近年来, 随着国内外对地下空间资源的开发利用, 深埋穿越类隧道工程数量逐渐增多, 面临的地质条件更趋复杂和多样化, 其中, 作为关键要素的地下水, 认识其在地层中的渗流特性, 分析其影响机制, 并提出及时可行的治理措施, 在隧道设计、施工乃至运营阶段都具有重要意义。目前, 根据地下结构防水等级及结构局部防水的特殊要求, 国内规范做了针对性说明^[1], 在遵循“防、截、堵、排”及绿色施工的原则下, 对于不同地下工程, 主要采用地下帷幕止水、地面降水井排水、边沟及集水井导水和结构防水等多种工艺。

在承受地下水影响的隧道结构施工中, 由于水头势的存在, 地下水通过土体骨架孔隙从原水位线向地下洞室渗流涌出, 当地下水渗流过程中携带出地层中的细小颗粒介质时, 土体骨架原有支撑体系将受到破坏, 致使地层原有应力状态发生改变, 并出现地层沉降等病害, 从而间接影响临近既有结构的安全使用。同时地下水的大量涌入不但影响隧道施工进度, 在水底隧道施工时地层坍塌还可造成江河 (海) 水的涌入而诱发重大事故。此外, 对于隧道支护结构而言, 施工用钢格栅在水环境中极易引起锈蚀, 降低支护强度。因此, 正确认识地下水渗流机制并提出合理的治理措施, 对降低隧道施工渗透水影响, 控制地层变形至关重要。

在隧道工程中最常见的病害主要反映为突水涌砂。此类病害不仅在隧道施工中危及施工人员安全, 影响施工进度, 如处理措施不当, 还会在运营阶段出现一系列的问题: (1) 隧道衬砌结构开裂漏水; (2) 地面沉降与塌陷; (3) 周围水体污染或水资源枯竭; (4) 频繁的隧道维修等。

依据达西渗流理论, 由流体连续性方程, 地下水在饱和砂土孔隙内运移的过程满足以下拉普拉斯关系式^[2]:

式中:h为水头;k_x, k_y, k_z为沿x, y, z方向的渗透系数;n为土孔隙率。

当采用注浆法对地层进行堵水处理时, 由于浆液在土骨架颗粒间的扩散填充, 使得原有土的结构形态发生改变。忽略土骨架的压缩变形, 则注浆前后土体孔隙率为:

式中:n_w, n_s分别为水和浆液所占孔隙率;t₀为浆液由液态转化为固态所需时间。

根据式 (1) , (2) , 饱和砂土中由于地下水渗流引起的孔隙率变化 (地层损失) 与注浆率相关。当注浆率<1时为地层沉降, 反之则为隆起。同时考虑浆液在凝固前存在时变性, 浆液在地层由流态转化为固态结石体的过程 (0<t<t₀) , 表征浆液运动特征的参数k可表示为:

式中:η为浆液黏度。

Corey^[3]基于试验方法揭示了流体在多孔介质中的渗透特征, 指出渗透系数随液相饱和度的增大而增大, 呈近似指数增长关系。如图1所示为相对渗透系数与液相饱和度的关系曲线。因此, 考虑浆液的上述特性, 在控制地层涌水时, 注浆设计不失为多孔地层堵水的首选。

对于一般透水性地层, 若采用注浆法对隧道围岩进行帷幕堵水处理时, 可综合考虑地层的可注性、地下水渗透性、隧道施工工艺及周边环境等因素, 选择合理的注浆材料和浆液配合比。同时可根据场区地质水文勘探资料, 通过对隧道开挖工作面前后方地层进行分区分段注浆, 以实现绿色同步注浆的目的。诸如在地下水未影响区, 可通过掺入具有良好和易性的粉煤灰、塑化剂水玻璃以及可提高浆液可注性的脲醛树脂化学添加剂以提高浆液在土体中的填充度, 有效控制地层损失^[4];而对于地下水渗透影响区, 则通过掺入具有良好黏聚性的膨润土、无毒高分子胶结材料及水泥速凝剂, 以控制浆液在地层中的流动性, 提高快速堵水效果^[5]。其掺入量可通过浆液配合比试验确定, 并实时对注浆后的注浆效果进行检查。在砂土地层中可供选择的注浆材料及材料特性如图2、表1所示。

当隧道围岩分布为强透水性地层时, 若仅采用注浆技术, 浆液在凝固过程中极易为地下水所携带而出现冒浆, 此时, 可综合考虑地下水分布特征和隧道施工条件, 充分利用隧道内操作空间, 选择采用冻结法止水或降水井降水等工艺。

1) 冻结法

地层冻结法是采用人工制冷工艺固结不稳定松散砂土地层, 并隔断地下水的施工方法。其原理是通过将盐水、液氮等低温冷媒送入地层, 在隧道开挖周围地层内形成临时冻土带, 以抵抗地应力、隔断地下水与开挖空间之间的联系, 使其成为施工作业区的围护结构和防渗墙, 以方便工程能够安全顺利施工。该类辅助施工工法存在准备周期较长、造价偏高的缺点, 一般仅考虑在施工难度较大的局部地段采用^[6,7,8]。

2) 降水井法

利用降水井降低地下水位在基坑降水工程中最为常见, 该方法一般通过在基坑周围布置地面垂直钻井或辐射井以实现降水。对于深埋式隧道, 采用地表钻孔则存在受地表或地下既有结构影响较大的限制, 如修建城市隧道时, 需要事先探明地下管线的具体方位和运营状况后方可进行降水井施工;对于水下隧道, 除了掌握水下钻孔技术外, 仍需考虑钻穿隔水层后, 地表水向下层水汇集, 改变原有地下水环境, 甚至危及穿越工程的安全。因此, 利用隧道内已开挖导洞空间做降水设计成为一种优先考虑方案^[9,10]。其原理是通过在开挖面前方设计临时降水井提前形成一个降水坡面, 以减小开挖时出现影响施工的突水涌砂。缺点是对地层沉降控制不利, 常需要同时结合地层注浆工艺实施。

北京地铁8号线矿山法区间隧道下穿既有10号线盾构运营隧道为新建隧道施工中风险等级极高的近距离穿越工程。下穿段隧道断面开挖采用上下台阶法分部施工工艺。既有结构竖向沉降监测控制值为3.0mm^[11]。

参考文献[12]提供的地质水文资料及隧道施工过程中对沿线的地层记录与描述, 施工隧道所在地层为富水性卵石层:主要以2~6cm粒径的亚圆形砂土为主, 中粗砂充填约占35%;密实, 级配连续;孔隙比为0.48, 渗透系数为160m/d, 设计注浆加固后地层渗透系数为8.64×10^-5m/d。隧道施工影响范围内还主要分布有: (1) 粉细砂、粉质黏土层; (2) 卵石层; (3) 粉质黏土、粉土层。其中, 影响既有结构变形的地下水为卵石层内的层间潜水, 潜水位距离隧道仰拱约1.2m, 如图3所示。

根据隧道内施工情况, 由上导洞开挖至完全贯通未发现有地下水流出, 当破除下导洞与人防段连接处临时封端后, 在距离隧道仰拱约40cm掌子面位置出现大量的地下水涌出, 由于水量较大工程被迫停止, 并采用潜水泵不间断抽水。经分析, 涌水的主要原因为砂卵石密实度较高, 注浆量很难达到设计要求, 同时水流流速较大, 浆液在地层内固结困难。在考虑采取其他补救措施前, 既有线出现较大沉降, 最大位移接近警戒值2.4mm, 地下水涌水治理迫在眉睫。

根据现场涌水情况及施工工期要求, 经多方论证研究, 决定在对施工工作面前方地层加强注浆的同时, 利用已开挖上导洞临时仰拱, 通过人工挖降水井的方式实现降水排水。

降水井设计方案为:设计井数为4眼, 井径1m, 井深4m, 井间距约为7m, 呈锯齿状分布;降水深度为1m, 影响半径为36m;考虑开挖井口径较大, 为防止坍塌, 成孔过程中同步下入套筒对水位以上部分做护壁处理。1~4号井的抽水方式为:在前一眼井工作状态下进行隧道施工至设计井位, 下一眼井开始工作, 并依次循环进行直至施工结束, 抽出水量经由人防段的集水坑排出。降水井平面布置如图4所示。

注浆材料由水泥单液浆改为水泥-水玻璃双液浆。基于大井法原理, 图5给出了降水影响半径R、出水量Q随注浆土体渗透系数K (1.0×10^-4~1.0×10^-2m/d) 的变化规律。

由图5曲线分析可知, 降水影响半径和涌水量均随渗透系数的减小而减小, 呈指数衰减规律。当渗透系数K降至1m/d时, 影响半径R约为3.0m, 涌水量Q为5.0m³/d, 当K<1m/d时, R和Q降幅变化微小, 曲线逐渐趋于平缓。从而可通过优化注浆以实现对隧道内地层的局部降水和控制涌水量目的。

该方案经已穿越隧道左线实施检验发现, 降水后隧道内施工工作面无积水, 优化注浆后既有线变形控制在安全警戒线以内, 防排水效果良好。但在考虑注浆措施后, 仍需防范由于渗透水量减小而出现烧泵等情况发生。

结合在建北京地铁8号线深埋隧道施工项目, 通过对饱和砂土地层的防排水技术进行探讨, 进一步说明: (1) 地层渗透系数随液相饱和度呈指数变化规律, 即土体孔隙率越低, 地层渗透系数的降幅越显著; (2) 改良注浆浆液混合料可在一定程度上提高地层的可注性和注浆率, 增强地层的加固堵水效果; (3) 根据隧道实际施工情况及所处环境条件, 考虑安全、经济和进度要求, 选择合理可行的帷幕止水方案和降水排水措施。

除此之外, 在整个隧道施工过程中还应加强对地层和附近既有结构的变形量测, 通过地层沉降 (隆起) 或既有结构变形反馈信息, 及时调整防排水措施, 做到安全且经济施工。