基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

2023-03-01陈育民

隧道建设(中英文) 2023年1期

冯义，陈育民

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710000； 2. 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

0 引言

随着我国城市轨道交通建设的加速推进，在沿江沿海地区城市隧道建设中穿越复杂地质的工程案例日益增多。在饱和砂土地层中进行盾构隧道施工，极易导致突水涌砂灾害，对施工人员的生命安全造成严重威胁。但是隧道建设工程中的突水涌砂灾害具有发生突然、破坏性大的特点，其现场实测数据较难获取。因此，灾害发展过程中隧道周围土体的变化规律是目前亟待探索研究的热点问题。

国内学者们进行了相关研究。周健等[1]基于离散元理论，采用PFC软件对渗流过程中砂土颗粒的力学性质进行研究，验证了水土相互作用贯穿渗流的全过程，并在流速、渗透系数、孔隙率和砂的流失量等参数间建立了定性变化规律。张顶立等[2]通过有限差分程序FLAC3D对厦门翔安海底隧道进行不同模式的突水机制模型分析，并针对复杂水域条件建立了突水风险等级评价方法。龚晓南等[3-5]综合国内外隧道渗水类别、原因，以及渗漏水的检测方法和原理进行研究，提出了此类隧道工程防渗水的有效工程措施。周宗青等[6]针对渗透破坏突涌水的变黏度机制，采用DEM-CFD耦合计算方法，开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究，分析了流体黏度对平均接触力、流量(流速)、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹及临界水力梯度的影响规律。刘宏达等[7]采用PFC2D中的Ball单元模拟砂土，以Wall单元模拟土层边界，建立了隧道-土体的二维计算模型，并研究了不同位置发生局部渗水漏砂后隧道中心位移、管片外侧所受土压力和地表沉降的变化。龙莹莹等[8]基于CFD-PFC流固耦合，分析二维条件下隧道顶部出现渗流导致土体应力的变化与地表的塌陷，同时研究了不同的隧道埋深以及土体参数对地表塌陷的影响。王越林等[9]采用颗粒流程序PFC3D与ANASYS中Fluent模块，针对管线结构破损导致渗漏时管线周围土体迁移过程进行研究，研究表明：随着裂缝的宽度增加，周边土体损失量增多，砂性地基扰动范围越广，浅层土体扰动范围越大。

现阶段，对隧道渗漏及突涌水大多通过数值手段研究渗流场的变化，但受数值模拟方法本身在边界条件以及单元类型的限制，研究结果与实际不可避免地存在一些误差。而传统模型试验由于天然土体的不透明性，无法对隧道灾害发生后周围深层土体的位移及变化进行研究。鉴于此，本文基于透明土试验技术，以上海市轨道交通某盾构区间为背景，自主研制模拟隧道突水涌砂灾变的可视化试验装置，可以实现不同工况下的灾害发展过程模拟，对土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。

1 工程概况

上海市轨道交通某盾构区间，全线长约40.82 km，是一条快速联系崇明两岛与上海中心城区的市域线。盾构区间采用单洞单线盾构法施工，隧道为直径6.1 m的圆，钢筋混凝土衬砌厚度为0.35 m，单个衬砌环宽为1.5 m，衬砌管片采用错缝拼装。沿线隧道埋深为-10～-25 m，沿线穿越复杂地层。隧道施工区间典型地质纵剖面如图1所示。全线地层分布较不稳定，局部区域层位起伏较大,其中第②3-1、②3-3层为砂质粉土层。根据土层划分情况，以长兴岛和崇明岛各土层为统计单元，在剔除个别明显不合理的偏值后，进行物理力学性质指标统计分析，选取相关砂性土层，物理参数汇总如表1所示。

图1 区间典型地质纵剖面示意图(单位： m)Fig. 1 Geological profile of typical section (unit: m)

表1 上海轨道某盾构隧道沿线砂性土层物理参数Table 1 Physical parameters of sandy soil layers along a shield tunnel line of Shanghai rail transit

2 可视化试验设计与试验方法

2.1 透明土地层模拟

透明土试验是一种结合光学、材料学、测量学的新型岩土工程试验技术。模型试验材料采用折射率相近的透明材料人工配制而成，其试样近似呈透明状，合成材料包括颗粒骨料和孔隙液体。按照特定比例制配所得的透明，其力学性质与天然土体有较好的相似性。由于透明土试样内部颗粒的不均匀性，在激光照射下会形成散斑面，通过对散斑面各点的位移分析，可以非接触观测土体内部变形及土体与周围结构的相互作用。Liu等[10]以熔融石英为颗粒骨料合成了透明土;Ezzein等[11]对熔融石英进行直剪、三轴等试验研究，发现其与砂土具有较相似的力学特性，可用来模拟天然砂土。本文选用高质量熔融石英作为透明土材料[12]，其粒径为0.5～1.0 mm，基本物理参数如表2所示。

表2 熔融石英基本物理参数Table 2 Basic physical parameters of fused silica

孔隙液体采用15#白油与正十二烷混合液模拟。以5∶1的体积比搅拌混合至折射率接近1.459后进行微调，直至混合液体的折射率精确为1.459。混合液密度为0.82 g/cm3，在20 ℃时的运动黏度为21 mPa·s；而天然砂土中的水密度为1 g/cm3，运动黏度为1 mPa·s。因此，在试验过程中需保持实验室的恒定温度为20 ℃。

依照模型试验研究的内容，结合水力学相关知识原理，水压力作用在土体的相似比设计需要满足欧拉准则与弗劳德准则。经测定，本文试验中所用混合液体与水的密度相似比Cρ为0.8。由此可知模拟水头相似比为0.8倍的几何相似比，即1 MPa的水头压力相当于模型试验中62.5 cm的水头高度。

试样的渗透系数与孔隙流体性质、孔隙大小及其几何特征的表达式[13]为：

(1)

式中：k为试样的渗透系数;ff、fv、fs分别为孔隙流体性质、孔隙空间和固体颗粒表面的影响参数；rf为孔隙液体的重度;μ为孔隙液体的动力黏度;e为孔隙比；CK-C为一个考虑孔隙形状和迂曲度的经验参数；SF为表征颗粒形状的因子；Deff为表征颗粒大小的因子。

本文通过对透明土与实际土体渗流结果相似性进行计算，试验中的透明土采用0.5～1 mm粒径的熔融石英砂与混合油制配密度为1.27 g/cm3、渗透系数为0.031 cm/s，与天然砂土一致，可较好地模拟工程实际中的原位砂土地层[14]。

2.2 试验模型装置设计

为近似模拟隧道发生突水涌砂灾变现象，依据现场实际情况，参考刘汉龙等[15]开展的模型试验研究，按照1∶200的几何相似比开展缩尺模型试验。盾构隧道采用内径30 mm、壁厚1.75 mm、长220 mm的亚克力材质圆管进行模拟，在圆管壁上开设模拟管片裂隙，裂隙尺寸设计为宽3 mm、长8 mm的矩形孔，如图2所示。模型表面做磨砂处理以减少镜面反射。透明土模型试验重点监测隧道在突水涌砂灾变过程中地层的变化。该隧道模型可满足与隧道在实际工程中突水涌砂的相似关系[15]。

图2 透明隧道模型(单位： mm)Fig. 2 Transparent tunnel model (unit: mm)

隧道模型箱长度方向取值8倍隧道直径，宽度方向取值15倍裂隙长度，以减少边界效应对试验结果的影响。模型箱壁厚8 mm，侧壁采用螺栓加固联结，在模型箱内的直径尺寸为240 mm×120 mm×180 mm。在模型箱前后壁面相应对称位置开设圆孔，圆孔直径为30 mm，孔中心与模型箱底面距离2倍隧道直径，孔内嵌模型隧道。另定制矩形水头盖板与试验模型箱连接，盖板外尺寸为256 mm×136 mm×10 mm。盖板边缘布设1圈防水胶垫，与模型箱对应位置设有搭扣锁连接，柱上有3个不同高度的开孔作为进水口和出水口。水头高度依靠1个可调节流量的小水泵恒定控制。试验模型装置如图3所示。

图3 试验模型装置实物图Fig. 3 Photograph of test model device

2.3 试验准备及方法

试验前，洗净烘干试验用的熔融石英砂，以去除杂质和水分。将模型隧道嵌入试验箱的圆孔中，连接处采用玻璃胶止水，将预制的隧道裂缝用泡沫板堵住，检查装置的防水性；将制配好的混合液体倒入模型箱中，通过最大、最小干密度指标，计算称量Dr=55%状态所需熔融石英砂的质量；采用水下砂雨法[16-17]将熔融石英砂缓慢置入液体中；分层压实，配制出隧道埋深2D(D为隧道直径)的透明砂土层；保持混合液恒定没过土层表面3 cm，以模拟饱和状态砂土在有地下水源补给情况下发生的持续性突水涌砂灾变。试验准备完毕后，迅速从模型隧道中间捅下泡沫板，灾变模拟开始。

通过激光-相机的图像采集系统，采集隧道顶部因出现裂缝导致突水涌砂灾变发生过程的各个时刻图像，如图4所示。

图4 图像采集系统Fig. 4 Image acquisition system

试验中保持相机镜片与试验模型箱目标面平行，并固定好相机位置、激光源位置和模型的位置，采集频率为4张/s，图像的分辨率为4 096×3 000，标定比例大小为8.54 px/mm，图像采用Tiff格式保存，可以较大限度地保留图像信息和节省磁盘存储空间，并且满足图像分析的需求。激光照射下的成像效果如图5所示。

图5 激光照射下的透明土隧道灾变模型Fig. 5 Transparent soil tunnel disaster model under laser irradiation

3 试验结果分析

3.1 灾变土体剪切破坏

透明土密实度越大，不均匀性越强，激光在照射时发生折射和散射的次数越多，土体越容易形成激光散斑，在灰度图中反映出来的图像较明亮。从转化的灰度图像(见图6)可以直观地发现：试验过程中，灾变前期地表土体发生明显沉陷后，灾变核心区域(短虚线与长虚线所围成的区域)发生位移的土颗粒与保持相对静止的土颗粒在激光照射下发生相对错动，呈现出较微弱的明暗分界曲线(长虚线)。隧道裂隙孔口上方的核心沉陷区颜色较暗，该部分区域的土颗粒之间发生了相对错动，砂土发生了剪切破坏。

图6 灾变过程中砂土颗粒密实度变化区域Fig. 6 Compactness variation area of sandy soil particle during disaster development

3.2 土体流动变化

对配制的透明土开展100、200、300、400 kPa压力下的固结快剪试验，当剪切速率控制为0.4 mm/min时，配制透明土的内摩擦角为29.7°，黏聚力为4.8 kPa，与现场原位砂土地层中的土体强度基本一致。

试验过程中裂隙孔口正上方的截面土体在灾变不同时刻呈现出的变化形态如图7所示。从图中可以看出： 1)从引起突水涌砂的裂隙形成(土颗粒开始发生移动)至土层颗粒相对静止，不同灾变开展时刻砂水混合物向隧道内涌入时的整体流动形态及形成的地表沉降槽形状均有所不同。2)灾变前期(0—15 s)，地表未出现明显的沉降槽，隧道裂隙开口上端及附近小范围区域的少量颗粒发生流动涌入管线内，随之上层的土颗粒失去下部支撑，逐渐向下塌陷，此时地表出现宽而浅的沉降槽，且形式逐渐发展成类似倒钟形的曲线形态。3)随着灾变的发展，沉降槽的宽度和深度逐渐增加，灾变影响范围逐渐从隧道的裂隙开口处贯通到了地表处，此时，进入了灾变中期，突水通道的形成对土体位移产生了较大影响，沉降槽形状向花托形的形状变化，裂隙开口两侧的土颗粒沿坡面向下滑落，此阶段持续时间较长，占全过程时间的50%以上。4)液体的持续冲刷使得沉降槽曲线形式再次转变成倒三角状，灾变逐渐进入结束阶段(70 s以后)，此阶段土颗粒的运移速度放缓，发生运移的土颗粒量逐渐减少，沉降槽扩展趋势减小，所有颗粒的运移方向均沿坡面指向裂隙开口；当沉降槽两侧的坡度逐渐减小至近似试验所用砂土休止角之后，裂隙两侧土颗粒不再发生位移，隧道上部两侧土体保持稳定，此时灾变结束。

(a) 0 s(b) 5 s(c) 10 s

(d) 15 s(e) 20 s(f) 25 s

(g) 30 s(h) 40 s(i) 50 s

(j) 60 s(k) 70 s(l) 80 s图7 灾变发展过程中土体变化形态Fig. 7 Soil pattern variation during disaster development

3.3 土体速度场分析

采用PIViewer软件对灾变前期土体内部速度场进行分析，第1 s瞬时时刻土颗粒竖向位移分量如图8所示。从图中可以看出，在灾变开始后，裂隙孔口上方变形核心区域呈椭圆状，这一现象与戴轩[17]天然砂土试验的研究结果一致。但与之不同的是，在本文试验中土颗粒位移变化最快的点并不在隧道裂隙处，而是在隧道裂隙正上方一定距离处。椭圆中心处的土颗粒位移速度值较大，向四周逐渐减小至0。

图8 第1 s瞬时时刻土颗粒竖向位移分量云图Fig. 8 Nephogram of vertical displacement components of soil particles at instantaneous moment of the 1st second

分析其差异原因可以发现：在实际三维地层中，由小尺寸结构裂隙引起的盾构隧道突水涌砂灾害前期，裂隙附近颗粒受土拱效应的影响，土颗粒由塌陷下落状态转变为堆积待落状态，使得涌入隧道内部的速度放缓。

图9示出了不同埋深处的土颗粒竖向位移速度曲线，可以发现：在隧道中心轴线处土颗粒位移速度最大，同一土层埋深的土颗粒，与隧道中心水平距离越远则其速度值越小。当与隧道中心的水平距离达到1.5D时，竖向速度值非线性地减小至0，即灾变前期土体位移变形的水平向影响范围为3D。在隧道施工过程中可以重点对该范围区域内的地基进行加固处理。

图9 不同埋深土颗粒竖向位移速度曲线Fig. 9 Vertical velocity curves of soil particles with different burial depths

对比突水涌砂整个灾变过程中的土颗粒位移速度，取各时刻土颗粒x和y方向的速度分量极值进行平方和后开根，获得各时刻速度场的速度极值。图10为灾变发生过程中各时刻土颗粒位移速度最大值变化曲线图。

图10 灾变发生过程中各时刻土颗粒的速度最大值变化曲线图Fig. 10 Variation curves of maximum velocity of soil particles at each moment during disaster development

由图10可知：在裂隙生成后的灾变前期，土颗粒的位移速度相对较低，但此阶段的持续时间很短。因为土颗粒整体处于一个较为密实的状态，此时上覆水头对土颗粒的渗流力作用不明显，土颗粒发生位移的原因主要是孔口附近砂土溃入裂隙，上层土颗粒失去下部支撑而向下发生位移变化。当地表出现沉降槽后，沉陷核心区域的土颗粒受到自重和渗流力的作用，位移变化速度开始逐渐加速到达顶峰，并且维持在较高的状态，最大土颗粒位移速度达到3.5 mm/s。随着灾变的发展，贯穿地表的突水通道形成，此时突水涌砂灾变逐渐转变为以突水为主的灾害。但是，由于水头保持恒定，可以认为单位时间内涌入隧道的砂水混合物体积保持不变，则土颗粒位移速度开始逐渐降低，该阶段持续的时间较长，到结束阶段土颗粒速度最大值低于0.05 mm/s，则认为土颗粒基本不再发生位移，灾变结束。

3.4 混合物组成体积分数分析

在突水涌砂灾变过程中，孔隙液体、土颗粒和模拟的承压水均从裂隙孔中流出。随着灾变的发展，不同时刻恒定水头作用下，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒与试验孔隙液体的体积分数占比有所不同，如图11所示。从图中可以看出: 随着灾变的发展，砂水混合物中土颗粒体积分数占比最初接近100%、结束时接近0。

图11 不同时刻混合物中土颗粒体积分数占比Fig. 11 Volume fraction ratio of soil particles in mixture at different moments

分析原因如下: 1)在突水涌砂灾变前期未形成贯穿的突水通道，液体流出裂隙孔口的方式只有通过渗透性较好的土层渗流进入隧道管线。在水头恒定的情况下，初始阶段单位时间内通过裂隙孔口进入隧道管线的砂水混合物中土颗粒体积分数最高，此时涌入隧道内的流体均以孔隙液体的形式跟随土颗粒涌入。2)在扩展阶段，随着沉陷区的扩展、土体密实度的降低，土颗粒位移速度快，土体渗透性变好；同时，随着沉降槽深度的不断增加，隧道裂隙灾变发生点上覆土层的厚度不断减小，土层对液体流动的阻碍作用逐渐减弱，液体在土颗粒孔隙间的流动变得更加容易。此时涌入隧道内的砂水混合物中的液体体积分数有小幅增加，当灾变发生点上方的土层厚度减小至0时，贯穿地表的水流通道形成，通道形成的瞬间大量承压水携带土颗粒突涌入隧道。3)在突水涌砂后期，通过裂隙孔口溃入隧道管线中的砂水混合物中土颗粒体积分数突降，液体体积分数逐渐增加。当漏斗状沉降槽两侧土颗粒不再发生位移时，涌入隧道的几乎完全是水，含砂量接近于0，最大程度地还原了隧道在突水涌砂后期的灾变情况。