砂土对开挖影响

                              （城市地铁隧道施工中砂土悬涌塌方机理分析）

城市地铁暗挖隧道工程在开挖过程中不可避免的会扰动地下岩土体，使其失去原有平衡状态，向新的平衡转化。在此过程中，围岩产生卸载临空面引发收敛变形。若遇到富水砂砾地层，开挖极易出现突发性涌水、涌砂，造成地面塌陷。为保证隧道施工过程中“无水”作业，通常采用降水或洞内超前预加固堵水等措施为地铁隧道工程提供良好的施工条件。但过量降水会导致隧道开挖前引起大范围的地表沉降，使施工环境造成更大破坏。同时洞内超前预加固堵水技术经常受地质条件不明确、施工技术不成熟等条件，隧道开挖无法正常进行。厦门地铁（3号线）暗挖隧道存在部分富水砂层，周边建筑物及地下管线的存在，要求必须有效控制地层变形，减小开挖风险。

1、隧道开挖饱和砂土引起的地层流动与损失机理

饱和砂土中地下开挖面处的地层损失预测是环境保护与风险控制的关键。而饱和砂土地层开挖面的不稳定特性和破坏脆性决定其在地下工程中产生的地层损失相当难于评价。在叠加往复振动条件下，位移中的砂土颗粒受到振动激励而加速运动，加剧开挖面的水土流失。而砂土拱效应又会导致地层损失的“滞后假

象”而误导工程师的判断，延误处理时机而致重大灾害。当地层深处开挖面发生较严重的砂土损失甚至已形成较大空洞时，由于砂土的拱效应或地层位移削峰效应，并不能马上反映到地表，地表监测数据难以反映。倘遇地面往复振动作用，则拱效应消失，地面会突然沉陷，如图1-2所示。饱和砂土体变形在空间和时间上的“滞后假象”及突发性特点对工程造成的后果是很严重的。

2、隧道涌水突泥掌子面坍方

事件发生原因主要有以下三个方面： 

① 地质条件差，为破碎软弱围岩，围岩松散，自稳能力差； 

② 隧道上部有1条污水管线，3条自来水管线，1条电力管线和1条燃气管

线。污水管线长期渗水，渗漏的水在空洞位置形成地下水囊，水囊下部、结构上

部的土体长期被浸泡，处于饱和流塑状态，自稳能力很差，超前小导管施工扰动

了该部土方，水囊中的水和泥沙冲破土层，突然发生坍塌； 

③  初期支护不及时。  

隧道上方的污水管线是导致事故的最重要风险源，施工过程中应提前查明污

水及自来水管线分布及渗漏水情况，提早防治。

3、富水砂层段塌方，路面坍塌

此区间富水砂层段采用水平旋喷桩超前预加固支护手段，因水平旋喷这

一新技术在施工过程中钻进角度控制方面不成熟，桩间咬合效果不好，没能形成

止水帷幕，地下水长期沿拱脚渗出，冲蚀了该地区上部土层造成流失塌陷。 

②  管井外的砾料成为外来水下渗的重要通道，较长时间内外来水携带较多

的细土颗粒流到下部卵砾层为主的承压水层中，同时也冲蚀了该地区上部土层造

成流失塌陷。

③  隧道上方长期受水果批发市场大型运输车影响，对砂土扰动较大。 

④  地层长期受地下水和车辆扰动影响，地层固结沉降形成空洞。由于路面

上是较厚混凝土路面，空洞一时无法查明，一旦混凝土路面无法承受车辆重载，

路面就会塌陷。

4、导洞滑移

5、饱和粉细砂在施工过程屮受机械、人员的施工振动、扰动，围岩冇液化现象。

6、地面沉降

为了基坑的开挖安全和方便施工,通常要进行降水处理。基坑降水使得基坑周围地下水位下降,土体有效应力增大发生地面沉降。基坑开挖卸荷则引起坑底土体产生向上的位移,同时也引起围护墙在两侧的土压力作用下而产生的水平位移,坑底土体的隆起和护墙的位移均会导致一定半径内土体的沉降。

砂性土地基超深基坑支护的关键问题（砂性土地基超深基坑支护技术研究）

（杭州承压水地基深基坑降压关键技术及环境效应研究）

高层建筑、地铁工程等随着城市建设的发展大量涌现，使得超深基坑大量出现，因此承压水对基坑工程的影响凸显。深基坑工程中，地下水的控制处理是关键，遇到砂性土地基中赋存的承压水层，地下水的

控制处理影响因素多而复杂，更需要认真对待。充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水，叫做承压水。承压含水层上部的隔水层（弱透水层）称作隔水顶板，下部的隔水层（弱透水层）称作隔水底板。隔水顶底板之间的距离为承压含水层厚度。随着基坑深度的增加，基坑底板即隔水顶板的厚度越来越小，当隔水层厚度小于一定数值时，其自重不足以抵挡承压水水头时会产生突涌；或者，基坑内潜水的疏干使得隔水层和承压层间存在向上越流，当水力坡度大于一定数值时，可能出现管涌。为表述简单，本文将这种基坑底部和承压层顶部距离较小，承压水已显著影响基坑稳定的称为承压水地基基坑。

一、承压水问题

承压水控制对于砂性土地基超深基坑是个必须引起重视的问题，超深基坑开挖深度往往能达到几十米，杭州地区砂性土地基下卧承压含水层含水量丰富，承压水头高，通常基坑开挖时承压水压力会大于上覆层自重，容易发生基坑突涌。基坑突涌具有突发性质，会导致基坑的围护结构严重损坏或者倒塌、坑外会产生大面积地面沉陷、对周边建（构）筑物以及地下管道造成破坏，甚至造成施工人员伤亡。同时承压水降水引起的基坑周围地表沉降也会影响同围各种建（构）筑物的正常使用。

对于砂性土地基超深基坑来说，下卧的承压水含水层容易引起基坑坑底突涌破坏，目前常用的控制方法主要有三种：阻隔法、减压法、封底法。但是阻隔法只是适用于相对较浅基坑，对于承压水含水层埋深较深的超深基坑来说，现有的施工工艺很难保证对于内外承压水的隔断；而封底法一般是对基坑坑底土层进行加固提高土体自身强度和抗剪强度，但往往造价较高，也是不合时宜的；所以目前较为普遍的承压水处理措施是减压法与其他两种方法的联合应用，减压法主要是通过降水丼降低承压水头，防止基坑坑底发生突涌事故，但是随着承压水头的降低，土体单元有效应力增加产生固结沉降，会引起基坑周围地表的不均匀沉降等环境问题。

二、承压水基坑抗突涌措施

1.降水降低承压水的顶托压力

采用深井降水，直接抽水降低承压水水头至满足基坑抗突涌安全要求。

2.防渗帷幕消除承压水的顶托压力

采用连续墙、高压旋喷桩等构成的止水帷幕，竖向隔断承压含水层，将承压水对基坑底部不透水层的垂直顶托力转为对止水帷幕的水平压力。

3.增加基坑底部不透水层土体的重度或强度

对基坑底部不透水层的土体进行注架、旋喷，增加土体的重度或抗剪强度，从而抵抗承压水的顶托力。

4.基坑注水平衡承压水的顶托力，水下开挖，水中封底

当基坑开挖至受承压水突涌影响的深度时，往基坑中注水平衡承压水的顶托力，然后水下开挖土方至坑底，烧筑封底混凝土与事先打入的坑底抗拔桩连接，抽干基坑中的积水，施工主体结构。

三、降压引起的环境效应

降压引起上覆土沉降

当对承压含水层采取降水减压措施时，会使承压层和上覆土层发生变形，导致地面发生沉降。承压水降水时水头降低，承压含水层内依然饱水，因此与潜水降水引起的沉降变形不同。

实际施工过程中，支护结构完成后，基坑分层开挖，当开挖至一定深度，基坑底板厚度不足以抵抗承压水头时，开启抽水丼降压。此时，由于承压水头降低，会导致承压水上覆土层发生沉降变形。

越流引起的上覆层沉降

基坑降水期内，由于承压层水头降低，在上覆层和承压层间形成了水头差，上覆层中的水在水头差的作用下发生向下的渗流，引起上覆层的固结沉降。

降压引起的承压层沉降

承压含水层一般为砂性土或球类土，渗透系数大，变形可在短时间内完成。

对应的砂土工程问题从土性上分析主要集中三类：管涌问题、变形问题（高压固结与渗透系数、蠕变问题）、边坡稳定、液化问题

1、管涌与渗透系数（无黏性土管涌出砂与渗透性非均匀发展试验研究）

由于经济的发展,高层和超高层建筑越来越多,相应的基坑等地下工程越来越深。在基坑支护的同时,常常需要降低基坑内的水头,使得基坑内外水头相差很大,人为地增加了产生渗透变形的可能性。长期以来,基坑隆起、流土破坏由于发生的次数较多己经引起广泛的重视,另外,管涌发生的可能性也越来越多的引起大家的重视，因此管涌的机理与预防研究就显得更加紧迫。

管涌研究方向：无黏性土管涌出砂及流量研究

1、管涌发生后涌砂及流量的研究（无黏性土管涌出砂及流量研究）

    对管涌破坏开始的条件及其破坏后通道贯通的后果了解较多，然而，因其破坏及发展机制的复杂性，对于管涌发生后涌砂及流量的研究并不深入。通过自行设计的室内模型，改变上覆黏土的厚度对 3 组土性相同的无黏性土试样进行试验。对测压管水头、通道范围、涌砂量和流量等进行对比分析，研究孔隙率、渗透系数以及流量的变化规律，发现涌砂随时间变化满足非线性关系——Boltzmann 模型。最后，利用渗透系数与孔隙率以及孔隙率与累计涌砂量的关系，推导并验证了流量随时间变化的理式。

2、小比尺细观模型试验研究（基于散体介质理论的砂土管涌机制研究）

    利用基于散体介质理论的颗粒流方法，考虑流固耦合作用，对砂土管涌的发生

发展过程进行模拟。模拟方案跟踪记录管涌发展过程中砂样的孔隙率、流速、颗粒接触数、移动轨迹和流失量等参量的动态变化过程。分析结果表明：管涌发展过程中，随着水头增加，颗粒逐渐流失，砂样孔隙率增大，透水性能发生变化，进而影响系统的流速和水头的反应，揭示管涌发展过程中系统几何特性和水力特性的非线性动态变化过程和相互影响特性；颗粒流失量沿渗流方向呈逐渐减小趋势，管涌发展过程中颗粒移动轨迹随机，渗漏通道形成也具随机性，是复杂水土相互作用的结果。颗粒间接触数的剧烈波动揭示管涌发展过程中细颗粒运动剧烈，与粗骨架颗粒进行不断碰撞、分开，而颗粒的流失基本上不影响整个土体的应力场。

3、从微观和细观方面研究管涌发生时地层中土颗粒运动的规律

将先进的数码摄像可视化跟踪技术和数字图像处理技术引入管涌的室内模型试验,摄录土颗粒的移动轨迹,确定形成管涌的临界参数和识别分析管涌过程中管涌通道形成的机理。在室内试验的基础上,基于散体介质颗粒流理论及其分析方法等细观力学手段,分析渗流与土介质的共同作用机理,深入研究管涌现象形成以及发展过程的细观力学机理。利用并开发和计算软件,对管涌现象形成与发展过程中土颗粒的移动规律以及水流在土体孔隙中的过程进行细观仿真模拟。并结合堤防工程的管涌险情实例进行分析研究,为预测和治理管涌险情提供理论支持。

4、变形（蠕变及其机理、高压固结-渗透）（西安地面沉降与砂土蠕变关系初探）

随着研究的进一步深入,人们逐渐认识到在抽水过程中,砂层的压密对地面沉降的影响是不可忽

略的。而且砂层的压密量中除包含瞬时压密量外还包含了一定比例的蠕变量。虽然砂土的压缩性和蠕变性较之粘性土要小很多,但是由于发生沉降的地层常常是整个含水层。当含水层厚度较大时,且在高应力作用下,砂层的变形是导致地面沉降的一个重要的因素。进行高压渗透固结试验,得到了饱和砂土在水位降低和

升高条件下的变形曲线。可见在地面沉降过程中,随着孔隙比逐渐变小,渗透系数也相应减小。因而在长达

数十年的沉降过程中,很多水文地质参数,如导水系数、储水率等都会随着时间和渗透系数的变化而变化。利用光学显微镜和扫描电镜对砂样进行了观察和分析，根据图分析推演砂土的蠕变机理，砂土的蠕变是接触点的滑移错动和砂土颗粒破碎的共同结果，最后得到地面沉降与砂土蠕变的关系及建立蠕变本构。

5、砂土液化问题（砂土液化方向有点多，不知道写哪个方向。现在研究方向是在考虑主应力轴旋转，还有做扭剪耦合作用下共同作用，附带这方向两篇文献）

随着地下空间的开发与利用，地下结构的数量逐年增多，容易遭受地震作用的大型地下结构也越来越多，而地下结构赋存于岩土介质中，地震作用下的动态响应不同于地面结构。震害调查表明，地基土液化引起的结构破坏是震区地下结构与生命线工程等震害的主要形式。