某在建隧道拱部涌砂与应对措施

沙金硕

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

1 工程概况

北京某地下工程位于二环内历史文化保护区，工程设计采用暗挖法施工，设置两处临时施工竖井通道满足正线隧道开挖进洞需要。工程对应的地面条件是繁华的临街商业、拥挤的交通道路以及历史悠久的四合院建筑，同时道路下方存在大量地下管线，多为重力流雨污水管沟，年代也较为久远，对施工有较大影响，也是重要的环境风险源。

根据要求，地下工程地下水处理由以前的抽降方式转变为实施难度较高的止水方式。本工程全线设计为全止水方案，通过多手段处理地下水问题。工程2号临时竖井及施工通道于2018年初开工建设，竖井采用倒挂井壁法施工，施工通道采用暗挖法施工，通道在施工过程中出现多次拱部范围的涌水、涌砂情况。

2 工程与水文地质条件

本工程场区位于永定河冲洪积扇中部，砂卵石层与粉土、黏土类地层交互沉积，对工程有较大影响的地层主要为⑤圆砾卵石、⑥粉质黏土、⑦卵石、⑦1中粗砂、⑦2粉细砂、⑧粉质黏土。施工通道拱部位于不透水层⑥粉质黏土，其上为含水层⑤圆砾卵石。⑤圆砾卵石地层密实，一般粒径5～20mm，最大粒径≥110mm，级配较好，低压缩性，连续分布，地层渗透系数110m/d；⑥粉质黏土天然含水量26%，孔隙比0.73，液性指数0.33，可塑～硬塑，地层整体性较好，连续分布，局部夹粉土薄层，地层渗透系数0.05m/d。

拟建场地在勘察深度范围内发现4层地下水，其中对工程实施有影响的地下水分别为潜水(二)、层间水(三)、层间水(四)。根据勘察报告，本暗挖通道洞身所处地层结构杂散，开挖断面所处地层由上而下依次为⑥粉质黏土、⑥3细中砂、⑦2粉细砂、⑦1中粗砂、⑦卵石、⑧粉质黏土。潜水(二)连续分布于⑤圆砾卵石，含水层厚度为1～3m，直接影响隧道拱部安全。少量层间水(三)分布于⑥3细中砂中，位于结构中上部；层间水(三)连续出现在⑦卵石中，位于结构底部附近，结构底部则是连续的隔水层⑧粉质黏土。

3 地下水处理设计

对于暗挖工程，止水方案可采用冻结、旋喷、深孔注浆等方式，具体方式还需要考虑实施条件、对环境影响、工期以及投资等因素。本暗挖通道为正线隧道施工的临时通道，结构规模不大，开挖宽度4.6m，高度9.17m，初支厚度300mm(见图1)，含水地层分散布置于结构顶部、中部及底板，含水层厚度不大，因此，地下水控制采用了简单、经济的深孔注浆方式。

图1 通道结构支护设计

城市带水砂土隧道采用注浆堵水的实例不多，注浆止水选择合理参数是关键。日本在注浆止水技术要求上提出了降低地层1～2个数量级的渗透系数为目标，给出了3m～(1～2)D注浆止水层厚度(D为隧道洞径)。本工程参考地层加固通常提出的渗透系数以及注浆实际效果，注浆后的地层提出了渗透系数≤1×10-6cm/s的量化指标要求，止水圈层厚度根据地层条件、结构参数以及不同地层注浆效果特点，确定了开挖面外扩2.5m。

4 隧道涌砂及应对措施

2号施工临时通道全长约46m，分上下两部开挖，开挖按台阶法进行。通道于2018年5月9日开始破竖井马头门进洞，于2018年11月底完成结构封端，过程中发生了3次拱部涌砂事故。

1)第1次涌砂发生于2018年7月，通道开挖洞身长约22m，发生部位位于拱部11点方向，发生时本次上台阶土方开挖基本完成，铣拱过程中(格栅间距为0.5m，每次开挖步长0.5m)，涌砂量约5～8m3。

根据现场勘察，该处开挖揭露的地层为较密实的粉质黏土，硬塑，无水渍，但随着暴露时间变长，黏土表层出现渗水，很快发展为滴水、点流，地层出现明显的蠕变、劣化，最终上层⑤圆砾卵石层水穿透黏土层发展成涌砂。针对此情况，涌砂发生后及时封堵涌砂体并进行地层补偿注浆，控制地层变形。

针对下一步的防涌砂应对措施，参建各方进行了专题技术讨论。首先，涌砂并非在开挖揭露地层第一时间发生，并且新揭露的地层表现出了较好的物理特性；其次，通道拱部开挖、立拱、喷混凝土循环时间约为4h，时间并不紧凑，工序衔接有优化空间，因此，制定的措施以充分利用地层自稳特性及时空效应为原则，强调注浆效果控制的同时，提高开挖、立拱、喷混凝土环节工作效率，并加强现场协调组织，优化工序衔接。

2)2018年8月，距离上次涌砂开挖进尺2m的隧道拱部同样位置出现了第2次涌砂，揭露的地层仍为较完整的粉质黏土，发生时在进行周边轮廓土体清理，准备立拱，本次涌砂量约2m3。

本次涌砂发生后，结合这两次涌砂发展过程，研究重点放在如何利用拱顶⑥粉质黏土天然隔水及自稳性能，同时考虑如何缩短拱部台阶开挖与支护时间。目前结构断面拱部采用矢高1.5m，结构跨度4m，矢跨比0.375，三心圆结构形式(见图1)。拱部位于粉质黏土⑥层中，该层土在通道拱顶区域内厚度分布约1.3～1.5m。经分析，尽量保留⑥粉质黏土，加大上层水渗透路径长度，延缓粉质黏土劣化失稳的时间是设计优化的关键。结构矢高由原来的1.5m优化为1m，矢跨比调整为0.25(见图2)。同时设计也考虑了设置中间临时竖撑，将结构施工细分为左右两次开挖，减少一次开挖断面尺寸，尽早封闭开挖面，后经讨论，采取该措施开挖断面小，实施效率低，不宜采用。

图2 结构拱部优化断面

结构矢跨比的优化减少了一定的土方开挖量，但幅度不大，因此，要有效减少土体的暴露时间还需要再细化施工工序。由于两次涌砂的部位均发生在拱部11点位置，分析推断，拱部左侧断面上方土体性质较差，不宜过早开挖暴露，在土体开挖环节应优先开挖右侧断面土方，减少拱部11点位置处土体暴露时间。同时，根据这两次涌砂体涌砂过程形态发展，适当加大上下台阶长度，利于涌砂发生时涌砂体尽快形成稳定锥体，减少涌砂量。

3)2018年9月，通道开挖到约29m时，即距离第2次涌砂进尺约5m，拱部相同部位相似时点再次发生涌砂，涌砂发展过程与之前类似，但涌砂体量大，地层水土损失严重，本次涌砂量约40m3。险情发生后立即从地面进行地层补偿注浆，防止次生险情发生。

连续发生的3次涌砂险情严重影响了施工进度。深孔注浆止水作为阻止地下水的首道防线，在目前的技术条件下还无法完全封闭水体。⑤圆砾卵石渗透系数大，透水性好，注浆难以有效控制固结范围，也难以均匀填充空隙，固结颗粒，一味地扩大注浆止水范围对于改善止水效果作用有限。内部挖潜、提高工效与注浆止水综合措施已不足以解决当前的困境，减小涌砂风险发生的概率只能调整设计方案、增加技术措施。

减少拱顶以上地下水影响最有效的方式是远离含水层⑤圆砾卵石，通道的结构位置及轮廓由通道使用功能与实施安全确定，通道高程位置、直墙段高度由正线隧道参数确定，没有调整的空间，顶部拱形设计则考虑顶部土方开挖的稳定。在当前条件下，需要研究平顶结构实施的可行性。结构平顶断面可以减少开挖高度1m，此部分范围地层为⑥3细中砂，土体不能自稳，容易塌落，必须再增加顶部支撑措施，常用的手段是增加管棚或超前导管注浆。本部位施工不仅需要考虑土体的稳定，还应兼顾止水需要，管棚或小导管注浆并不能很好地满足这两方面需求，经讨论，设计采用了顶部增加管幕的措施。

但管幕施工需要一定的作业空间，本通道不具备管幕施工扩挖的条件。管幕布设范围根据实施条件确定，中间布设12根φ180mm×10mm管幕，两侧无法实施的区域采用密排φ42mm×3.25mm长导管进行补充，具体设计如图3所示。

图3 通道结构平顶结构

在管幕防护下，2号施工临时通道顺利完成了剩余长度的施工，为正线隧道的施工提供了条件。

5 结语

1)不利地层条件下的隧道施工更应贯彻动态设计、动态施工的理念，利用好地层时空效应，想方设法提高效率。从实施的情况来看，应大力推广机械化施工。

2)注浆方式还无法彻底解决地层止水问题。应进一步开展不同地质条件下，注浆材料、注浆配合比、注浆工艺、注浆参数以及指标评判的研究，正确对待注浆技术在止水领域的定位与发展。

3)风险控制是地下工程回避不了的难题。隧道涌砂造成了工程投资、工期等方面的损失，也产生了可能造成社会影响的隐患，如何评估工程风险程度、技术方案合理性、施工水平、工程投资经济性等因素，以及平衡上述因素的关系需要社会、政府、工程参建各方共同面对、解决。