佛山地區(qū)地鐵粉砂層涌水涌沙災(zāi)害分析

程馬遙 曾洋 楊虹

摘? 要：通過對(duì)涌水涌沙發(fā)展過程的探究，文章針對(duì)佛山地鐵粉砂質(zhì)層依次對(duì)其土粒級(jí)配、水源分布、滲流通道、水動(dòng)力四個(gè)方面進(jìn)行分析，確定了佛山地區(qū)存在發(fā)生涌水涌沙的客觀條件;并通過公式從理論角度來(lái)得出佛山地區(qū)顆粒粒徑對(duì)應(yīng)的管道流速大于其臨界流速的結(jié)論，推演了佛山地區(qū)富水粉砂層涌水涌砂災(zāi)害演化機(jī)制。對(duì)佛山地區(qū)發(fā)生涌水涌砂的可能性做出明確的判斷，為后續(xù)注漿加固工作提供參考。

關(guān)鍵詞：富水砂層;涌水涌沙;破壞機(jī)理;公式分析

中圖分類號(hào)：U231.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0032-04

Abstract： Based on the exploration of the development process of water and sand gushing， this paper analyzes the soil grain gradation， water source distribution， seepage channel and hydrodynamic force of the silt layer of Foshan metro successively， and determines the objective conditions for the occurrence of water and sand gushing in Foshan area. The conclusion that the pipeline velocity corresponding to the particle size is larger than the critical velocity is obtained from the theoretical point of view through the formula， and the evolution mechanism of water-gushing hazard in the water-rich silt layer in Foshan area is deduced. The possibility of water gushing and sand gushing in Foshan area was clearly judged to provide reference for the subsequent grouting reinforcement work.

Keywords： water-rich sand layer; water and sand gushing; failure mechanism; formula analysis

引言

佛山市地處珠三角腹地，地下水系發(fā)達(dá)，土質(zhì)以粉砂為主。由于粉砂自身結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，并且承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的能力較弱，故而在富水條件下進(jìn)行地下工程建設(shè)時(shí)極易引發(fā)涌水涌砂事故。若處理措施不及時(shí)得當(dāng)，涌水涌沙事故將發(fā)展為隧道的坍塌，嚴(yán)重時(shí)向上發(fā)展引起路面局部垮塌，極大威脅著工程人員的生命安全，大大滯后施工進(jìn)度，社會(huì)影響惡劣。

廣州市地鐵六號(hào)線大坦砂站-黃砂站盾構(gòu)區(qū)間總長(zhǎng)約1500m，其中約有345m的隧道洞身處于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，張旭東分析認(rèn)為，由于富水砂層其自身穩(wěn)定性差，如果施工過程中處理措施不當(dāng)，將導(dǎo)致水土突涌風(fēng)險(xiǎn)增加，隧道垮塌等工程事故的發(fā)生[1]。位于山西中南部的百店隧道其埋深80-160m，洞身處于地下水位以下，隧道在DK283+763-DK284+204段時(shí)遭遇富水砂層，導(dǎo)致在施工過程中多次發(fā)生涌水涌沙等災(zāi)害事故，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，大大滯后了工程進(jìn)度[2]。廈門海底隧道陸域段部分地層屬于松散富水砂層，開挖施工時(shí)曾發(fā)生地表塌陷的事故，地面環(huán)境遭到破壞和施工安全也受到了影響。張成平認(rèn)為如果隧道塌方或海床塌陷發(fā)生在海域段隧道，海水將從破裂通道大量灌入隧道內(nèi)部，造成災(zāi)難性的破壞[3]。

為研究佛山地區(qū)富水砂層對(duì)地鐵施工的影響，首先通過探究涌水涌砂事故發(fā)生的一般性機(jī)理，認(rèn)為富水粉砂層發(fā)生涌水涌砂事故存在著客觀的條件。故在佛山地區(qū)土質(zhì)條件下依次針對(duì)土粒級(jí)配、水源分布、滲流通道、水動(dòng)力四個(gè)方面進(jìn)行分析;并通過相關(guān)滲流理論公式的分析來(lái)闡述涌水涌沙發(fā)生時(shí)土顆粒尺寸與水流速大小存在的關(guān)系。結(jié)合實(shí)際工況推演出佛山地區(qū)富水粉砂層涌水涌砂災(zāi)害演化的機(jī)制，對(duì)工程是否發(fā)生涌水涌砂做出有效判斷，為后續(xù)工程提出預(yù)報(bào)警示并提供防滲加固的建議[4]。

1 一般涌水涌砂災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及客觀條件分析

1.1 一般涌水涌砂災(zāi)害發(fā)生機(jī)理

對(duì)于涌水涌砂的發(fā)展過程，首先，由于在施工過程中對(duì)土體進(jìn)行了挖掘產(chǎn)生了空間，隧道周圍土體受力平衡發(fā)生破壞。為達(dá)到新的平衡狀態(tài)隧道周圍土體需要重新進(jìn)行分布，隧道側(cè)壁從受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，兩側(cè)圍巖原有的彈性能失去了限制得到釋放，圍巖擠壓碎裂。 隧道拱頂、底部也產(chǎn)生減壓區(qū)， 由原來(lái)的承壓開始轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，?yīng)力引起圍巖破裂形成涌水涌砂的通道[5]。

其次，如果土質(zhì)級(jí)配不良，滲流通道中承擔(dān)骨架作用粗顆粒不存在或者含量極低，將導(dǎo)致細(xì)顆粒被水流逐漸帶走，涌水涌沙通道隨時(shí)間進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)當(dāng)土層的粘性土含量較低時(shí)，也無(wú)法與砂顆粒形成比較穩(wěn)定的砂-黏土團(tuán)結(jié)構(gòu)堆積在過水通道下方，對(duì)過水通道的長(zhǎng)度進(jìn)行截?cái)啵识克可盀?zāi)害持續(xù)發(fā)展水和泥沙大量涌入隧道內(nèi)，最終導(dǎo)致隧道圍巖或拱頂上土體大規(guī)模塌落。

1.2 一般涌水涌砂災(zāi)害發(fā)生客觀條件分析

一般認(rèn)為涌水涌砂發(fā)生有幾個(gè)條件：（1）含有富水砂層或水層以下存在松散砂層;（2）出現(xiàn)涌水涌砂通道;（3）存在水砂能夠涌入的空間;（4）含水層高度大，較大的水頭差能使水流更快的帶走土中顆粒。故針對(duì)佛山地區(qū)展開分析主要包括：砂源分析;水源分析;通道分析;水動(dòng)力分析。

1.2.1 砂源分析

佛山地區(qū)土層主要由：（1）殘積層：粉質(zhì)粘土;（2）沖積層：細(xì)砂、中粗砂層;（3）海陸交互相沉積層：淤泥、淤泥質(zhì)土層。地層特征如表1所示。以上軟弱砂層均位于隧道洞身之上，多呈中、細(xì)砂，級(jí)配不良。故施工開挖將致使隔水層削弱至臨界承壓狀態(tài)，掌子面內(nèi)的應(yīng)力將重新分布，造成能量的突然釋放，圍巖破裂，砂石隨著水流大量灌入隧道內(nèi)，對(duì)隧道的穩(wěn)定產(chǎn)生巨大的威脅。嚴(yán)重時(shí)拱頂坍塌擴(kuò)散至地面，造成地表塌陷，行人受傷致死等惡劣后果[6]。

1.2.2 水源分析

佛山地處亞熱帶氣候環(huán)境，雨量充沛;地貌屬珠江三角洲平原，地勢(shì)開闊低平。地表水源含量多范圍大。

地下水主要通過大氣降雨，地表河流以及側(cè)向徑流的方式進(jìn)行補(bǔ)充。按存在方式主要分為第四系土層孔隙水，層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水三類。第四系土層中的孔隙水主要存在于第四系海陸交互相沉積砂層、沖積-洪積砂層。屬于中等～強(qiáng)透水層，水量豐富。層狀基巖裂隙水主要存在于碎屑巖的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶中。在局部裂隙發(fā)育地段或構(gòu)造破碎帶中水量豐富，具承壓性。塊狀基巖裂隙水主要賦存在火成巖的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶。地下水水量不均勻，在裂隙（斷裂）發(fā)育地段，水量較豐富，具承壓性。

由此可知佛山地區(qū)水源豐富，通過大氣降雨，一部分進(jìn)入地表上的湖泊河流，另一部分通過滲透為地下水進(jìn)行補(bǔ)給。

1.2.3 通道分析

一般來(lái)說顆粒的粒徑大小、級(jí)配是否良好和密度是滲透性的主要影響因素。而佛山地區(qū)富水砂層多為中、細(xì)砂層缺少粗顆粒，砂顆粒介質(zhì)結(jié)構(gòu)本身松散，且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的滲透特性。滲流發(fā)展開始階段，在水流滲透作用下，土中細(xì)顆粒在稍大的顆粒形成的孔隙通道中移動(dòng)以致流失，土的孔隙發(fā)展不斷擴(kuò)大，滲流速度加快，稍大的顆粒也隨之被水流帶走，砂層強(qiáng)度進(jìn)一步削弱，最終導(dǎo)致形成貫通滲流通道。富水砂層之下為粉質(zhì)粘土層，粉質(zhì)粘土特點(diǎn)表現(xiàn)為強(qiáng)度較低，壓縮性高，自穩(wěn)能力差，所以當(dāng)粉質(zhì)黏土層上的水壓或荷載作用過大時(shí)容易發(fā)生變形。故在施工擾動(dòng)下，本身就十分脆弱的變形部位應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生失衡，導(dǎo)致拱頂和周圍圍巖破裂坍塌從而形成水砂突涌的通道。

1.2.4 水動(dòng)力分析

由于推動(dòng)土體顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿橥林械臐B流力[7]根據(jù)公式（1）

可知滲透力的大小與水頭差大小直接相關(guān)，在隧道開挖擾動(dòng)下，含水層通過發(fā)育的縫隙通道連接至砂層，含水層越大，水頭差越大，則滲透力越大，使得水流攜砂能力增強(qiáng)，滲流通道進(jìn)一步擴(kuò)大。

綜上在佛山地區(qū)水文土質(zhì)條件下通過對(duì)四個(gè)客觀條件的分析，我們可以得出佛山地區(qū)的土質(zhì)具有發(fā)生涌水涌沙災(zāi)害的可能性。

2 涌水涌砂災(zāi)害發(fā)生模式分析

本文采用滲流管道及小管徑出流的形式來(lái)進(jìn)行細(xì)觀上的受力分析，分析了滲流發(fā)生時(shí)的具體演化方式，結(jié)合滲流發(fā)生的特點(diǎn)從微觀角度來(lái)為涌水涌砂事故的判斷提供依據(jù)。

竇國(guó)仁[8-9]研究認(rèn)為水流中的泥沙顆粒若運(yùn)動(dòng)，存在一個(gè)臨界起動(dòng)流速條件，即流經(jīng)該通道各處的水流速大于各顆粒對(duì)應(yīng)的臨界起動(dòng)流速時(shí)，土中顆粒將不再穩(wěn)定，首先土中粒徑較小的顆粒會(huì)在水流作用下率先流失，水流通道貫通擴(kuò)大，流速上升致使較大粒徑的顆粒也被帶走，破壞進(jìn)一步增強(qiáng)。

作用在顆粒上的力在涌砂管道中可分為兩種：一類為帶動(dòng)顆粒的起動(dòng)力，如水流的作用力FD及浮力FL;另一類為顆粒起動(dòng)時(shí)的阻礙力，如顆粒的重力W和顆粒之間的粘結(jié)力N。現(xiàn)以滲流通道砂群中某一顆粒為例，受力分析如圖1所示。

以O(shè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，表示砂粒起動(dòng)臨界條件的動(dòng)力平衡方程式為：

K1dFD+K2dFL=K3dW+K4dN? ? （2）

將各個(gè)力帶入式（2）化簡(jiǎn)處理可得滲流通道水平時(shí)的起動(dòng)流速Uc[4]

d1-相對(duì)粒徑，d-顆粒粒徑，h-水深，ha-代表與大氣壓力相應(yīng)的水柱高，？籽-密度

據(jù)張瑞瑾[10]通過試驗(yàn)及實(shí)測(cè)資料得到C1，C2的取值分別為1.34，0.00000496，s取值為0.72?？傻镁鶆蛏盎旌险承酝疗饎?dòng)流速公式（4）

引入附加阻力？子0[11]得到非均勻砂混合粘性土起動(dòng)流速公式（5）

當(dāng)滲流通道傾斜時(shí)Uc=KUc

m0-自然斜坡系數(shù)，？茲-通道傾斜角，m-非均勻砂的密實(shí)系數(shù)。

故只要求出管道水平條件下的起動(dòng)流速和K值，就可得到任意傾斜角度下管道的起動(dòng)流速。

由于開挖面處于地表水位以下，而地下水補(bǔ)給區(qū)范圍尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滲流通道尺寸，故在滲流發(fā)生過程中可以視作水頭差為0，水力梯度恒定，則在通道內(nèi)的水流流動(dòng)時(shí)視為常水頭流動(dòng)。對(duì)于在接近于滲流或小孔徑管道流的水流速作用時(shí)，其臨界顆粒尺寸不會(huì)太大。故當(dāng)土層各顆粒組分級(jí)配不良，不存在大顆粒或大顆粒含量低，則無(wú)法充當(dāng)骨架作用。水流將小顆粒帶走，無(wú)粗顆粒起到良好的骨架作用，來(lái)防止通道進(jìn)一步擴(kuò)散不致發(fā)展成為大流量突水潰砂通道。

土中黏土含量也影響著滲流的發(fā)展，一方面表現(xiàn)為土顆粒的粘聚力可以與砂顆粒粘聚形成砂-黏土團(tuán)，通道內(nèi)聚集成團(tuán)的砂顆粒抵抗水流沖刷的能力得到提高，使得砂層不容易發(fā)生滲透破壞。另一方面由于粘性土顆粒表面帶電，容易產(chǎn)生絮凝結(jié)構(gòu)，使得砂顆?？梢杂俜e堵塞部分水流通道，對(duì)涌水涌砂的發(fā)展產(chǎn)生一定的緩沖作用。

3 佛山地區(qū)地鐵隧道涌水涌沙災(zāi)害特殊演化機(jī)制

佛山地區(qū)富水砂層段砂顆粒組分多為中～細(xì)砂，粗顆粒含量較低，顆粒多集中于0.25～0.50mm，其顆粒粒徑所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)約為0.0138cm/s～0.15cm/s，視為管道流速。取用公式（4）和公式（5）分別計(jì)算在中砂～細(xì)砂所形成的滲流通道時(shí)的流速，且通道豎直時(shí)其臨界流速分別為0.0052cm/s及0.0084cm/s， 均小于0.0138cm/s～0.15cm/s?？芍诜鹕降貐^(qū)滲流發(fā)生過程中，水流會(huì)持續(xù)帶走砂層中的中、細(xì)砂顆粒。

將佛山地區(qū)土質(zhì)情況與一般涌水涌沙事故發(fā)生條件相比對(duì)可知，砂層中粗顆粒的含量極少，其骨架效應(yīng)作用微小。土中顆粒在地下水的持續(xù)作用下以小到大的順序持續(xù)帶出滲流通道。從而管道斷面不斷擴(kuò)張，尺寸不斷增大。因此開挖擾動(dòng)富水砂層后將形成滲流通道，砂顆粒和部分黏土在水流沖刷作用下不斷被帶走，通道尺寸擴(kuò)大，流速加快，水砂流失速度也不斷增大。

由于富水砂層之下為粉質(zhì)黏土，黏土一般呈現(xiàn)出低滲透性，可視作天然隔水層。佛山地區(qū)地下水資源豐富導(dǎo)致粉質(zhì)黏土層在長(zhǎng)期侵蝕作用下，抗剪強(qiáng)度大大降低，承受滲流的能力明顯下降[12]。黏土層承受著其上土層的自重應(yīng)力和水壓力，在施工的開挖擾動(dòng)很可能導(dǎo)致隧道頂拱及洞身圍巖無(wú)法再承受地下水及上覆土層堆載的壓力，造成水砂混合體的大量灌入隧道空間，引起開挖斷面的崩塌，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致地表的沉降，對(duì)其上的建筑物、行人、車輛造成嚴(yán)重的威脅。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)佛山地區(qū)特有富水砂層展開分析，結(jié)合一般涌水涌沙事故發(fā)生機(jī)理和相關(guān)理論公式，得到以下結(jié)論：

（1）通過相關(guān)地質(zhì)勘察資料，結(jié)合一般地質(zhì)涌水涌砂發(fā)生機(jī)理，本文依次對(duì)砂源、水源、滲流通道、水動(dòng)力四個(gè)方面進(jìn)行分析，認(rèn)為佛山地區(qū)存在著水土突涌的必要客觀條件。并對(duì)佛山地鐵富水砂層進(jìn)行了突涌災(zāi)害預(yù)測(cè)。

（2）結(jié)合相關(guān)流速理論公式分析，從力學(xué)角度對(duì)佛山地鐵富水砂層涌水涌砂災(zāi)害進(jìn)行了解釋分析。由于不同的粒徑應(yīng)存在對(duì)應(yīng)的臨界起動(dòng)流速，故當(dāng)水流流速大于顆粒起動(dòng)流速時(shí)，該顆粒將被攜帶流出，而佛山地區(qū)對(duì)應(yīng)砂粒對(duì)應(yīng)起動(dòng)流速小于管道流速，導(dǎo)致滲流的不斷發(fā)展，最終涌形成嚴(yán)重的水涌砂災(zāi)害。

（3）將佛山地區(qū)實(shí)際土質(zhì)情況與理論分析結(jié)合，得出了富水砂層條件下佛山地鐵隧道涌水涌砂災(zāi)害發(fā)生的必然性。粉質(zhì)黏土層承受著其上土層的自重應(yīng)力和水壓力，在施工的開挖擾動(dòng)就可能導(dǎo)致隧道頂拱及洞身圍巖無(wú)法再承受其壓力，致使嚴(yán)重的開挖面崩塌、水土突涌事故發(fā)生。因此必須對(duì)富水砂層和粉質(zhì)黏土層進(jìn)行相應(yīng)的加固維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張旭東.土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層施工技術(shù)探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（9）：1445-1449.

[2]高廣義.百店隧道第三系富水砂層快速施工關(guān)鍵技術(shù)研究[[J].隧道建設(shè)，2014，34（9）：908-912.

[3]張成平，張頂立，王夢(mèng)恕.淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（增2）：3601-3608.

[4]張紅軍.上覆富水砂層隧道開挖面穩(wěn)定性分析與注漿加固對(duì)策研究[D].山東大學(xué)，2017.

[5]賈建波，焦蒼，范鵬.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析[[J].隧道建設(shè)，2006（1）：18-20.

[6]錢七虎.地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（10）：1945-1956.

[7]毛昶熙，段祥寶，吳良驥.再論滲透力及其應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26（S1）：1-5.

[8]竇國(guó)仁.論泥沙起動(dòng)流速[J].水利學(xué)報(bào)，1960（04）：44-60.

[9]竇國(guó)仁.再論泥沙起動(dòng)流速[J].泥沙研究，1999（06）：1-9.

[10]張瑞瑾.河流泥砂動(dòng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：69.

[11]培什金.河道整治[M].謝鑒衡，胡孝淵，譯.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965.

[12]周暉.珠江三角洲軟土顯微結(jié)構(gòu)與滲流固結(jié)機(jī)理研究[D].華南理工大學(xué)，2013.