孔隙水對(duì)土體隧洞施工的影響分析

張 磊

（山西水務(wù)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 山西太原 030002）

0 引言

土洞在我國有著悠久的歷史，人們積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，但在結(jié)構(gòu)松散、承載力較低、含水較多的土體中掘進(jìn)時(shí)，能夠選用的有效措施卻不多或效果不夠理想，有些措施應(yīng)用的結(jié)果進(jìn)一步惡化了圍巖條件。在遇到飽水黏土、砂土、坍塌、流土、滲流等，通常會(huì)選擇分?jǐn)嗝骈_挖、留核心土、超前管棚或錨桿、注漿、噴錨鋼支撐聯(lián)合支護(hù)等，當(dāng)然近些年機(jī)械開挖（盾構(gòu)以及各類掘進(jìn)機(jī)）也是主要選擇，常常受到隧洞長度以及圍巖的不均勻限制。上述人工開挖措施常常是聯(lián)合使用的，各自對(duì)于圍巖加固的貢獻(xiàn)很難做出明確區(qū)分，人們關(guān)于這方面的研究還少觸及。這樣的結(jié)果或是經(jīng)濟(jì)上不盡合理，或是個(gè)別措施對(duì)圍巖的穩(wěn)定是不利的但難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。水對(duì)土體穩(wěn)定的影響是很大的，飽水的土體隧洞施工已經(jīng)成為決定工程成敗的最主要難題之一。在原始狀態(tài)，土體中的孔隙水要么是靜態(tài)的要么處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)，隧洞的開挖改變了這樣的狀態(tài)。人們常常會(huì)選用疏堵結(jié)合的方式解決洞內(nèi)圍巖中水的問題，而且將排水作為第一位的方案。這在含水量較少或局部積水的情況下是可行的，但在水量補(bǔ)給豐富的情況下，排水的效果往往會(huì)不很明顯，尤其是選擇在洞內(nèi)排水的情況，而地面滲井的效果由于可以形成降水漏斗，效果或許會(huì)好一些。此項(xiàng)措施可以一方面在邊坡穩(wěn)定上的研究較多，而見諸報(bào)端的隧洞上的研究卻很少。對(duì)于洞內(nèi)的坍塌、冒頂、流泥等不利地質(zhì)災(zāi)害，選擇灌漿進(jìn)行處理常常是人們樂于接受的，人們寄希望于水泥體的強(qiáng)度加固土體，甚至形成防滲帷幕以減少滲流。這種想法在巖體中無疑是可靠的，水泥漿可以沿著巖體裂縫行進(jìn)，并最終形成一個(gè)整體。在土體中往往沒有人們希望的裂隙，灌漿的原理更多的是土體的劈裂，而劈裂的效果與土體的斷面情況有關(guān)，這在土壩劈裂灌漿中早已得到證實(shí)。在土體隧洞中的灌漿效果以及是否會(huì)引起土體的破壞并由此惡化施工環(huán)境需要我們做深入的研究。

1 孔隙水壓力對(duì)土體穩(wěn)定的影響

孔隙水壓力是指土體孔隙中水的作用力。按照太沙基有效應(yīng)力原理，飽和土體任意平面上的總應(yīng)力是孔隙水壓力與有效應(yīng)力的和，土的變形（壓縮）與強(qiáng)度的變化都只取決于有效應(yīng)力的變化，而與孔隙水壓力無關(guān)。根據(jù)這一原理，采用排水措施將土體中的水排出去，促使孔隙水壓力逐步消散，有效應(yīng)力相應(yīng)增加，體積收縮，土體強(qiáng)度得以提高。相反，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，莫爾圓向左移動(dòng)，最終與包線相切而破壞。超靜孔隙水壓力既是在孔隙水壓力以外增加的一部分壓力，比如土體體積突然收縮（土壩填筑強(qiáng)度過大）、水位突然增加（庫水位升高）、不排水三軸壓縮試驗(yàn)、土體擾動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，使得土體有效應(yīng)力下降，穩(wěn)定性變差。土體中孔隙水壓力的消散過程與土質(zhì)和周邊水量有關(guān)，黏土的滲透系數(shù)較低，消散時(shí)間會(huì)比砂土長很多，周邊水量很充裕時(shí)，會(huì)形成穩(wěn)定滲流，對(duì)孔隙水壓力消散影響也很大。

2 孔隙水壓力對(duì)隧洞施工的影響

隨著隧洞的掘進(jìn)，土體中孔隙水的原始存蓄狀態(tài)發(fā)生改變。原來靜止的孔隙水會(huì)因?yàn)槎幢谂R空面的形成而變得流動(dòng)，原來穩(wěn)定的滲流也會(huì)改變流速，而流向只能是朝向洞內(nèi)。除超孔隙水壓力外，滲流還將產(chǎn)生滲流孔隙水壓力（超孔隙水壓力的一種）以及滲透力（體積力）。滲流孔隙水壓力的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，雖然對(duì)土體強(qiáng)度和變形沒有貢獻(xiàn)，但會(huì)使土體的穩(wěn)定性變差。滲流中水對(duì)土體骨架的滲透力一旦超過其臨界水力坡降，土體就有可能發(fā)生破壞。只要滲透力足夠大，對(duì)于任何性質(zhì)的土體，都有可能產(chǎn)生流土現(xiàn)象。隧洞施工時(shí)，若采用爆破或機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，飽和土體便有可能因?yàn)槌o孔隙水壓力的產(chǎn)生而使穩(wěn)定性變差。因此，含水土體的隧洞施工應(yīng)該優(yōu)先選擇振動(dòng)較小的技術(shù)方案。對(duì)于補(bǔ)給穩(wěn)定的滲流，洞內(nèi)排水對(duì)滲流固結(jié)的影響很小，因此效果往往不會(huì)明顯，相反，排水也有可能增加滲流孔隙水壓力和滲透力，使土體的穩(wěn)定條件變得更差。洞頂?shù)孛娴呐潘胧灰潘芰ψ銐?，一般都可以在洞身周邊形成降水漏斗，從而促使土的有效?yīng)力增加，對(duì)隧洞施工有利。因此，在含水土體中進(jìn)行隧洞施工時(shí)，排水措施選用的結(jié)果不一定都是向有利的方向發(fā)展，需要在詳細(xì)的土質(zhì)（透水性、是否存在濕陷等）、水情（水量、水壓等）等勘察集料的基礎(chǔ)上作出慎重的判斷，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)確定。

3 灌漿對(duì)土體成洞的影響

在土質(zhì)較差或含水或出現(xiàn)坍塌、流土等險(xiǎn)情時(shí)，除了加強(qiáng)支護(hù)等措施外，人們常常會(huì)選擇水泥注漿的補(bǔ)充措施，效果不明顯時(shí)，會(huì)認(rèn)為是水速較大的原因，因此選用超細(xì)水泥或在水泥中添加水玻璃，以期縮短初凝時(shí)間，提高早起強(qiáng)度。選用注漿的目的一般有二：一是提高土體強(qiáng)度；二是形成帷幕，減少洞壁滲流量。但結(jié)果往往事與愿違。黏土的可灌性較差，需要較大的壓力對(duì)土體形成劈裂后才能實(shí)現(xiàn)。土體劈裂使土體有加密的趨勢(shì)，造成短期內(nèi)孔隙水壓力升高（即產(chǎn)生超（靜）孔隙水壓力），穩(wěn)定性降低。同時(shí)，漿液也向孔隙水傳遞了超孔隙水壓力。超孔隙水壓力需要足夠的時(shí)間消散，因此除非洞體開挖前對(duì)土體進(jìn)行灌漿處理（比如施工前首先在地面進(jìn)行帷幕或充填灌漿），并有足夠的壓力消散時(shí)間，灌漿的效果是明顯的。而在掌子面附近區(qū)域或出現(xiàn)流泥等險(xiǎn)情時(shí)的灌漿，效果往往是難以保證的，甚至控制不好會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果。

4 案例分析

4.1 某土質(zhì)隧洞工程的注漿

某隧洞在施工過程中遇到含水疏松砂巖，承載能力在5 MPa以下，為極軟巖，且有地下水活動(dòng)，大部分呈滴或滲水狀，小部分呈線狀流水，一度出現(xiàn)流泥現(xiàn)象，掘進(jìn)受阻。參建單位聘請(qǐng)了各方面的專家進(jìn)行各類技術(shù)論證，超細(xì)水泥（加水玻璃）注漿便是其中之一。大量的注漿結(jié)果是土體的加固效果很不明顯，流泥仍然存在，個(gè)別水泥塊體夾雜其中，也出現(xiàn)過漿液不凝固的現(xiàn)象（水泥假凝：灌漿過后很長時(shí)間，水泥漿液仍然摻雜在流泥中）。該工程的流泥問題最終選擇了洞內(nèi)鹽水冷凍法才得以根本解決。

4.2 某土質(zhì)隧洞工程的排水

某交通工程為土體隧洞，含水量較大，施工中突然出現(xiàn)了大量土方坍塌，在各種方法失敗后，一度選擇了洞內(nèi)水平旋噴加排水的加固方案。施工單位在掌子面的各個(gè)部位布設(shè)了塑料排水管道，埋深3 m以上，排出來的水經(jīng)匯總集中由水泵排出洞外。排水方案實(shí)施以前，開挖中已施工完成的水平旋噴樁尚且完整，而在加強(qiáng)排水以后，樁體均出現(xiàn)了不同程度的破壞。此后，施工單位選擇了延長排水時(shí)間，大幅降低開挖進(jìn)度的措施通過了該不利地質(zhì)洞段。

4.3 分析

上述兩例失敗的原因雖然還有爭議，但水對(duì)土體穩(wěn)定的決定性影響是毋庸置疑的。案例1表明注漿對(duì)含水土體穩(wěn)定性的加固作用是有限的；而案例2也表明排水強(qiáng)度的增加，不只是對(duì)滲流固結(jié)有利，同時(shí)也可能加大了水流的滲透力，與地基的排水增加了有效應(yīng)力不同，隧洞內(nèi)的排水有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不好的結(jié)果。

5 結(jié)論

1）擾動(dòng)將引起超（靜）孔隙水壓力的產(chǎn)生，降低土體有效應(yīng)力，隧洞圍巖的穩(wěn)定性變差，因此含水土體中進(jìn)行隧洞施工時(shí)應(yīng)盡可能選用減少擾動(dòng)的技術(shù)。

2）在含水土體中進(jìn)行隧洞施工前，地質(zhì)勘探尤為重要。土質(zhì)、含水（尤其是水量、水壓力）狀況等應(yīng)作為重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行勘察。對(duì)水量豐富、滲流穩(wěn)定的地下水處理往往選用洞內(nèi)排水措施是不明智的。

3）在土體中進(jìn)行灌漿，將引起超（靜）孔隙水壓力和圍巖變形，在土洞施工中常常帶來不利后果，應(yīng)慎重選用。