砂性土层中围堰法施工水底隧道渗透机理与防治技术 ①

2021-01-13柳军修席培胜张兴其浦玉炳席彬彬肖博文

佳木斯大学学报（自然科学版） 2020年4期

柳军修，席培胜，张兴其，严中，浦玉炳，王枫，席彬彬，肖博文

(1.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；2. 合肥市市政设计研究总院有限公司, 安徽合肥 230041)

0 引言

交替围堰进行湖底或河底隧道施工的方法已被广泛使用[1-5]，该施工方法二期围堰不可避免地与已建隧道管节相交，导致该部分止水帷幕无法穿越已建隧道。当隧道底部为强透水砂性土层时，较小的水头差即可出现渗透破坏，严重威胁施工安全和工程质量。以安徽沿淮及淮河以北地区为例，强透水砂性土层分布广泛，并可通过局部透水层与上部水体存在水力联系或本身为含承压水层，因强透水砂性土层造成的渗透破坏已出现多次。目前对围堰变形和稳定性的研究已开展较多[6-9]，但砂性土层中围堰法施工水底隧道渗透机理与防治技术的研究尚未见报道。基于某水底隧道砂性土地层围堰基坑涌水原因分析，建立围堰渗流三维数值模型，分析不同围堰止水结构的抗渗透性能，在此基础上提出水底隧道砂性土地层抗渗透破坏结构及施工技术要点。

1 工程概况及围堰基坑涌水

1.1 工程概况

某河底隧道全长1280m，其中暗埋段660m。隧道呈南北走向垂直穿越河流，其岸边段采用明挖顺作法施工，河中段设围堰明挖顺作通水限航施工。河中段分两期围堰施工，河南岸为一期围堰，北岸为二期围堰。围堰结构采用双排拉森钢板桩，并采用对拉螺杆拉结形成整体，堰心回填砂土。围堰体高度14.0m，其中河床以上2.4m，河床以下11.6m；围堰体厚度7.0m，中部设Φ800@500mm高压旋喷桩止水帷幕，止水帷幕深度28.5m；沿隧道轴向两排围堰体的轴线距离为87.9m。待一期围堰内隧道箱体结构A15管节施工完成后，利用一期围堰干法施作二期围堰南端头(见图1)，并与A15管节顶部及两侧预设接头进行连接。

根据勘察报告，河中段一期和二期围堰交接处地质分层从上到下分别为：①1淤泥，标高范围33.6～33.1m，厚度0.5m；①2冲填土，标高范围33.1～27.0m，厚度6.1m；④粉土夹粉质粘土，标高范围27.0～25.6m，厚度1.4m；⑤细砂，标高范围25.6～13.7m，厚度11.9m；⑥粉质粘土，标高范围13.7～8.0m，厚度5.7m；⑦粉土，标高范围8.0～3.3m，厚度4.7m；⑧粉质粘土与粉土互层，标高范围3.3～-8.6m，厚度11.9m。地质剖面图如图2所示，土层物理力学性质如表1所示。

该场区有2层承压含水层：第1层主要赋存于第⑤层细砂中，该层水在河床与潜水连通；勘察期间测得承压水头标高为32.0m左右，但同时通过局部透水层与上层水体有密切的水力联系，因而承压水头高度随河水位变化较大；第2层承压水赋存于第⑦工程地质层粉土中，勘察期间测得承压水头标高为33.00m左右，施工期间实测承压水头标高为26.5m。

图1 围堰及隧道管节平面尺寸示意图(单位：m)

图2 地层及隧道剖面尺寸图(单位：m)

围堰内隧道基坑采用钻孔灌注桩结合内支撑方式进行支护。钻孔灌注桩直径为800mm、间距为1000mm；基坑内部设置3道支撑，其中顶部设置一道钢筋混凝土支撑，截面尺寸为800mm×800mm，下部设置2道钢支撑，钢管型号为Φ609×16。内支撑中部设置钢格构立柱、并支承于直径为800mm钻孔灌注桩的立柱桩上；钻孔灌注桩外部设置三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。由于施工现场先施工了钻孔灌注桩，然后施工三轴水泥土搅拌桩，为避免搅拌机施工导致设备或桩体损坏，在水泥土搅拌桩与钻孔灌注桩之间留有约200mm的间隙，如图3所示。

隧道管节基坑采用坑内深井降水，每段隧道管节基坑对称设置4个降水井(见图1)，降水井沿隧道纵向间距15.0m，沿隧道横向间距14.0m，降水井深度至隧道底板以下10.0m。

隧道A14～A15管节采用单箱双孔结构，沿隧道轴向管节长度为30.0m，横断面总宽度为27.9m，高度为8.3m；单孔净宽为12.5m，净高为5.4m；隧道底板厚度1.5m，侧面边墙厚度1.1m，顶板厚度1.4m，中墙厚度0.7m；隧道底板埋深14.1m。涌水发生时，隧道A14～A15管节已完成施工(管节剖面尺寸及埋设位置如图2所示)，隧道A16管节段位置已完成基坑支护和开挖，隧道管节施工完成部分顶面回填素混凝土。

图3 隧道A16管节基坑支护结构示意图(单位：m)

图4 基坑涌水过程

表1 土层物理力学性质

1.2 围堰基坑渗流涌水情况

为确保渡汛，一期围堰内隧道箱体结构A15管节以及二期围堰南端头施工完成后，在一期围堰内逐步进行回水，同时对A16隧道管节已开挖基坑情况进行观察和监测：

(1)一期围堰内回水第1d开始于9∶30，至20∶10回水至水位标高30.5m，回水量约30000m3，此时发现二期围堰南端头在箱体范围两侧出现渗漏水情况，故立即封堵回水口。

(2)第2d 14∶45，在已施工的隧道A15管节以北、隧道A16管节基坑内部距离A15管节端头约2.0 m的位置(见图1)出现涌水现象，如图4(a)所示；14∶55，A16管节基坑内全横断面出现涌水现象，涌水迅速，如图4(b)所示；15∶30，对基坑内水位进行观测，水位标高23.87 m；第6d 0∶30，基坑内水位为26.07 m。

2 围堰基坑涌水原因及渗流数值分析

2.1 围堰基坑涌水原因

取二期端部围堰轴线作为剖切线(见图1中A-A剖切线)，得到的围堰、隧道管节以及旋喷桩止水帷幕等结构的剖面图，如图5所示。可以看出，隧道管节两侧围堰和旋喷桩止水帷幕能够起到止水作用，隧道管节顶部围堰体由于采用了钢板桩挂防渗土工膜、堰心回填粘土的方法也能起到抗渗透作用，但隧道管节顶部围堰体无法穿越已建隧道管节插入水底隔水层，导致隧道管节底部强渗透性砂土层止水帷幕缺失。

设计中为弥补隧道管节以下止水帷幕缺失的不足，采用基坑止水帷幕隔断隧道管节下强透水层在水平方向的渗流和水力补给，采用已建隧道管节及其顶面素混凝土隔断隧道管节下强透水层在竖直方向的渗流和水力补给，从而将基坑止水帷幕与围堰止水帷幕形成封闭性空间止水系统。

图5 围堰与隧道结构剖面图

然而，如前所述，施工的基坑钻孔灌注围护桩与水泥土搅拌桩止水帷幕存在约有200mm的间隙(见图3)，且在桩基施工过程中土体扰动，空间止水系统存在左、右侧两条渗流通道。回水过程中随着一期围堰水位的逐步上升，一期围堰内水面与A16管节基坑底面形成的水头差逐渐增大，最终导致钻孔灌注桩与水泥土搅拌桩止水帷幕间形成渗流通道且流速和流量逐渐增大，一期围堰内的回水涌入基坑，形成管涌。

2.2 围堰基坑渗流数值分析

PLAXIS由荷兰的代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)开发，能较好的模拟岩土的非线性、时间相关性和各向异性的行为[10]。为揭示砂性土层中围堰法施工水底隧道基坑渗流涌水机理，采用PLAXIS 3D建立砂性土层中围堰法施工水底隧道数值模型，分析以下4种工况围堰止水结构的抗渗透性能：(1)不设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕工况；(2)设置基坑止水帷幕工况；(3)设置隧道管节下止水帷幕工况；(4)同时设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕工况。

(1)几何模型

选取隧道A14～A16管节，以及相应位置的一期围堰和二期围堰南端建立三维数值模型，其几何模型如图6所示。数值模型沿X方向的尺寸为207.9m，沿Y方向的尺寸为120.0m，沿Z方向土层厚度为42.2m；数值模型中潜水位标高设置为35.0m。止水帷幕采用界面单元进行模拟，其强度设置为刚性，仅用于模拟止水帷幕的不透水性。隧道管节采用板单元进行模拟；基坑围护灌注桩按照抗弯刚度相等原则转换为板单元进行模拟，并在板单元上设置界面单元模拟止水帷幕；通过实体单元模拟围堰体。

图6 数值分析模型

图7 数值模型水平渗流场分布

图8 数值模型水平渗流速度云图

(2)边界条件与计算过程

数值计算分两阶段进行：第一阶段约束模型底部边界节点的水平和垂直位移，约束模型四周竖向边界节点在各自边界法线方向的水平位移，然后生成地基静水压力；第二阶段生成隧道A14和A15管节及管节与相邻土层接触面，开挖隧道A14和A15管节内部土体，激活A16管节基坑围护结构和基坑内降水井进行基坑降水，至数值模型形成稳定的渗流场。

(3)计算结果分析

图7给出了不设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕工况数值模型基坑坑底标高处水平渗流场分布，可以看出，由于隧道管节底部没有设置止水帷幕且隧道设置于强透水砂土层中，地下水会从水头较高的位置流向基坑开挖降水位置。图8给出了不设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕工况数值模型基坑坑底标高处水平渗流速度的云图，可以看出，最大流速出现在A15管节与二期围堰相接处，即饱和砂土中水流量在A16管节基坑侧边较大。

图9 模型稳态渗流场

图9为数值计算的4种工况下模型稳态渗流场，需要指出，图中流速大小与各自箭头大小成正比，但为了显示清晰，图9(a)箭头大小为真实的0.25倍(显示放大因子Fm=0.25)，图9(b)和9(c)箭头大小为真实的20倍(显示放大因子Fm=20)，图9(d)箭头大小为真实的100倍(显示放大因子Fm=100)。因此，大小相同的箭头，图9(a)反映的流速为图9(b)和9(c)的80倍，是图9(d)的400倍。

由图9可以看出，由于隧道底部设置于透水性较强的饱和砂土中，若不设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕，A16管节的基坑开挖和降水引起的渗流场为水平向，即强透水砂层成为渗流的主要通道，最大流速位于A16管节基坑内与A15管节交界处，最大流速为v=86.9 m/d，总流量qt=174.2m3/d；仅设置基坑止水帷幕和仅设置隧道管节下止水帷幕工况由于均形成了封闭性止水系统，最大流速和总流量均显著降低，最大流速分别为v=0.3m/d和v=0.7 m/d，总流量分别为qt=0.3m3/d和qt=2.3m3/d，且采用基坑止水帷幕较管节下止水帷幕由于降水范围更小因而渗流量也更小；而同时设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕工况隔水效果更好，模型最大流速v=0.05m/d，总流量qt=0.1m3/d。

因此，仅设置管节下止水帷幕或基坑止水帷幕，可使渗流最大流速降低为无止水帷幕工况的0.3%～0.8%，总流量降低为无止水帷幕工况的0.2%～1.3%；同时设置管节下止水帷幕和基坑止水帷幕，可使渗流最大流速和总流量降低为无止水帷幕情况的0.06%。

3 抗渗透破坏结构及技术要点

水底隧道强透水砂性土层抗渗透破坏结构包括：(1)与隧道走向一致的一期侧面纵向围堰和垂直于隧道走向的一期端部横向围堰，与隧道走向一致的二期侧面纵向围堰和垂直于隧道走向的二期端部横向围堰，围堰内设置有止水帷幕；(2)隧道管节下止水帷幕或管节侧基坑止水帷幕，止水帷幕可采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩。

图10(a)给出的封闭性空间止水结构由围堰止水帷幕与管节侧基坑止水帷幕组成。基坑止水帷幕应先于基坑围护结构施工，厚度宜为围护结构厚度的3～5倍，并将基坑围护结构施工于基坑止水帷幕厚度的中部，从而使二期端部横向围堰内止水帷幕与基坑止水帷幕封闭连接，避免基坑止水帷幕与基坑围护结构之间留有间隙而成为可能的渗流通道；隧道管节施工完毕后其顶部及侧面与基坑围护结构之间的缝隙应采用素混凝土回填，从而使基坑两侧止水帷幕与隧道管节紧密结合，隔断隧道管节以下强透水土层与上层水体的水力联系。

图10 抗渗透破坏结构

图10(b)给出的封闭性止水结构由围堰止水帷幕与管节下止水帷幕组成。管节下止水帷幕设置在隧道管节的下方，先于隧道管节施工；围堰止水帷幕与管节下止水帷幕通过连接止水帷幕进行搭接连接，连接止水帷幕设置在二期端部横向围堰和隧道管节下止水帷幕相交的平面位置，选用3～5倍围护结构厚度且将围护结构设置于连接止水帷幕的中间部位，避免基坑围护结构的存在引起围堰止水帷幕与管节下止水帷幕之间留有间隙而成为可能的渗流通道。