新近系軟巖隧道涌砂機理和防控技術研究

李 軍 馬彥軍 尉 敏 吳紅剛 潘宏偉 貴 珊 丁鴻程

(1.中鐵北京工程局集團有限公司,北京 102308; 2.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070; 3.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730099)

引言

隨著高速鐵路的修建,我國隧道工程發(fā)展迅猛,高海拔、大埋深、高巖(地)溫、強富水、擠壓性圍巖和有害氣體等特殊隧道逐漸增多[1]。其中,突水涌砂等工程問題會給隧道施工帶來巨大困難,需要采取適宜的工程措施進行處理,常見的加固措施主要有超前管棚、超前小導管注漿、臨時仰拱支護和超前帷幕注漿等[2]。

關于突水涌砂的機理和控制措施,已有學者進行相關研究。傅鶴林認為擾動區(qū)厚度及滲透系數(shù)的增加會減弱圍巖的阻水能力,并對掌子面的涌水進行預測研究[3-4]。JIANG等認為不同因素對隧道掌子面變形值的影響由強到弱依次為：砂化程度、水頭高度、隧道埋深[5]。梁艷等通過模擬試驗給出不同砂層發(fā)生突水的臨界水頭梯度[6];張敏江等認為突水涌砂是否,發(fā)生主要取決于砂層顆粒膠結(jié)性能、顆粒大小、臨空面條件、水動力條件[7];許延彪等從地質(zhì)角度分析隧道發(fā)生涌砂的機理[8];朱正國對深埋隧道的變形控制標準進行探討[9];李堯揭示高含水率第三系半成巖地層超大跨度隧道變形破壞機制[10]。針對隧道出現(xiàn)的突水涌砂現(xiàn)象,陳劍等通過具體的工程案例,結(jié)合實際的現(xiàn)場地質(zhì)水文條件,采用不同的方法提出解決方法[11-15]。對于砂巖地區(qū),涌砂現(xiàn)象會比較嚴重,專家學者們也進行相應研究,盧萍分析帷幕注漿技術的特點、分類以及影響因素[16];周新星會給出一種高聚物帷幕注漿質(zhì)量檢測與評價方法[17];張偉杰等利用自主研制的三維注漿模型試驗系統(tǒng),探索多孔分序帷幕注漿試驗中漿液擴散規(guī)律及注漿加固機理[18];已有學者針對具體的工程案例,對帷幕注漿法的應用進行分析說明[19-21]。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),不同的地質(zhì)條件下,涌砂的主要原因各不相同,需針對性采取不同的解決方案,以便施工順利進行。

1 工程概況

銀蘭高鐵某隧道穿越香山山脈,隧址區(qū)地貌單元為低中山區(qū),地形切割強烈,間歇性溝谷發(fā)育(見圖1),隧道進口段地形起伏海拔高程1 360～1 930 m,隧道全長17.775 km,Ⅴ級圍巖長3.185 km,占全隧總長約17.9%,隧道洞身段埋深一般在100～200 m,最大埋深達390 m。該隧道為特長深埋雙線單洞隧道,設計行車速度250 km/h,雙線,線間距4.6 m。根據(jù)氣象特征調(diào)查報告,隧址區(qū)為寒冷地區(qū)。隧址區(qū)地層軟硬不均,斷裂、褶皺和節(jié)理密集帶發(fā)育,工程地質(zhì)條件復雜,施工中易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、突然涌水、瓦斯有害氣體和巖爆、軟巖變形等地質(zhì)災害。

圖1 中蘭鐵路香山隧道地理位置示意Fig.1 Location of Xiangshan Tunnel of Zhong-Lan Railway

DK43+958～DK44+515段圍巖為新近系砂巖夾泥巖,屬于極軟巖,粉細粒結(jié)構(gòu),節(jié)理發(fā)育,成巖作用差,呈角礫狀松散結(jié)構(gòu),洞頂?shù)乇砑毶昂窟_6%,洞內(nèi)細砂含水率達26%。地質(zhì)縱斷面見圖2。

圖2 DK43+900～DK44+600段工程地質(zhì)縱斷面Fig.2 Longitudinal section of engineering geology of DK43+900～DK44+600

2 隧道涌砂過程及原因分析

2.1 隧道涌砂過程

隧道DK43+953.3～DK43+967段共14 m的施工長度內(nèi),多次出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。現(xiàn)場統(tǒng)計80 d的施工中,DK43+953.3到DK43+960段總共出現(xiàn)7次流砂現(xiàn)象,在后續(xù)至DK43+967里程段內(nèi)流砂現(xiàn)象加劇,出現(xiàn)多次滑塌現(xiàn)象,形成空腔,并造成不同程度的初支開裂破壞情況,對施工安全構(gòu)成嚴重威脅。

從小里程到大里程的施工過程中,初始階段發(fā)生的涌砂,多為含水率較低的土體(見圖3),且涌砂量相對較小,隨著施工里程的推進,涌砂土體中所含水分增多,伴隨涌水現(xiàn)象產(chǎn)生(見圖4)。由于涌砂現(xiàn)象的影響,在總共6個月內(nèi)僅鉆進14 m,施工進度受到極大制約。

圖3 初始階段涌砂現(xiàn)象Fig.3 Sand gushing in the initial stage

圖4 后期現(xiàn)涌砂現(xiàn)象Fig.4 The phenomenon of sand gushing in the later period

2.2 涌砂試樣粒徑分析

針對施工過程中頻發(fā)的涌砂情況,有必要對其進行取樣分析,確定涌砂的粒徑組成,為制定相應的控制措施提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。通過現(xiàn)場取樣及顆粒分析,砂層的粒徑組成見圖5,砂層粒徑組成主要分布在0.5 mm以下,其中0.25～0.075 mm顆粒占比達到52.6%。

圖5 涌砂樣品顆粒集配累計曲線Fig.5 Accumulation curve of particle distribution of sand blasting samples

根據(jù)顆粒集配曲線,可以計算出土組的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù),即

(1)

(2)

式中,d10為過篩重量占10%的粒徑;d30為過篩重量占30%的粒徑;d60為過篩重量占60%的粒徑。由上式計算得出不均勻系數(shù)Cu為3.2,曲率系數(shù)Cc為0.98。

2.3 巖層含水率、含泥量測定

在DK43+953.3～DK43+967段掘進過程中,對不同時間段出現(xiàn)的涌砂進行取樣分析,其巖層含水率和含泥量情況見圖6。由圖6可知,隧道在開挖掘進過程中含水量逐漸上升,含水率最高值達到25.2%,此時已經(jīng)高于發(fā)生流變的含水率19%,此時涌出的砂層體量較大,且出現(xiàn)肉眼可見的含水率過高現(xiàn)象。在水的影響下圍巖穩(wěn)定性急劇變差,施工存在巨大風險。此外,由圖6可知,在該施工里程段內(nèi)初期含泥量達22%,往大里程方向含泥量下降,在14%左右趨于穩(wěn)定。

圖6 圍巖含水、含泥變化曲線Fig.6 Curves of water and mud content of surrounding rocks

2.4 涌砂機制分析

(1)地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告,該段圍巖為新近系砂巖,粉細粒結(jié)構(gòu),為極軟巖。DK43+958～DK44+515段落屬于弱富水區(qū),地下水類型為基巖裂隙孔隙水,在天然狀態(tài)下砂巖含水率相對較低,結(jié)構(gòu)緊密,顆粒受力平衡,處于穩(wěn)定狀態(tài)。當開挖后隨滲流作用,砂巖含水率會逐漸升高,此時易發(fā)生塑性變形或流變,圍巖穩(wěn)定性迅速變差,從而在施工過程中容易出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象發(fā)生[22]。

(2)粒徑組成

根據(jù)顆粒組成累計曲線,計算得到不均勻系數(shù)Cu為3.2,曲率系數(shù)Cc為0.98。結(jié)合顆粒集配判定,當Cu<5,曲率系數(shù)Cc<1時為勻粒土,集配不良,在一定的水力坡降下容易發(fā)生流土現(xiàn)象。滲透水壓的存在會對土體的流砂產(chǎn)生促進作用,只要有滲流存在就存在這種壓力,達到一定值時,巖土中的顆粒就會被滲透水流攜帶和搬運,從而引起沿巖土的結(jié)構(gòu)變松,強度降低,導致土體破壞。根據(jù)文獻[23],可以計算土體發(fā)生流土滲透破壞的臨界水力坡降,有

Jc=(1-n)(GS-1)/2

(3)

式中,Jc為臨界水力坡降;n為土體孔隙率;GS為土體比重;根據(jù)地質(zhì)勘測天然砂土的孔隙率為20%;砂土比重GS為2.65;計算得到臨界水力坡降為0.66;隧道埋深位于地下水位約49 m處,水頭壓力大,隧址區(qū)水力坡度大于1,高于臨界水力坡降,則易發(fā)生滲透破壞。

(3)含水率

根據(jù)甄秉國等的研究,砂巖發(fā)生塑性變形的含水率為12%～16%,發(fā)生流變的含水率為18%～19%[24];當砂巖含水率達到極限時,其穩(wěn)定性大幅降低,圍巖將發(fā)生變形,并導致失穩(wěn)出現(xiàn)流砂涌砂,控制圍巖含水率在 5% ～9%,低于圍巖塑性變形的含水率,才能確保圍巖基本穩(wěn)定。同時,泥土的膠結(jié)作用對圍巖穩(wěn)定有促進作用,含泥量降低將導致巖土體膠結(jié)作用變差。結(jié)合實測數(shù)據(jù),該段隧道含水率最高值達到25%,隨著含水率的增加,含泥量的降低砂層穩(wěn)定性越差,圍巖穩(wěn)定性變差,出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象。

(4)力學性質(zhì)

隧道的開挖使得原有的應力平衡被打破,臨空面附近形成高應力區(qū),遠離臨空面的位置出現(xiàn)低應力區(qū)[25]。在孔隙水壓力和自重應力作用下,砂層之間的黏結(jié)力不足以維持穩(wěn)定狀態(tài),剝落先在受力較大的部位發(fā)生,高應力區(qū)的砂土首先涌出,接著應力進行重分布,形成新的高應力區(qū),裂隙不斷擴展增加,砂土涌出,如此往復出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象。

3 防控技術研究

3.1 加固措施過程分析

注漿是處理圍巖變形的主要方式,通過壓力注漿,將漿液注入巖土體的孔隙中以改善巖土體結(jié)構(gòu)。漿液在非均質(zhì)軟弱圍巖中擴散形態(tài)隨注漿壓力、注漿時間、漿液黏度與圍巖參數(shù)的動態(tài)變化而不斷變化,最終趨于穩(wěn)定。漿液以類橢圓形向四周擴散,為獲得較好的注漿加固效果,應綜合考慮圍巖參數(shù)、注漿施工參數(shù)與漿液性能等因素[26]。不同位置發(fā)生涌砂現(xiàn)象,使得初支拱架變形,型鋼拱架或格柵發(fā)生扭曲,坍塌隨即發(fā)生。襯砌做好后,大變形常使襯砌嚴重開裂,擠入凈空[27]。現(xiàn)場揭示,由于涌砂的出現(xiàn),掌子面初支開裂,拱架變形。針對產(chǎn)生的涌砂現(xiàn)象,采取了超前水平鉆進行勘察、超前小導管和管棚支護工作,但均出現(xiàn)泥砂卡鉆等情形,同時掌子面及拱背圍巖及拱頂位置多次發(fā)生滑塌形成空腔,導致支護結(jié)構(gòu)變形破壞。以下對DK43+953.3～DK43+967段施工過程中現(xiàn)場出現(xiàn)涌砂問題后采取的支護加固方式進行統(tǒng)計,結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)場施工支護方案統(tǒng)計

由表1可知,在初期出現(xiàn)涌砂后,采取的措施是加密小導管和水泥漿注漿,此時有漿液滲出現(xiàn)象。粒徑組成在0.25～0.075 mm之間占比較大,Cc為0.98,粒徑均勻,集配不良,此時普通水泥漿很難貫穿巖土體,導致漿液滲出。隨后采取超細水泥漿和水玻璃進行注漿,采用雙液漿注漿后,未出現(xiàn)漿液滲出現(xiàn)象。隨著隧道的鉆進,含水率逐漸增大,含泥量降低,小導管注漿不能維持前方圍巖的穩(wěn)定,注漿土體出現(xiàn)整體滑塌現(xiàn)象。此后采取擴徑管棚注漿等進行支護,但是破碎的巖土體從管棚間隙涌出,出現(xiàn)股狀涌水和涌砂滑塌。在DK43+953.3～DK43+967段施工過程中總共進行11次注漿加固工作,前期主要通過超前小導管進行注漿,后續(xù)采用超前小導管結(jié)合后退式注漿的方式,但由于土體含水率較高,以及細砂含量較高,采用此種方法注漿的作用不是很明顯。

水對圍巖穩(wěn)定有決定性影響,在多次調(diào)整支護方式進行注漿加固效果不佳后,決定采取洞內(nèi)真空降水措施來降低巖體含水率,穩(wěn)定圍巖。支管采用φ25 mm鋼絲軟管,長6 m,主管采用φ50 mm鋼絲軟管;降水管包雙層100目尼龍紗網(wǎng),并與支管連接。真空罐和真空泵連接采用φ50 mm鋼絲軟管連接。降水過程中,真空負壓控制在0.04～0.06 MPa。真空降水單日降水總量見圖7,洞內(nèi)降水含水率變化曲線見圖8。

圖7 真空降水單日降水總量Fig.7 Vacuum precipitation single day precipitation total

圖8 洞內(nèi)降水含水率變化曲線Fig.8 Variation curve of precipitation moisture content in the tunnel

由圖7、圖8可知,采用超前真空負壓降水效果不理想,在同一降水斷面取樣進行含水率測定,砂層含水率卻呈現(xiàn)上升趨勢,降低的部分幅度不大,含水率隨著降水時間的推移效果不明顯,砂層含水率幾乎無變化。根據(jù)地質(zhì)勘察情況該隧道洞身位于地下水位線以下約49 m,為中等富水區(qū)。降水幅度不大是由于隧道的開挖導致山體原有的水平衡狀態(tài)被打破,在隧道內(nèi)進行降水的同時,上部水向下滲流,致使降水工作達不到預期效果。

3.2 地表降水+帷幕注漿加固

基于4.1節(jié)的總結(jié)分析,在DK43+953.3～DK43+967段施工過程中,采用洞內(nèi)降水以及超前小導管注漿加固的方式,均未能阻止洞內(nèi)涌砂涌水現(xiàn)象的出現(xiàn),主要由于洞內(nèi)含水率較高,采用洞內(nèi)降水的方式不能有效的控制含水率;其次超前小導管注漿壓力相對較小,在該地層中加固效果不明顯。因此采用地表降水+帷幕注漿方案加固。相較小導管注漿,帷幕注漿由于止?jié){墻的作用,注漿壓力較大,能達到6 MPa,從而在巖土體中形成良好的止水帷幕,阻擋地下水的滲透,結(jié)合地表降水工作,能最大程度降低洞內(nèi)含水率,能更有效加固土體。

為降低地下水位和砂巖的含水率,在施工段內(nèi)增設降水井。降水井位于隧道輪廓線外側(cè),左右兩側(cè)交替布設,與隧道初支外輪廓凈距為5 m,沿線路方向單側(cè)間距為16 m,在中線上投影間距為8 m。降水井成孔直徑為600 mm,井管直徑為300 mm,井深到仰拱下20 m。共設置32口降水井,平均井深141.4 m。降水井布置見圖9,降水井構(gòu)造見圖10。

圖9 降水井布置示意(單位：m)Fig.9 Schematic diagram of the layout of dewatering wells

圖10 降水井構(gòu)造Fig.10 Structural diagram of dewatering well

在觀測井距正洞兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣1 m外設置觀測井,通過統(tǒng)計,單井最大抽水量達5 992 m3。有效降低了巖體含水率,開挖揭示,掌子面含水量在11%～13.1%之間。砂巖含水率曲線見圖11。

圖11 砂巖含水率曲線Fig.11 Curve of water content of sandstone

帷幕注漿是一種用液壓或氣壓將能凝固的漿液按設計的濃度通過特設的注漿鉆孔,壓送到指定的巖土層中,填補巖土體中的裂縫或孔隙,增加巖體強度和穩(wěn)定性,旨在改善注漿土體的物理力學性質(zhì),加強巖體的整體性的方法。通過鉆孔將漿液注入巖體內(nèi)部的裂隙,各個孔中的漿液在巖體內(nèi)相互接觸,與巖土體相結(jié)合形成類似于帷幕的具有一定厚度的連續(xù)體,增加巖體強度和穩(wěn)定性,同時也可減少壓縮性。

通過計算確定帷幕注漿初始設計參數(shù),注漿長度均為25 m,開挖20 m,保留5 m作為止?jié){巖盤。堵頭墻采用錨桿(長3.0 m,間距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定,止?jié){墻身預留φ108 mm注漿孔與泄水孔,泄水孔間距2 m×2 m。帷幕注漿設計見圖12、圖13。

圖12 注漿孔布置(單位：cm)Fig.12 Layout of grouting holes

圖13 帷幕注漿縱斷面(單位：cm)Fig.13 Curtain Grouting Profile

注漿前應進行壓水試驗,注漿采用鉆桿后退式分段注漿工藝,采用多坑道注漿鉆機開孔,穿過止?jié){墻后采用水鉆方式鉆孔至設計位置后進行后退注漿,分段長度2.0 m。注漿時先外圈后內(nèi)圈,先拱部后邊墻,自上而下間隔注漿。注漿時對于出水較大的孔位在水玻璃中摻入水性聚氨酯進行止水注漿,用量控制在水泥用量的5%左右。當單孔注漿壓力達到設計終壓,注漿速度控制在10 L/min以下并持續(xù)10 min以上,即可結(jié)束注漿。針對采用帷幕注漿的5個循環(huán)施工進行統(tǒng)計分析,結(jié)果見表2。

表2 帷幕注漿5循環(huán)施工參數(shù)

注漿時隨著注漿壓力的增加,要及時觀察止?jié){墻的變化,調(diào)整墻體參數(shù)。第一循環(huán)中止?jié){墻采用素混凝土,當注漿壓力達到4 MPa時候止?jié){墻出現(xiàn)開裂情況,因此在后續(xù)循環(huán)中采用了鋼筋網(wǎng)片進行加筋,同時采用C25混凝土,提高止?jié){墻強度。

通過對施工參數(shù)的調(diào)整來工優(yōu)化設計方案,結(jié)合超前地質(zhì)預報,密切關注鉆孔過程中揭示的前方圍巖變化及節(jié)理裂隙發(fā)育情況,通過對單孔各注漿段涌水量進行統(tǒng)計,調(diào)整注漿參數(shù)和孔位布置,根據(jù)施工現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù),最終確定采用第四循環(huán)施工參數(shù)作為設計依據(jù)進行設計施工。

3.3 效果評價

地表降水后,洞內(nèi)開挖未見明顯線狀和股狀滲水,掌子面含水率明顯降低,含水率多在11%～14%之間,結(jié)合帷幕注漿加固,未出現(xiàn)集中的涌水涌砂現(xiàn)象,基巖裂隙水明顯較少,開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)性,基本上能滿足隧道正常施工的要求。

掌子面開挖情況見圖14、圖15,可以觀察到掌子無明顯滲水現(xiàn)象,在圍巖軟弱夾層和節(jié)理裂隙中觀察到清晰可見的漿脈,說明地表降水效果顯著,同時帷幕注漿法起到很好的加固土體的作用。

圖14 采用帷幕注漿后掌子面開挖情況Fig.14 Excavation of the face after curtain grouting

圖15 采用帷幕注漿后掌子面開挖情況Fig.15 Excavation of the face after curtain grouting

4 結(jié)論

以銀蘭高鐵某新近系軟巖隧道為依托,對圍巖進行取樣調(diào)查,防控過程進行總結(jié)分析,探討了新近系軟巖隧道的涌砂機理和防控技術,主要結(jié)論如下。

(1)隧址區(qū)洞身圍巖為新近系中新統(tǒng)砂巖,粉細粒結(jié)構(gòu),曲率系數(shù)Cc為0.98,成巖作用差,易發(fā)生涌水涌砂災害,含水率為9%時,出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象,隨著含水率升高,達到15%時涌砂現(xiàn)象加劇,含水率超過20%時容易發(fā)生大面積涌砂滑塌現(xiàn)象。

(2)該工程洞身位于地下水位以下,隧道開挖導致原有應力平衡被打破,在自重應力和滲透水壓的作用下,臨空面附近產(chǎn)生高應力區(qū),砂層之間黏結(jié)力不足以維持穩(wěn)定,故易產(chǎn)生涌砂。

(3)帷幕注漿法運用于極軟巖地段隧道施工,結(jié)合地表降水,有效解決了涌砂問題。采用帷幕注漿法時,應結(jié)合超期地質(zhì)勘探,對帷幕注漿設計參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。