临江破碎地层基坑涌水综合分析方法研究

王洪波， 张庆松， 刘人太， 李术才， 张乐文， 姜 鹏， 郑 卓

(山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)



临江破碎地层基坑涌水综合分析方法研究

王洪波， 张庆松， 刘人太， 李术才， 张乐文， 姜 鹏， 郑 卓

(山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)

岩溶破碎地层是地铁基坑水害的常见地质条件，复杂的水文地质条件是灾害频发的主要原因。以南京上元门车站为例，运用水文地质资料、地球物理探测及连通试验手段对南京上元门车站基坑岩性、岩溶裂隙发育特征及相对富水性进行深入研究。根据薄弱地层围岩及裂隙类型，可将基坑划分为4个区域，并提出针对性的治理措施，形成临江破碎地层基坑涌水综合分析方法。最后通过选择适当的注浆材料和配套工艺对临江破碎带进行综合治理，取得较好的治理效果，验证了此方法的可行性，同时实现了临江破碎地层治理的信息化施工。实践表明，该方法能有效减少注浆治理的盲目性，大大降低治理成本，保证注浆治理的效果。

地铁车站； 基坑； 岩溶破碎地层； 涌水灾害； 探查手段； 注浆治理

0 引言

随着基础设施建设的蓬勃发展，我国迎来土木工程建设高峰。地下工程建设规模大、发展快的客观事实以及地下工程严峻的安全形势决定了我国地下工程安全风险管理的必要性和紧迫性。地铁基坑工程项目的大量涌现以及规模的不断加大，使得基坑的安全风险变得越来越大。同时，基坑水文地质环境的复杂性以及不同地质富水条件的不均一性，使得基坑工程地下水控制的难度也越来越大。

鲁光银等[1]探讨了高精度地质雷达在公路隧道坍塌灾害整治效果检测中的应用情况；刘人太等[2]通过示踪试验分析方法，提出了基于水文示踪试验的数据分析结果，提出了注浆治理中注浆材料的选择依据和注浆参数的确定方法；张铁桩等[3]利用高密度电法探明了矿区地下灾害的原因、范围和深度，为地质灾害治理提供了较为详实科学的地质资料和水文地球化学方法；牛建立等[4]研究了肥城西部矿区不同含水层的水化学特征,分析其相互水力联系方式与联系程度；陈建生等[5]采用环境同位素和水化学的方法对地下水、河水和降水进行标记,判别地下水补给源和渗漏区的位置、范围以及地层性质。

目前对于地下灾害的探查基本都是采用单一的探查手段，缺少针对性的综合治理措施，远不能满足基坑工程地下水控制的要求，尤其对于复杂地层的含导水构造探查以及注浆治理精确控制的研究甚少，盲目注浆造成的工程成本增加问题突出。针对以上问题，结合南京上元门地铁基坑工程实际，通过基坑水文地质资料，先从宏观上确定临江破碎带地层的薄弱性，然后利用现场连通试验检查基坑地层的薄弱性，并得到基坑内外水力连通性和渗流路径等信息；然后采用地质雷达探测确定薄弱地层相关区域，结合钻孔资料与地质雷达探测结果进行相互验证，确定基坑薄弱地层规模及关键薄弱点，最终形成一套完整的基坑涌水综合分析方法；最后对临江破碎带采取针对性治理措施，治理工程成本不到传统方法的1/3，效果显著，可为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

南京地铁3号线工程上元门车站(原滨江路站)位于上元门，地理位置特殊，两面临山，地处山谷地区，北侧距离长江仅400 m。图1为上元门车站与长江相对位置关系。上元门车站主体基坑长度208.5 m，标准段宽度24.4 m，基坑开挖深度24～25 m。本标段主要位于长江漫滩平原区，为受长江汛期影响的易涝区。区段土层结构复杂，溶洞、围岩破碎，裂隙发育纵横交错，地下水丰富，且江水与地下水水力联系密切。地质勘探资料显示，基坑底板标高以上地层纵向上有3种岩性： 粉细砂、软塑—流塑状粉质黏土及中等风化白云岩，地基均匀性很差，工程岩体具有一定的典型性和复杂性，属于临江富水破碎地层。同时，南京—湖熟断裂、幕府山—镇江焦山断裂2条断裂带分别横向和纵向穿越基坑。总之，区域内断裂交纵、溶洞遍布、岩溶破碎和裂隙发育区错综复杂。2014年4月20日车站基坑开挖至埋深18 m处时，基坑格构柱附近及西侧出现8处泉眼状涌水，涌水量约3 000 m3/d,现场涌水情况见图2。

2 临江基坑水害探查思路

2.1 临江基坑水害探查难点

南京地铁3号线工程上元门车站由于区段土层结构复杂、地下水丰富、基坑所处位置偏僻、相关地质资料较少，导致基坑水害探查困难。其难点主要为： 1)基坑周边基础勘察数据缺失； 2)基坑涌水区域面积大，且地层软弱、成孔困难，难以大规模进行钻探； 3)区域内断层、构造、岩溶发育，地质条件极为复杂； 4)现有资料过于繁冗，亟需系统有效的分析方法整合。

图1 上元门车站位置图

图2 基坑涌水图

2.2 临江基坑水害综合探查技术路线

针对上述难点，在充分利用现有水文地质资料的基础上，开展了水文连通试验、地质雷达补充物探和钻孔取芯验证等工作，系统分析了基坑涌水的来源和通道，为后续工程治理奠定了基础。综合探查技术路线如图3所示。

图3 综合探查技术路线

3 临江基坑综合分析

3.1 临江基坑水文地质分析

基坑所在区域的溶洞、破碎带、裂隙发育分布不均匀，治理基坑水害的重点在于明确各个地层的地质情况、导水通道及其水力联系。通过对基坑水文资料的整理分析，得到如下结论：

1)地下水水源应当来源于第四系潜水层和浅层岩溶水，并表现出微承压的特征。

2)基岩主要为中风化白云岩。本标段地质构造处于扬子准地台下扬子凹陷褶皱带的次级构造——宁芜断陷盆地西北缘的江浦坳陷内。同时沿江断裂(F5)，又称幕府山—镇江焦山断裂，沿宁镇断块隆起北缘的长江河谷或长江南岸分布，其在长江南岸与本标段近似垂直相交。2个断层的存在，对基坑的地质情况影响巨大。

3)南京上元门车站距离长江近，地理位置特殊，风化白云岩岩溶裂隙发育，多见溶孔，溶洞及蜂窝状、网格状溶蚀现象，且具有严重的不均一性，极易形成含导水体。

4)地下水径流通道，可能为F5断裂的次生构造，或者为连续的岩溶含导水空间。

3.2 现场连通试验及结果分析

连通试验是查明含水体水力联系最直接的方法。分析连通试验的相关数据，可以获得更多的有效信息。为此，在基坑处开展了连通试验[2，6-7]，如图4所示。

在出水点附近、基坑周围两边，每间隔3 m钻1个孔，钻孔深度为35 m，钻孔数量为16个,钻孔布置具体位置见图4。通过这些钻孔进行示踪剂的投放，选用高锰酸钾作为示踪剂。将高锰酸钾配制成一定浓度的溶液，然后采用注浆泵通过各个钻孔将高锰酸钾压入导水裂隙，泵送高锰酸钾溶液的时间为2 min；示踪剂投放之后，观察涌水点水的颜色变化，并在涌水点每隔1 min进行1次取样，确保第一时间测得高锰酸钾的扩散情况，同时保证示踪剂浓度分析的准确性。具体试验结果如表1所示。

图4 连通试验(单位： mm)

孔号出水点距离/mm开始连通时间/min持续时间/min4287136.6524703.355.65640263.64.6

试验结束后采用光谱分析法对采集样本的示踪剂浓度进行测定。首先配制已知高锰酸钾浓度的标准溶液，并测定其浓度与吸光度的关系曲线，曲线拟合度为0.998 8，如图5所示； 然后对样本进行光谱扫描，将样本光谱数据与标准溶液光谱曲线进行对照，以确定样本溶液的高锰酸钾浓度； 数据整理后得到接收点高锰酸钾溶液浓度与时间的关系曲线，如图6所示。

图5 标准溶液浓度与吸光度的关系曲线

Fig. 5 Curve of relationship between concentration and spectrum of standard solution

图6 溶液浓度-时间曲线图

根据涌水点接收的样本浓度测试结果，4、5、6号孔出现高锰酸钾，且从注入到第1次接收到高锰酸钾的时间较短，为3～3.5 min。由连通试验可以说明，涌水点西侧附近存在含导水构造，是基坑水力来源的主要通道。根据示踪试验理论，连通试验浓度-时间曲线只有1个峰值，可以推断投放点和接收点之间连通性相对较好，径流路径比较简单且较短。通过连通试验结果确定的基坑涌水水力来源，可划定基坑补给径流带，确定水力来源方向，同时为下一步地质雷达探测[8]缩小范围。

3.3 物探及钻探现场试验

连通试验完成后，为查明基坑内部的富水区域，采用天线频率为 100 MHz的SIR3000 型地质雷达在涌水点附近探测，探测深度为14 m，测线共6条(测线1、2、3、4、5、6)，测线4和测线5的探测结果见图7。

(a) 测线4

(b) 测线5

由雷达探测结果可知： 涌水点所在区域附近反射强烈，反射主频率最低；测线1和测线2中间位置反射主频率稍次之；测线3和测线4上侧反射主频率再次之；测线4下侧裂隙界面较为清晰，反射频率较低。结合现场地质状况以及相关地质资料对基坑涌水区域进行划分，暂划分为a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎带以及d基岩裂隙区4个区域，具体划分如图8所示。

图8 基坑涌水区域分区图

根据前面的水文地质分析以及地质雷达探测结果，在图8中的4个区域分别钻孔进行钻探取样,取样结果如图9所示。

(a) 溶洞内的粉质黏土充填岩样

(b) 溶洞内无充填岩样

(c) 破碎带岩样

(d) 基岩裂隙岩样

取样分析如下：

1)a处钻孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直径约1 m，最小溶洞直径约0.1 m。从钻进情况来看，施工过程中基本不掉钻，或有轻微漏浆，充填物为可塑状的灰黄色粉质黏土。但溶洞上下表面有较厚的溶蚀带，其岩芯呈碎块状，裂隙发育，是基岩裂隙水连通的通道，钻进中一般都在溶蚀带中漏浆、卡钻，称为充填溶洞带。

2)在涌水点附近的b处钻孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直径约2 m，最小溶洞直径约0.2 m。由于涌水的存在，充填物被冲出，基本没有残留，取芯极为困难，故称为富水溶洞带。

3)c处钻孔主要是破碎成粗砂状的破碎白云岩，岩性为白云岩，呈粗砂或砾砂状(局部呈碎块状)，透水性较好，称为破碎带。

4)d处钻孔有大量的裂隙，利用模糊信息分配法[9]统计得出该处的裂隙密度为3条/m，裂隙极为发育，同时地下水通道密集，一旦揭露，必然成为下一个涌水点，称为基岩裂隙区。

通过对4个区域分别取芯钻探，绘制了钻孔横向剖面图(见图10)，并验证了地质雷达探测划分区域的正确性。根据钻探结果得知，a区域为黏土充填溶洞，不能形成过水通道，对基坑危害甚小，综合考虑各个因素，决定不予治理。

图10 钻孔横向剖面图

Fig. 10 Horizontal cross-section of geological conditions explored by bore-hole drilling

3.4 临江破碎带综合分析

根据车站的地质分析以及地质雷达的探测结果，初步确定了临江破碎地层的规模，并将基坑划分为充填溶洞、富水溶洞、破碎带以及基岩裂隙区4个区域。通过连通试验发现，基坑靠近出水点侧存在含导水构造，与基坑内水力联系密切。通过钻探分析验证了物探结果以及分区的正确性，并明确了各个薄弱地层的具体位置。

总体看来，本段岩层地质情况较为复杂，岩溶破碎带复杂交错，地下含水层水量丰富，白云岩属可溶性岩，风化后导水能力强，导致地下水沿溶洞及风化白云岩软弱带流出； 而地下水破碎带和岩溶发育是构成帷幕基坑内外水力联系的主要原因，同时基岩裂隙也是小的水力通道，故需要治理的区域分别为富水溶洞、破碎带以及基岩裂隙区。

4 临江破碎带综合治理建议与效益

针对临江破碎地层注浆改造工程，为确保基坑全寿命安全施工，制定了相应的注浆治理方案。

由于注浆工程具有隐蔽性以及含水层地质条件具有复杂性等特点，根据注浆改造深度判定依据、注浆设计原则、注浆过程控制标准及注浆效果检验等多方面进行综合治理，提出了“物探划定，钻探验证；循序渐进，分区治理；减少盲目，科学合理”的理念。

根据临江破碎地层综合分析得出的a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎带以及d基岩裂隙区，为避免直接封堵涌水点导致基坑全面涌水，采取以涌水点为基准先远后近的加固原则，即先加固涌水点周围，后封堵涌水点，加固顺序为c—d—a—b。

由于上层仍有第四系黏土层，所以全部采用膜袋注浆工艺[10]，既能合理的隔断第四系黏土层，又能为注浆起压提供基础，保证注浆效果。对于a区充填溶洞区，由于充填物为黏土，不具有导水性，对地层危害甚微，综合考虑不予加固； 对b区富水溶洞区，对其主要涌水点进行封堵，首先沿基坑边缘设置一排钻孔，封堵水力来源，采用刘人太等[11-12]研究的GT-1新型速凝类动水注浆材料进行直接封堵，然后采用水泥单液直接填充溶洞； 对于c区破碎带，先采用水泥浆单液渗透，后采用水泥-水玻璃双液注浆封堵； 对于d区裂隙发育区，直接采用水泥-水玻璃双液注浆加固[13-15]。传统注浆设计和综合分析钻孔设计方法如图11所示。

(a) 传统钻孔设计方法

(b) 综合分析钻孔设计方法

Fig. 11 Comparison between conventional bore-hole drilling design method and comprehensive analysis method

根据比较可知，通过对临江破碎地层注浆加固综合分析方法进行的治理方案设计，能明确各个地层的地质情况，对于基坑的软弱地层、涌水点的封堵更加具有针对性，可避免注浆的盲目性。同时，通过采用该方法进行的地铁基坑注浆治理，完全封堵了基坑8处泉眼状涌水，并无二次水害发生，取得了良好的效果，验证了临江破碎带综合分析方法的可靠性,现场实际开挖如图12所示。采用该方法后钻孔数量由132个减少为36个；单孔平均注浆量按3 t计算，注浆量由396 t减少为108 t； 每天注浆孔数按照5孔计算，工期由26.4 d减少为7.2 d；工程成本不到传统方法的1/3。这些数据充分说明了临江破碎地层治理的信息化施工的科学性,即通过水文地质分析、地质雷达探测、现场连通试验和钻孔资料分析有机结合的信息化施工,取得了良好的经济效益。

图12 现场开挖

5 结论与讨论

1)通过原始基坑资料中的水文地质信息可以宏观确定临江破碎带地层的薄弱性，而现场连通试验是验证基坑地层薄弱性最直接的方法，同时通过现场连通试验可得到基坑内外水力连通性和渗流路径等关键信息。

2)根据地质雷达探测和水文地质资料确定的不同薄弱地层，对确定不同地层划分具有重大的指导意义。

3)临江岩溶破碎地层的水文地质条件极为复杂，基坑内涌水点涌水压力和涌水量分布极不均一，采用钻孔资料和地质雷达探测相互验证的方法确定基坑薄弱地层规模及关键薄弱点十分必要。

4)基于水文地质分析、地质雷达探测、现场连通试验和钻孔资料分析多种方法有机结合的临江破碎带综合分析方法，能够对破碎带水源及水力通道做出较为准确和可靠的评价，为注浆治理提供科学依据，能有效减少注浆的盲目性，节约治理成本，保证注浆治理效果。

5)根据地质雷达探测确定不同薄弱地层的精度，以及针对基坑开挖造成的基坑侧壁变形，有待进一步研究。

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Study of Comprehensive Analysis Method of Water Gushing of Foundation Pit Near River in Fractured Ground

WANG Hongbo, ZHANG Qingsong, LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Lewen, JIANG Peng, ZHENG Zhuo
(GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China)

The karst and fractured ground are common geological conditions during construction of foundation pit of Metro; and the complex hydrogeological environment is the main cause of disasters. The lithology, characteristics of karst fracture and relative water content of foundation pit of Shangyuanmen Metro Station in Nanjing are studied by analysis of hydrogeological data, geophysical exploration and connectivity test method. The foundation pit can be divided into 4 areas according to the types of surrounding rocks and fractures; and then relevant countermeasures are proposed. Good effects have been achieved by selecting proper grouting materials and construction technology. The practice shows that the comprehensive analysis method of water gushing of foundation pit near river in fractured ground used in case study is feasible and rational, so as to reduce the cost and achieve good effects.

Metro station; foundation pit; karst and fractured ground; water gushing; detection method; grouting treatment

2016-07-21;

2017-03-31

国家自然科学基金(41272385)； 山东大学基本科研业务费资助项目(2015YQ002)

王洪波(1990—)，男，山东诸城人，山东大学防灾减灾工程及防护工程专业在读博士，研究方向为地下工程防灾减灾及防护。E-mail： hongbo_wangsdu@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.011

U 455

A

1672-741X(2017)04-0455-07