孔隙水对土体隧洞施工的影响分析

2018-03-27张磊

山西水利科技 2018年4期

张磊

（山西水务工程建设监理有限公司山西太原 030002）

0 引言

土洞在我国有着悠久的历史，人们积累了丰富的施工经验，但在结构松散、承载力较低、含水较多的土体中掘进时，能够选用的有效措施却不多或效果不够理想，有些措施应用的结果进一步恶化了围岩条件。在遇到饱水黏土、砂土、坍塌、流土、渗流等，通常会选择分断面开挖、留核心土、超前管棚或锚杆、注浆、喷锚钢支撑联合支护等，当然近些年机械开挖（盾构以及各类掘进机）也是主要选择，常常受到隧洞长度以及围岩的不均匀限制。上述人工开挖措施常常是联合使用的，各自对于围岩加固的贡献很难做出明确区分，人们关于这方面的研究还少触及。这样的结果或是经济上不尽合理，或是个别措施对围岩的稳定是不利的但难以及时发现。水对土体稳定的影响是很大的，饱水的土体隧洞施工已经成为决定工程成败的最主要难题之一。在原始状态，土体中的孔隙水要么是静态的要么处于稳定渗流状态，隧洞的开挖改变了这样的状态。人们常常会选用疏堵结合的方式解决洞内围岩中水的问题，而且将排水作为第一位的方案。这在含水量较少或局部积水的情况下是可行的，但在水量补给丰富的情况下，排水的效果往往会不很明显，尤其是选择在洞内排水的情况，而地面渗井的效果由于可以形成降水漏斗，效果或许会好一些。此项措施可以一方面在边坡稳定上的研究较多，而见诸报端的隧洞上的研究却很少。对于洞内的坍塌、冒顶、流泥等不利地质灾害，选择灌浆进行处理常常是人们乐于接受的，人们寄希望于水泥体的强度加固土体，甚至形成防渗帷幕以减少渗流。这种想法在岩体中无疑是可靠的，水泥浆可以沿着岩体裂缝行进，并最终形成一个整体。在土体中往往没有人们希望的裂隙，灌浆的原理更多的是土体的劈裂，而劈裂的效果与土体的断面情况有关，这在土坝劈裂灌浆中早已得到证实。在土体隧洞中的灌浆效果以及是否会引起土体的破坏并由此恶化施工环境需要我们做深入的研究。

1 孔隙水压力对土体稳定的影响

孔隙水压力是指土体孔隙中水的作用力。按照太沙基有效应力原理，饱和土体任意平面上的总应力是孔隙水压力与有效应力的和，土的变形（压缩）与强度的变化都只取决于有效应力的变化，而与孔隙水压力无关。根据这一原理，采用排水措施将土体中的水排出去，促使孔隙水压力逐步消散，有效应力相应增加，体积收缩，土体强度得以提高。相反，孔隙水压力增加，有效应力降低，莫尔圆向左移动，最终与包线相切而破坏。超静孔隙水压力既是在孔隙水压力以外增加的一部分压力，比如土体体积突然收缩（土坝填筑强度过大）、水位突然增加（库水位升高）、不排水三轴压缩试验、土体扰动等都会产生超静孔隙水压力，使得土体有效应力下降，稳定性变差。土体中孔隙水压力的消散过程与土质和周边水量有关，黏土的渗透系数较低，消散时间会比砂土长很多，周边水量很充裕时，会形成稳定渗流，对孔隙水压力消散影响也很大。

2 孔隙水压力对隧洞施工的影响

随着隧洞的掘进，土体中孔隙水的原始存蓄状态发生改变。原来静止的孔隙水会因为洞壁临空面的形成而变得流动，原来稳定的渗流也会改变流速，而流向只能是朝向洞内。除超孔隙水压力外，渗流还将产生渗流孔隙水压力（超孔隙水压力的一种）以及渗透力（体积力）。渗流孔隙水压力的计算相对复杂，虽然对土体强度和变形没有贡献，但会使土体的稳定性变差。渗流中水对土体骨架的渗透力一旦超过其临界水力坡降，土体就有可能发生破坏。只要渗透力足够大，对于任何性质的土体，都有可能产生流土现象。隧洞施工时，若采用爆破或机械振动强烈时，饱和土体便有可能因为超静孔隙水压力的产生而使稳定性变差。因此，含水土体的隧洞施工应该优先选择振动较小的技术方案。对于补给稳定的渗流，洞内排水对渗流固结的影响很小，因此效果往往不会明显，相反，排水也有可能增加渗流孔隙水压力和渗透力，使土体的稳定条件变得更差。洞顶地面的排水措施，只要排水能力足够，一般都可以在洞身周边形成降水漏斗，从而促使土的有效应力增加，对隧洞施工有利。因此，在含水土体中进行隧洞施工时，排水措施选用的结果不一定都是向有利的方向发展，需要在详细的土质（透水性、是否存在湿陷等）、水情（水量、水压等）等勘察集料的基础上作出慎重的判断，必要时应进行生产试验确定。

3 灌浆对土体成洞的影响

在土质较差或含水或出现坍塌、流土等险情时，除了加强支护等措施外，人们常常会选择水泥注浆的补充措施，效果不明显时，会认为是水速较大的原因，因此选用超细水泥或在水泥中添加水玻璃，以期缩短初凝时间，提高早起强度。选用注浆的目的一般有二：一是提高土体强度；二是形成帷幕，减少洞壁渗流量。但结果往往事与愿违。黏土的可灌性较差，需要较大的压力对土体形成劈裂后才能实现。土体劈裂使土体有加密的趋势，造成短期内孔隙水压力升高（即产生超（静）孔隙水压力），稳定性降低。同时，浆液也向孔隙水传递了超孔隙水压力。超孔隙水压力需要足够的时间消散，因此除非洞体开挖前对土体进行灌浆处理（比如施工前首先在地面进行帷幕或充填灌浆），并有足够的压力消散时间，灌浆的效果是明显的。而在掌子面附近区域或出现流泥等险情时的灌浆，效果往往是难以保证的，甚至控制不好会出现相反的结果。

4 案例分析

4.1 某土质隧洞工程的注浆

某隧洞在施工过程中遇到含水疏松砂岩，承载能力在5 MPa以下，为极软岩，且有地下水活动，大部分呈滴或渗水状，小部分呈线状流水，一度出现流泥现象，掘进受阻。参建单位聘请了各方面的专家进行各类技术论证，超细水泥（加水玻璃）注浆便是其中之一。大量的注浆结果是土体的加固效果很不明显，流泥仍然存在，个别水泥块体夹杂其中，也出现过浆液不凝固的现象（水泥假凝：灌浆过后很长时间，水泥浆液仍然掺杂在流泥中）。该工程的流泥问题最终选择了洞内盐水冷冻法才得以根本解决。

4.2 某土质隧洞工程的排水

某交通工程为土体隧洞，含水量较大，施工中突然出现了大量土方坍塌，在各种方法失败后，一度选择了洞内水平旋喷加排水的加固方案。施工单位在掌子面的各个部位布设了塑料排水管道，埋深3 m以上，排出来的水经汇总集中由水泵排出洞外。排水方案实施以前，开挖中已施工完成的水平旋喷桩尚且完整，而在加强排水以后，桩体均出现了不同程度的破坏。此后，施工单位选择了延长排水时间，大幅降低开挖进度的措施通过了该不利地质洞段。