者們進行了相關研究。周健等[1]基于離散元理論，采用PFC軟件對滲流過程中砂土顆粒的力學性質進行研究，驗證了水土相互作用貫穿滲流的全過程，并在流速、滲透系數、孔隙率和砂的流失量等參數間建立了定性變化規律。張頂立等[2]通過有限差分程序FLAC3D對廈門翔安海底隧道進行不同模式的突水機制模型分析，并針對復雜水域條件建立了突水風險等級評價方法。龔曉南等[3-5]綜合國內外隧道滲水類別、原因，以及滲漏水的檢測方法和原理進行研究，提出了此類隧道工程防滲水的有效工程措施。周宗青等[6]針對滲透破壞突涌水的變黏度機制，采用DEM-CFD耦合計算方法，開展了流體黏度對滲透破壞機制影響的定性模擬研究，分析了流體黏度對平均接觸力、流量(流速)、孔隙率、顆粒運移過程、運移軌跡及臨界水力梯度的影響規律。劉宏達等[7]采用PFC2D中的Ball單元模擬砂土，以Wall單元模擬土層邊界，建立了隧道-土體的二維計算模型，并研究了不同位置發生局部滲水漏砂后隧道中心位移、管片外側所受土壓力和地表沉降的變化。龍瑩瑩等[8]基于CFD-PFC流固耦合，分析二維條件下隧道頂部出現滲流導致土體應力的變化與地表的塌陷，同時研究了不同的隧道埋深以及土體參數對地表塌陷的影響。王越林等[9]采用顆粒流程序PFC3D與ANASYS中Fluent模塊，針對管線結構破損導致滲漏時管線周圍土體遷移過程進行研究，研究表明： 隨著裂縫的寬度增加，周邊土體損失量增多，砂性地基擾動范圍越廣，淺層土體擾動范圍越大。

現階段，對隧道滲漏及突涌水大多通過數值手段研究滲流場的變化，但受數值模擬方法本身在邊界條件以及單元類型的限制，研究結果與實際不可避免地存在一些誤差。而傳統模型試驗由于天然土體的不透明性，無法對隧道災害發生后周圍深層土體的位移及變化進行研究。鑒于此，本文基于透明土試驗技術，以上海市軌道交通某盾構區間為背景，自主研制模擬隧道突水涌砂災變的可視化試驗裝置，可以實現不同工況下的災害發展過程模擬，對土體流動形態、土顆粒位移速度場進行試驗研究。

1 工程概況

上海市軌道交通某盾構區間，全線長約40.82 km，是一條快速聯系崇明兩島與上海中心城區的市域線。盾構區間采用單洞單線盾構法施工，隧道為直徑6.1 m的圓，鋼筋混凝土襯砌厚度為0.35 m，單個襯砌環寬為1.5 m，襯砌管片采用錯縫拼裝。沿線隧道埋深為-10～-25 m，沿線穿越復雜地層。隧道施工區間典型地質縱剖面如圖1所示。全線地層分布較不穩定，局部區域層位起伏較大,其中第②3-1、②3-3層為砂質粉土層。根據土層劃分情況，以長興島和崇明島各土層為統計單元，在剔除個別明顯不合理的偏值后，進行物理力學性質指標統計分析，選取相關砂性土層，物理參數匯總如表1所示。

圖1 區間典型地質縱剖面示意圖(單位： m)Fig. 1 Geological profile of typical section (unit: m)

表1 上海軌道某盾構隧道沿線砂性土層物理參數Table 1 Physical parameters of sandy soil layers along a shield tunnel line of Shanghai rail transit

2 可視化試驗設計與試驗方法

2.1 透明土地層模擬

透明土試驗是一種結合光學、材料學、測量學的新型巖土工程試驗技術。模型試驗材料采用折射率相近的透明材料人工配制而成，其試樣近似呈透明狀，合成材料包括顆粒骨料和孔隙液體。按照特定比例制配所得的透明，其力學性質與天然土體有較好的相似性。由于透明土試樣內部顆粒的不均勻性，在激光照射下會形成散斑面，通過對散斑面各點的位移分析，可以非接觸觀測土體內部變形及土體與周圍結構的相互作用。Liu等[10]以熔融石英為顆粒骨料合成了透明土;Ezzein等[11]對熔融石英進行直剪、三軸等試驗研究，發現其與砂土具有較相似的力學特性，可用來模擬天然砂土。本文選用高質量熔融石英作為透明土材料[12]，其粒徑為0.5～1.0 mm，基本物理參數如表2所示。

表2 熔融石英基本物理參數Table 2 Basic physical parameters of fused silica

孔隙液體采用15#白油與正十二烷混合液模擬。以5∶1的體積比攪拌混合至折射率接近1.459后進行微調，直至混合液體的折射率精確為1.459。混合液密度為0.82 g/cm3，在20 ℃時的運動黏度為21 mPa·s； 而天然砂土中的水密度為1 g/cm3，運動黏度為1 mPa·s。因此，在試驗過程中需保持實驗室的恒定溫度為20 ℃。

依照模型試驗研究的內容，結合水力學相關知識原理，水壓力作用在土體的相似比設計需要滿足歐拉準則與弗勞德準則。經測定，本文試驗中所用混合液體與水的密度相似比Cρ為0.8。由此可知模擬水頭相似比為0.8倍的幾何相似比，即1 MPa的水頭壓力相當于模型試驗中62.5 cm的水頭高度。

試樣的滲透系數與孔隙流體性質、孔隙大小及其幾何特征的表達式[13]為：

(1)

式中：k為試樣的滲透系數;ff、fv、fs分別為孔隙流體性質、孔隙空間和固體顆粒表面的影響參數；rf為孔隙液體的重度;μ為孔隙液體的動力黏度;e為孔隙比；CK-C為一個考慮孔隙形狀和迂曲度的經驗參數；SF為表征顆粒形狀的因子；Deff為表征顆粒大小的因子。

本文通過對透明土與實際土體滲流結果相似性進行計算，試驗中的透明土采用0.5～1 mm粒徑的熔融石英砂與混合油制配密度為1.27 g/cm3、滲透系數為0.031 cm/s，與天然砂土一致，可較好地模擬工程實際中的原位砂土地層[14]。

2.2 試驗模型裝置設計

為近似模擬隧道發生突水涌砂災變現象，依據現場實際情況，參考劉漢龍等[15]開展的模型試驗研究，按照1∶200的幾何相似比開展縮尺模型試驗。盾構隧道采用內徑30 mm、壁厚1.75 mm、長220 mm的亞克力材質圓管進行模擬，在圓管壁上開設模擬管片裂隙，裂隙尺寸設計為寬3 mm、長8 mm的矩形孔，如圖2所示。模型表面做磨砂處理以減少鏡面反射。透明土模型試驗重點監測隧道在突水涌砂災變過程中地層的變化。該隧道模型可滿足與隧道在實際工程中突水涌砂的相似關系[15]。

圖2 透明隧道模型(單位： mm)Fig. 2 Transparent tunnel model (unit: mm)

隧道模型箱長度方向取值8倍隧道直徑，寬度方向取值15倍裂隙長度，以減少邊界效應對試驗結果的影響。模型箱壁厚8 mm，側壁采用螺栓加固聯結，在模型箱內的直徑尺寸為240 mm×120 mm×180 mm。在模型箱前后壁面相應對稱位置開設圓孔，圓孔直徑為30 mm，孔中心與模型箱底面距離2倍隧道直徑，孔內嵌模型隧道。另定制矩形水頭蓋板與試驗模型箱連接，蓋板外尺寸為256 mm×136 mm×10 mm。蓋板邊緣布設1圈防水膠墊，與模型箱對應位置設有搭扣鎖連接，柱上有3個不同高度的開孔作為進水口和出水口。水頭高度依靠1個可調節流量的小水泵恒定控制。試驗模型裝置如圖3所示。

圖3 試驗模型裝置實物圖Fig. 3 Photograph of test model device

2.3 試驗準備及方法

試驗前，洗凈烘干試驗用的熔融石英砂，以去除雜質和水分。將模型隧道嵌入試驗箱的圓孔中，連接處采用玻璃膠止水，將預制的隧道裂縫用泡沫板堵住，檢查裝置的防水性；將制配好的混合液體倒入模型箱中，通過最大、最小干密度指標，計算稱量Dr=55%狀態所需熔融石英砂的質量；采用水下砂雨法[16-17]將熔融石英砂緩慢置入液體中；分層壓實，配制出隧道埋深2D(D為隧道直徑)的透明砂土層；保持混合液恒定沒過土層表面3 cm，以模擬飽和狀態砂土在有地下水源補給情況下發生的持續性突水涌砂災變。試驗準備完畢后，迅速從模型隧道中間捅下泡沫板，災變模擬開始。

通過激光-相機的圖像采集系統，采集隧道頂部因出現裂縫導致突水涌砂災變發生過程的各個時刻圖像，如圖4所示。

圖4 圖像采集系統Fig. 4 Image acquisition system

試驗中保持相機鏡片與試驗模型箱目標面平行，并固定好相機位置、激光源位置和模型的位置，采集頻率為4張/s，圖像的分辨率為4 096×3 000，標定比例大小為8.54 px/mm，圖像采用Tiff格式保存，可以較大限度地保留圖像信息和節省磁盤存儲空間，并且滿足圖像分析的需求。激光照射下的成像效果如圖5所示。

圖5 激光照射下的透明土隧道災變模型Fig. 5 Transparent soil tunnel disaster model under laser irradiation

3 試驗結果分析

3.1 災變土體剪切破壞

透明土密實度越大，不均勻性越強，激光在照射時發生折射和散射的次數越多，土體越容易形成激光散斑，在灰度圖中反映出來的圖像較明亮。從轉化的灰度圖像(見圖6)可以直觀地發現： 試驗過程中，災變前期地表土體發生明顯沉陷后，災變核心區域(短虛線與長虛線所圍成的區域)發生位移的土顆粒與保持相對靜止的土顆粒在激光照射下發生相對錯動，呈現出較微弱的明暗分界曲線(長虛線)。隧道裂隙孔口上方的核心沉陷區顏色較暗，該部分區域的土顆粒之間發生了相對錯動，砂土發生了剪切破壞。

圖6 災變過程中砂土顆粒密實度變化區域Fig. 6 Compactness variation area of sandy soil particle during disaster development

3.2 土體流動變化

對配制的透明土開展100、200、300、400 kPa壓力下的固結快剪試驗，當剪切速率控制為0.4 mm/min時，配制透明土的內摩擦角為29.7°，黏聚力為4.8 kPa，與現場原位砂土地層中的土體強度基本一致。

試驗過程中裂隙孔口正上方的截面土體在災變不同時刻呈現出的變化形態如圖7所示。從圖中可以看出： 1)從引起突水涌砂的裂隙形成(土顆粒開始發生移動)至土層顆粒相對靜止，不同災變開展時刻砂水混合物向隧道內涌入時的整體流動形態及形成的地表沉降槽形狀均有所不同。2)災變前期(0—15 s)，地表未出現明顯的沉降槽，隧道裂隙開口上端及附近小范圍區域的少量顆粒發生流動涌入管線內，隨之上層的土顆粒失去下部支撐，逐漸向下塌陷，此時地表出現寬而淺的沉降槽，且形式逐漸發展成類似倒鐘形的曲線形態。3)隨著災變的發展，沉降槽的寬度和深度逐漸增加，災變影響范圍逐漸從隧道的裂隙開口處貫通到了地表處，此時，進入了災變中期，突水通道的形成對土體位移產生了較大影響，沉降槽形狀向花托形的形狀變化，裂隙開口兩側的土顆粒沿坡面向下滑落，此階段持續時間較長，占全過程時間的50%以上。4)液體的持續沖刷使得沉降槽曲線形式再次轉變成倒三角狀，災變逐漸進入結束階段(70 s以后)，此階段土顆粒的運移速度放緩，發生運移的土顆粒量逐漸減少，沉降槽擴展趨勢減小，所有顆粒的運移方向均沿坡面指向裂隙開口；當沉降槽兩側的坡度逐漸減小至近似試驗所用砂土休止角之后，裂隙兩側土顆粒不再發生位移，隧道上部兩側土體保持穩定，此時災變結束。

(a) 0 s(b) 5 s(c) 10 s

(d) 15 s(e) 20 s(f) 25 s

(g) 30 s(h) 40 s(i) 50 s

(j) 60 s(k) 70 s(l) 80 s圖7 災變發展過程中土體變化形態Fig. 7 Soil pattern variation during disaster development

3.3 土體速度場分析

采用PIViewer軟件對災變前期土體內部速度場進行分析，第1 s瞬時時刻土顆粒豎向位移分量如圖8所示。從圖中可以看出，在災變開始后，裂隙孔口上方變形核心區域呈橢圓狀，這一現象與戴軒[17]天然砂土試驗的研究結果一致。但與之不同的是，在本文試驗中土顆粒位移變化最快的點并不在隧道裂隙處，而是在隧道裂隙正上方一定距離處。橢圓中心處的土顆粒位移速度值較大，向四周逐漸減小至0。

圖8 第1 s瞬時時刻土顆粒豎向位移分量云圖Fig. 8 Nephogram of vertical displacement components of soil particles at instantaneous moment of the 1st second

分析其差異原因可以發現： 在實際三維地層中，由小尺寸結構裂隙引起的盾構隧道突水涌砂災害前期，裂隙附近顆粒受土拱效應的影響，土顆粒由塌陷下落狀態轉變為堆積待落狀態，使得涌入隧道內部的速度放緩。

圖9示出了不同埋深處的土顆粒豎向位移速度曲線，可以發現： 在隧道中心軸線處土顆粒位移速度最大，同一土層埋深的土顆粒，與隧道中心水平距離越遠則其速度值越小。當與隧道中心的水平距離達到1.5D時，豎向速度值非線性地減小至0，即災變前期土體位移變形的水平向影響范圍為3D。在隧道施工過程中可以重點對該范圍區域內的地基進行加固處理。

圖9 不同埋深土顆粒豎向位移速度曲線Fig. 9 Vertical velocity curves of soil particles with different burial depths

對比突水涌砂整個災變過程中的土顆粒位移速度，取各時刻土顆粒x和y方向的速度分量極值進行平方和后開根，獲得各時刻速度場的速度極值。圖10為災變發生過程中各時刻土顆粒位移速度最大值變化曲線圖。

圖10 災變發生過程中各時刻土顆粒的速度最大值變化曲線圖Fig. 10 Variation curves of maximum velocity of soil particles at each moment during disaster development

由圖10可知： 在裂隙生成后的災變前期，土顆粒的位移速度相對較低，但此階段的持續時間很短。因為土顆粒整體處于一個較為密實的狀態，此時上覆水頭對土顆粒的滲流力作用不明顯，土顆粒發生位移的原因主要是孔口附近砂土潰入裂隙，上層土顆粒失去下部支撐而向下發生位移變化。當地表出現沉降槽后，沉陷核心區域的土顆粒受到自重和滲流力的作用，位移變化速度開始逐漸加速到達頂峰，并且維持在較高的狀態，最大土顆粒位移速度達到3.5 mm/s。隨著災變的發展，貫穿地表的突水通道形成，此時突水涌砂災變逐漸轉變為以突水為主的災害。但是，由于水頭保持恒定，可以認為單位時間內涌入隧道的砂水混合物體積保持不變，則土顆粒位移速度開始逐漸降低，該階段持續的時間較長，到結束階段土顆粒速度最大值低于0.05 mm/s，則認為土顆粒基本不再發生位移，災變結束。

3.4 混合物組成體積分數分析

在突水涌砂災變過程中，孔隙液體、土顆粒和模擬的承壓水均從裂隙孔中流出。隨著災變的發展，不同時刻恒定水頭作用下，涌入隧道內的砂水混合物中土顆粒與試驗孔隙液體的體積分數占比有所不同，如圖11所示。從圖中可以看出: 隨著災變的發展，砂水混合物中土顆粒體積分數占比最初接近100%、結束時接近0。

圖11 不同時刻混合物中土顆粒體積分數占比Fig. 11 Volume fraction ratio of soil particles in mixture at different moments

分析原因如下: 1)在突水涌砂災變前期未形成貫穿的突水通道，液體流出裂隙孔口的方式只有通過滲透性較好的土層滲流進入隧道管線。在水頭恒定的情況下，初始階段單位時間內通過裂隙孔口進入隧道管線的砂水混合物中土顆粒體積分數最高，此時涌入隧道內的流體均以孔隙液體的形式跟隨土顆粒涌入。2)在擴展階段，隨著沉陷區的擴展、土體密實度的降低，土顆粒位移速度快，土體滲透性變好；同時，隨著沉降槽深度的不斷增加，隧道裂隙災變發生點上覆土層的厚度不斷減小，土層對液體流動的阻礙作用逐漸減弱，液體在土顆粒孔隙間的流動變得更加容易。此時涌入隧道內的砂水混合物中的液體體積分數有小幅增加，當災變發生點上方的土層厚度減小至0時，貫穿地表的水流通道形成，通道形成的瞬間大量承壓水攜帶土顆粒突涌入隧道。3)在突水涌砂后期，通過裂隙孔口潰入隧道管線中的砂水混合物中土顆粒體積分數突降，液體體積分數逐漸增加。當漏斗狀沉降槽兩側土顆粒不再發生位移時，涌入隧道的幾乎完全是水，含砂量接近于0，最大程度地還原了隧道在突水涌砂后期的災變情況。

4 結論與討論

1)通過對隧道頂部災變區域的模擬，發現頂部典型部位的砂土災變是由于發生相對錯動滑移造成的。

2)在隧道災變的初始階段，土顆粒豎向位移場呈橢圓狀等值線分布，土顆粒位移速度隨距隧道中心水平距離的增加而非線性減小；當隧道埋深為2D時，滲流的水平向影響范圍為3D。

3)隨著災變現象的發生，隧道外圍的土顆粒位移速度先增大后減小，涌入隧道內的砂水混合物中土顆粒的體積分數占比持續減少。

4)在模擬隧道滲漏模型試驗中，各方面都完全滿足相似第三定理是難以實現的，也不可避免地存在相似誤差。只能根據主要矛盾，分清問題主次，做到關鍵因素近似相似或者基本相似，在主要相似條件得到滿足的條件下進行試驗研究。