岩溶发育区地铁穿越断裂带基坑承压水突涌应急处理技术

谭佳，涂文博，张鹏飞

（1、广州地铁集团有限公司广州510308；2、华东交通大学土木建筑学院南昌330013）

0 引言

我国岩溶地质分布广泛，随着城市轨道交通建设规模的增大，岩溶发育区的工程量及相关地质难题也显著增加。地铁线路穿越岩溶发育区且无法规避，在以往的岩溶发育区地铁线路施工中，现有研究着重探讨施工前的溶（土）洞处理技术及处理后的效果［1-3］，对岩溶发育区地铁施工过程中突发的风险问题应急处理措施则关注较少。地铁线路施工过程中承压水对车站基坑的开挖稳定有十分重要的影响，特别是在岩溶发育区，地下水分布密集，施工中穿越溶（土）洞或断裂破碎带时极易造成过水通道连通并引起坑底土体开裂，产生突水、涌砂或涌土等形式的突涌破坏，甚者引起基坑围护结构倒塌，影响基坑施工安全，造成人民生命财产的损失［4，5］。

合理处置岩溶地质引起的基坑承压水突涌风险是保障岩溶发育区地铁线路施工安全及进度的重要前提。深基坑工程承压水突涌主要由地质勘察结果不详、基坑超挖、降水措施失效、坑内封底加固质量不理想及对场地内孔洞处理不当等原因造成［6］。近年来，诸多学者对深基坑工程承压水突涌处理措施展开了相关研究。徐长节［7］结合杭州地铁线路承压水突涌实例提出了临近江海基坑工程的坑底灌浆加固方法。叶向前［8］根据杭州某基坑承压水突涌实例，总结承压水突涌事故的发生规律和抢险经验，提出了事前确保孔洞封堵质量-事中做好应急预案的预防承压水突涌措施。叶可炯等人［9］和周红波等人［10］分别采用三维渗流模型及故障树分析法提出了软土地区深基坑工程深层承压水风险防治及控制措施。蒋力［11］和戴斌等人［12］则基于杭州及上海多个基坑工程实例概括总结了承压水突涌风险处理措施。上述承压水突涌风险应急处理措施均以软土地区基坑开挖工程为背景，但针对岩溶发育区而言，溶（土）洞分布密集，地质条件更为复杂，基坑开挖引起的承压水突涌风险问题应急处理技术研究则甚少。

本文以某岩溶发育区穿越断裂破碎带的地下车站明挖基坑工程为例，分析岩溶发育区基坑断裂破碎带引起承压水突涌的原因，并针对性地总结提出断裂破碎带承压水突涌应急处理技术，为今后正确认识并解决岩溶发育区穿越断裂带地铁车站基坑开挖施工中的承压水突涌风险提供有益参考。

1 工程概况

该地铁车站基坑开挖工程全长124.1 m，范围为19.5 m（宽）×14.52 m（高），顶板埋深3 m。采用地下连续墙支护，其厚度为0.8 m。地质勘察资料显示基坑连续墙穿过杂填土层、淤泥质土层、砂层、残积可塑状黏性土层等，墙底位于中风化和微风化带砂岩、砾岩地层，基底东侧位于冲积-洪积河湖相淤泥质土层，基底中部位于残积可塑状黏性土层。基底西侧位于全风化和强风化带砂岩、砾岩地层，工程地质断面图如图1所示。车站地下水水位埋藏较浅，稳定水位埋深标高为4.67～7.80 m，地下水位年变化幅度为2.5～3.0 m。

沿基坑外围布设勘探孔，勘察结果显示基岩溶洞密集，且空间分布变化较大，钻孔揭露孔洞概况如表1所示。从表1 中可看出，本场地溶洞的洞顶埋深为22.00～39.50 m，洞顶标高为-31.70～-14.20 m，洞底埋深为23.50～40.00 m，洞底标高为-32.20～-15.70 m，洞高为0.20～1.80 m，平均洞高0.60 m。洞顶埋深大多数位于20.00～30.00 m，局部发育较深。

2 基坑承压水突涌及原因分析

2.1 承压水突涌概况

车站基坑在进行最后一段底板施工时，基坑底部出现大量承压水突涌现象，平均涌水量为150 m³/h，含砂率约0.5%，且涌水量和含砂率逐渐增加，涌水点位置如图1所示。后续观察发现承压水突涌引起车站附近建（构）筑物出现连续下陷，包括距离车站1000 m处一栋民用住房发生下陷，400 m 处一座鱼塘发生下陷及300 m处一座变压器下陷等。

2.2 承压水突涌原因

设计阶段地质勘察资料显示涌水点基坑坑底位于砂岩、砾岩地层，基底不应出现大量涌水现象。为进一步查明原因，沿基坑外侧附近开展了补充勘察工作。补充勘察共布孔26 个，钻孔编号为B1～B26，如图2 所示。钻孔显示Ⅰ分区主要为砾石，颜色较深，砂岩钙质较高，钙质胶结为主。钻孔显示Ⅱ分区主要以粉砂岩、含砾粉砾岩及构造角砾岩为主，为含粉砂粉晶结构灰岩。钻孔中均揭露有地质空洞，岩芯局部构造挤压明显且钻探过程中出现漏水现象，其中钻孔B14 及B15漏水严重，钻探泥浆水从基坑坑底冒出，表明基岩中存在连通的过水通道。依据岩芯局部构造挤压及漏水钻孔分布，推测基坑场地内发育一组次生断裂破碎带且漏水处可能存在一些与其伴生的共轭裂隙，断裂破碎段的总体走向如图2所示。钻孔显示Ⅲ分区主要为泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，局部为含砾粉砂岩，砾石较小，泥质成份较多，泥质胶结为主。

表1 钻孔揭露溶洞概况Fab.1 Overview of Karst Caves Displayed by the Borehole

图1 涌水处工程地质断面图Fig.1 Geological Section around the Gushing Water Point

图2 断裂破碎带走向示意图Fig.2 Strike of Fracture Zone

根据补充勘察结果初步总结事故可能发生原因如下：

⑴ 基坑开挖场地岩溶发育，地质及水文条件复杂，针对承压水的勘察工作不够详细，未能准确发现相邻地下水及断裂破碎带分布。基坑开挖时，断裂带裂隙同溶洞连通形成过水通道，引起突涌，涌水主要为基岩裂隙空洞水。

⑵ 基坑主体结构采用地下连续墙加内支撑支护，连续墙底部虽进入强、中风化岩层，能有效阻隔潜水，但根据勘察资料显示，溶洞发育较深地段连续墙嵌入深度不够，未达到很好的截水帷幕作用，无法隔断基坑内外承压水水力联系，且涌水点附近残积层局部缺失，基岩裂隙同砂层直接接触并形成地下水通道，地下水可能从基坑内薄弱部位涌出。

⑶ 除了断裂带引起的过水通道外，可能仍存在未探明的溶洞或前期各种人为因素留下的未严格封堵孔洞，此溶洞成为承压水与地下含水层的水力联系通道。当基坑开挖到一定深度后，不排除局部地下承压水沿连通的地下孔洞涌入基坑，增加涌水量。

⑶ 由于承压水大量涌出，易形成水位下降漏斗，漏斗范围内应力重分布可能进一步伴随溶（土）洞的失稳及土颗粒流失，从而引起地面沉降或塌陷，造成周边房屋开裂及道路管线错裂破损等次生灾害。

3 承压水突涌应急处理技术

3.1 临时抢险方案

事故发生后现场立即采取应急处理措施，第一时间对集水坑插管封闭，基坑外侧塌陷处回填碎石及混凝土，清除坑底土体，加厚底板下混凝土垫层并布置钢筋网片防止底板开裂。另外，在涌水点底板处进行素混凝土浇注，接排水管封闭集水坑。但由于承压水压力较大，强制封堵未达到预期效果，承压水涌水量并未得到有效控制。此时，根据处理效果立即变更处理措施，暂不封堵过水通道，采取基坑内快速蓄水措施形成基坑内外水压平衡，堵住基底涌水涌沙，并对基坑及周边建筑物加密监测，随时关注地面变形发展。

3.2 突涌水风险处理方案

承压水是影响岩溶发育区基坑开挖安全的一个重要因素。承压水作用下基坑坑底抗突涌稳定性验算应满足式⑴［13］的要求。

式中：γ为承压水含水层顶面至坑底土层的天然重度；hw为承压水的压力水头；γw为水的重度；D为承压水含水层顶面至坑底的厚度；Kh为突涌稳定安全系数，一般Kh≥1.1。

基于式⑴可知，基坑抗突涌稳定主要与承压水水头及坑底土体特性密切相关。预防治理基坑承压水突涌风险可从隔断承压水、降低承压水位和基坑坑底加固出发。为尽快解决基坑突涌险情，通过比较研究，采用了设置隔水层及综合注浆的措施对断裂破碎带承压水突涌问题进行处理。

3.2.1 设置隔水层

在车站基坑外围设置垂直止水帷幕，阻止基坑侧壁及基坑底部地下水的涌入。止水帷幕由一排旋喷桩止水帷幕组成，单管旋喷桩为φ500@300，内排注浆孔间距为600 mm，隔水层设置如图3 所示。同时，对基坑内涌水点底部岩层进行灌浆，填充并固结基底以下8.0～10.0 m 范围内破碎带岩层，形成稳定的隔水层，消除基底涌水。

图3 隔水层设置示意图Fig.3 The Layout of Waterproof Curtain

3.2.2 综合注浆施工

设置隔水层后，采用以袖阀管注浆为主，其它静压填充注浆为辅的综合注浆方法加固坑底。断裂破碎带承压水综合注浆处理方案如图4所示。

图4 综合注浆处理Fig.4 Treatment by the Comprehensive Grouting Method

基坑外注浆采用梅花形布孔，沿平行于基坑外边缘方向布置3排注聚氨酯浆孔，并于标高16.9～35.0 m范围内从上到下分层灌浆，切断基坑外围一定范围内砂层与断裂破碎带相连的涌水通道及断裂破碎带一定深度范围内向基坑内的涌水通道。待基坑外注浆孔完成后对坑内进行抽水试验，判断涌水通道封堵情况。基坑内采用以单液浆或双液浆的满布注浆孔对涌水点进行封堵施工，梅花形布孔，间距1.5 m。基坑内外注浆孔平面布置如图5所示，阴影区为注浆加固范围。

图5 基坑注浆孔平面布置图Fig.5 The Layout of the Grouting Hole of Foundation Pit

为提高注浆效率及注浆质量，对注浆范围进行平面分区，且各区内钻孔和注浆进行平面分序和垂直分层。垂直分层注浆段施工顺序如图6 所示，注浆深度为地面以下16.9～35.0 m 范围，竖向长度为18.1 m，分3 段进行。为了有效控制浆液上升外溢，使浆液灌入理想位置，采用下行式注浆，即先施注最上方第1 层，再依次序灌注第2、3层，如图6中步骤①～⑥所示。下行式注浆可在第1 层范围内形成一个硬壳，使其下两层具备较高的注浆压力，充分填塞岩层中的裂隙孔洞。

图6 垂直分层注浆施工顺序示意图Fig.6 Illustration of Construction Sequence of Vertical Layered Grouting Method

水平注浆施工顺序如图7所示。为有效控制钻孔串浆，注浆段第1层先采用双液浆施注内侧Ⅰ排（靠近地下连续墙的一排），再采用双液浆施注外侧Ⅱ排，最后采用单液浆施注中间Ⅲ排；注浆段第2、3 层先采用双液浆施注外侧Ⅰ排，再采用单液浆施注中间Ⅱ排，最后采用双液浆施注内侧Ⅲ排。

图7 水平注浆施工顺序示意图Fig.7 Illustration of Construction Sequence of Horizontal Grouting Method

由于现有设备及技术手段较难准确探明断裂破碎带的走向及范围，注浆施工中浆液很可能顺断裂破碎带流动至其他未知区域，不但降低堵水效果且影响周边建筑物的安全。施工中为克服上述问题，合理控制整个注浆的范围，采用了动态引导方式灌浆，即灌浆过程中适当降低基坑内水位，利用坑内外水头差引导灌浆浆液的流动方向来控制注浆范围。

3.3 处理效果评价

注浆完成后，在基坑主体结构布置位移监测点、基坑外围布置地面沉降监测点及12 个地下水位监测孔。其中，6 个地下水位监测孔监测深层岩石裂隙水及基岩破碎带的水位变化情况，另外6 个地下水位监测孔监测砂岩及以上地层的水位变化情况。

对基坑进行抽水试验，降低基坑内蓄水水位并观察坑内外监测孔水位变化情况。第1天抽水降低基坑内水位30 cm 并观察24 h 后，发现基坑内外监测孔水位均无明显变化。然后连续3 d 每天降低基坑内水位30 cm 并进行观测，结果仍显示检测孔水位基本不变。再将每天的水位下降增加到50 cm，连续8 d，观测结果与先前一致，此时观测孔中测到的岩层水位比基坑内水位高5.2 m。为谨慎起见，之后每天抽水1～2 m 并继续观测水位，直到基坑内蓄水标高为0 m，未出现涌水情况。另外，位移监测点数据显示基坑主体结构变形得到有效控制，地表变形稳定且无进一步的沉降趋势。抽水完成后基坑内有近2 m 厚泥浆，据分析其应为注浆过程中浆液从孔洞裂隙中挤出的置换物。在涌水点及附近基底设置3 m 深探孔确认无涌水现象后，清除淤泥进行后续施工。

通过检测抽水前后基坑内水位变化、观测主体结构底板变形及基坑周围附近地表沉降等情况，确定注浆加固发挥了堵水效果，基坑内因溶洞及断裂破碎带裂隙产生的过水通道得到有效封堵，也侧面印证了断裂破碎带的存在是导致本次基坑承压水突涌风险的主要原因。

3.4 注意事项及技术要求

⑴ 基坑场地占地面积较大，场地地质条件复杂，岩溶发育，当设计阶段详细勘察孔距较大时，“一孔之见”无法准确揭示溶（土）洞空间形态和规模时应及时进行补充勘察，获取工程地质信息，为正确判断基坑承压水突涌原因提供依据。

⑵ 基坑开挖发生承压水突涌风险时，应先立即采取临时应急处理措施，控制涌水量，再进行基坑坑底加固，即“先堵漏，再注浆”，以防止过大的承压水头进一步引起基坑主体结构、支护发生变形或破坏风险。

⑶ 承压水突涌风险发生后，应及时加强对周围建（构）筑物的监测，以便发现异常并采取应急管控措施，实施信息化指导施工，进一步减少次生灾害。

4 结语

⑴ 岩溶发育区基坑开挖施工前，应进行全面勘察并加大勘察密度，创新勘察手段，尽可能准确详尽地探明溶（土）洞分布等地质情况，有效全面的勘察可为各方提供合理的施工措施及依据，进行工程预控。本次补充勘察发现断裂破碎带的存在是导致承压水突涌风险的主要原因。

⑵ 国内岩溶发育区地铁线路施工中，基坑开挖引起断裂破碎带承压水突涌尚属首次，本工程针对该风险采用先设置隔水层切断涌水通道，再进行综合注浆施工处理措施，有效封堵了溶洞及断裂破碎带形成的过水通道，消除突涌。

⑶ 基坑外侧注浆切断断裂破碎带引起的涌水通道，并结合基坑内垂直分层注浆封堵坑内涌水点的综合注浆法适用于断裂破碎带基坑内外过水通道连通问题。该施工技术可有效解决岩溶发育区穿越断裂破碎带基坑开挖过程中承压水突涌问题，保证施工安全及进度，为今后岩溶发育区基坑开挖承压水突涌风险问题提供参考。