岩溶发育区地铁车站基坑突水涌泥应急处理技术研究

黄嘉恒，张鹏飞，涂文博

（1.广州地铁集团有限公司，广州510000；2.华东交通大学土木建筑学院，南昌330013）

1 引言

岩溶地质对地铁车站基坑的设计施工及运营维护安全性具有较大影响【1】。当基坑底部下覆土层自重不足以平衡承压水头差时，地下水将冲毁土层造成突涌灾害【2】。同时，突涌水引起的地下水位下降可能会进一步引发地面塌陷或沉降，造成周边房屋开裂甚至倒塌、道路和管线的错裂破损等次生灾害。

相关学者针对岩溶发育区地铁建设溶（土）洞预处理技术做了较多的研究工作【3～6】，着重分析了溶（土）洞存在时对地铁工程建设的影响并提出了相应的溶（土）洞处理整治原则。但相比于预处理技术而言，由于岩溶发育区地铁施工过程中建（构）筑物变形控制标准的严格性及突涌水的不确定性，如何有效处理施工过程中产生的突发风险是工程师及学者更为关注的难题。黄辉【7】以广州地铁9号线为例，着重分析了岩溶地区深基坑开挖引发的地面塌陷及突涌风险，并提出了相对应的防控措施，但并未详细介绍相关处理技术的实施过程。周红波等【8】以岩溶区南京地铁3号线车站施工为例，总结了存在断层破碎带和地连墙局部嵌固深度不足引起的车站基坑坑底突涌水事故应急处理技术。王寿昌【9】则基于广西贺州市某基坑工程实例提出了防水混凝土封堵岩溶区基坑渗涌水风险的处理措施。整体而言，基坑突涌水与工程所在地质条件密切相关，而岩溶发育区基坑突水涌泥风险处理技术相关研究仍较少，处于初步认识阶段。

本文以广州某岩溶发育区地铁车站明挖基坑工程为例，详细分析该车站基坑开挖施工引发坑底突水涌泥的原因，提出基坑突水涌泥应急处理技术，并总结得出岩溶发育区基坑突水涌泥应急处理的整体思路及技术要求，为今后解决岩溶发育区地铁车站基坑突水涌泥风险提供有益参考。

2 工程概况

该地铁车站基坑开挖工程全长800m，宽×高为22.0m×20.7m，地质勘察资料显示除表层填土外，开挖土层自上而下主要为素填土、粉细砂、淤泥质粉细砂、中粗砂、淤泥质中粗砂、砾砂、粉质黏土和灰岩微风化地层。稳定水位标高为1.3～3.8m，工程范围内地下水类型主要为第四系松散层孔隙水、层状基岩裂隙水和岩溶裂隙水。

基坑明挖段底板基岩均位于灰岩灰岩上，溶洞、溶蚀沟槽发育。初步勘察钻孔34个，揭露有溶洞钻孔4个，见洞率11.76%；详细勘察钻孔54个，揭露有溶洞钻孔13个，见洞率24.07%。

基坑支护采用800mm厚地下连续墙+3道混凝土支撑+1道钢支撑支护结构，连续墙深度23～28m，入基底岩深度为2.5～5.0m，基坑剖面及土层分布如图1和图2所示。

3 基坑突水涌泥及原因分析

3.1 基坑突水涌泥概况

采用静态钻孔爆破开挖基坑底部微风化灰岩层，开挖至深度约19.5m处时，基坑中部位置出现涌水涌泥现象，涌水点位置如图2所示。初期突水涌泥部位为一宽0.2m，长1m，深度大于1.5m的破碎带，涌水量约60m3/h。约20min后，基坑西侧水位监测孔冒泡返浆2min，1h后，在基坑外侧东北方向距涌水点约50m处的施工围墙正下方出现地面下沉塌陷，2d后，站前东侧施工便道出现开裂下沉。

图1基坑剖面示意图

图2土层分布图

3.2 基坑突水涌泥原因

初步勘察与详细勘察揭露的溶（土）洞已全部按工程要求进行处理。为进一步揭示基坑突水涌泥原因，对涌水点位置附近及基坑周边进行补充勘察作业。补充勘察钻孔664个，揭露有溶洞钻孔121个，见洞率18.2%，突水涌泥段见洞率达28%。根据补充勘察结果初步总结事故可能发生原因如下。

1）灰岩不规则性：基坑底部基岩为石炭系中上统壶天群灰岩，溶（土）洞发育强烈，突水涌泥点处溶洞见洞率最高达28.07%，是导致基坑突水涌泥的直接原因。

2）溶（土）洞探明局限性：基坑连续墙“一墙两钻”溶（土）洞勘探及溶（土）洞处理过程中溶（土）洞探边存在局限性。勘察阶段连续墙“一墙两钻”勘探深度为墙底3m，墙侧范围为3m，溶洞探边深度基坑内为基底以下2m，但补充勘察反映基底以下5m与基底突水涌泥有一定联系。

3）溶（土）洞连通性及富水性难以预测：溶洞发育强烈，相应的溶蚀沟、槽及裂隙发育，地质勘察难以捕捉。在坍塌区域，钻孔揭示该处地下存在大溶洞并绕地下连续墙底发育连通至基坑。由于岩层的涌水量和透水性主要由其裂隙发育程度所控制，存在明显的不均匀性，裂隙通道发育导致局部涌水量显著增加。

4）勘察显示富水砂层直接覆盖于薄壳灰岩之上，当承压水大量涌出后，形成的水位下降漏斗是引起富水砂层沉降并进一步导致地表塌陷等次生灾害的首要原因。

4 基坑突水涌泥应急处理技术

4.1 初步应急处理技术

基底突水涌泥发生时，应立即采取应急措施控制突水量。本工程第一时间对出水点位埋设3根φ200mm PVC管标示，采取引流管导流混凝土反压，观测显示基坑每小时突涌水量基本被稳定控制。

4.2 基坑内四阶段填充式注浆

基坑外地面沉陷情况突发时由于溶（土）洞发育程度等情况未知，为防止塌陷情况进一步扩大甚至诱发其他未知风险，紧急调配地质钻机、注浆机抢险机械设备，分4阶段同步填充式注浆。第一阶段：稳定沉陷区外围未塌陷土体，进行双液注浆固结，隔断塌陷区；第二阶段：稳定塌陷区域土体，从下至上注水泥浆，以填充固结为主；第三阶段：塌陷土体基本稳定后，加密布孔注浆，在塌陷外围尽可能形成止水封闭帷幕；第四阶段：填充密实沉陷区中心松散土体，并根据补充勘察地质资料及现场钻孔注浆过程中涌水反应变化，在塌陷区及涌水点区域针对性布设溶洞封边堵截防线路，即塌陷区西侧、基坑东连续墙外侧、基坑西连续墙外侧及基坑东连续墙内侧4道截水防线。后利用地质钻机引孔，采用劈裂注浆及渗透注浆工艺，注入水泥单液浆、水玻璃-水泥双液浆和聚氨酯等不同注浆材料堵截水源，直至水逐渐变清。塌陷-涌水点区域注浆处理平面图如图3所示。

同时，布设地面沉降点、土体测斜孔、水位孔及基坑特征点进行实时监测，并对基坑周边100m范围内建筑物进行巡视，根据监测数据反馈开展信息化施工。

图3塌陷-涌水点区域注浆处理平面图

基坑外侧溶洞钻孔注浆过程中，基坑涌水间断地出现水泥浆等注浆材料，且涌水来源处水量较大，水泥浆等注浆材料被稀释流失，基坑涌水量减少近大半，涌水量统计为25m3/h。为尽快止住基坑涌水，以防未知风险，采用基坑内外溶洞钻孔注双液浆止水处理方式，钻孔24～31m处已探明基坑下溶洞沟槽等发育情况，注浆填充封堵止水。同时，为预防后期运营产生风险，该处基底下2m以下个别孔溶洞再次注浆填充处理密实。经过以上处理后，基坑涌水量随注浆量增大而显著减少，涌水维持在8～10m3/h。

4.3 基坑内垂直分层注浆

涌水点塌陷区域钻孔注浆完成后，监测显示基坑涌水量明显减少，但未停止。分析可知，其主要原因可能为注浆凝固的土体与岩层接触面不严密，且存在多个水源，溶（土）洞未完全探明。为化解后续基坑开挖冲毁混凝土反压体而再次出现突水涌泥险情，采取以涌水点为中心的垂直分层二重管无收缩双液（WSS）注浆法进行止水。垂直分层WSS注浆可防止浆液随岩溶地下水突涌流失，确保浆液填充岩溶裂隙效果，并提供由浅至深稳定盖板，隔开外界水源，同时增加基底止水注浆压力及扩散范围，达到注浆量大于涌水量的目的。

垂直分层双液注浆遵循以下原则：

1）依据前期钻孔揭示岩溶地层情况，确定平面范围、垂直深度和分层厚度；

2）依据注浆扩散半径经验数据，确定钻孔间距；

3）确定分层注浆顺序；

4）选定注浆设备、注浆材料及配比；

5）试验确定注浆压力及提升速度。

施工中采用地质钻机引孔，为高效注入双液浆及控制注浆压力，制定垂直分层注浆工艺流程图如图4所示。本次平面范围确定为以涌水点为中心，在基坑内半径4m的圆形范围实施双液注浆，垂直分层钻孔深度分别定义为基底下2m、7m和11.5m。孔口上方2m为密实混凝土回填层，在2m范围内加设孔口管及PVC塑料套管，套管孔口安装闸阀和注浆预留管，防止钻入裂隙发生喷涌，并采用早强水泥封孔埋管，套管孔口安装闸阀。注浆过程中如遇见冒浆现象及时关闭阀门，防止浆液从孔口喷涌，将浆液有效控制在处理范围内。

图4垂直分层注浆施工工艺流程图

灰岩地区浆液扩散半径为0.75m，布设梅花型等间距1.5m注浆钻孔如图5所示。在部分孔位与第四道混凝土支撑出现冲突时，做适当调整以便于现场施工，共计布置28个注浆孔。漏水点基坑内处理采取“由外向内，分层钻孔，低压慢速，逐步深入”的原则进行施工，开孔顺序由外向内，由圆周往漏水点中心依次钻孔，钻孔完成后进行注浆，分层钻孔注浆施工顺序如图6所示。

图5注浆钻孔分布

图6分层钻孔注浆施工顺序图

注浆浆液配合比选定及计算表如表1所示，试验综合选定双液浆方法进行漏水封堵，其中双液浆配比（质量比）为水∶水泥∶水玻璃（纯水玻璃）=1.67∶1∶0.54。注浆过程中必须遵循注浆量大于基坑涌水量及注浆压力大于涌水压力原则。注浆终止压力根据地下水位及压力可做调整，压力控制在约0.5MPa，恒压10min，以免压力过大引起浆液集中串浆，影响封水止水效果。

4.4 应急处理技术小结

岩溶发育区基坑突水涌泥应急处理整体思路可总结如下：判明涌水点在基坑中的具体位置；立即采取初步压堵应急处理措施，控制坑底涌水量；启动各应急小组，合理安排组成人员，展开现场处理、监测数据采集等工作；分析数据以查清出现问题的真正原因，必要时进行补充勘测涌水点周边地质情况，着重勘探溶（土）洞的分布，梳理涌水点附近基坑围护结构连续墙状况；制定针对性技术处理方案，含初步处理和后期加强处理技术方案；处理过程中对基坑进行连续监测，包含水位、变形监测等，并根据监测数据反馈及时指导施工和处理技术方案的修正。

应急处理注浆施工技术要求：

表1浆液配合比选定及计算表

1）初期涌水速度不大的情况下，应及时有效地开展反压注浆工作并控制涌水情况。注浆过程中对漏水点附近及引流管密切关注，一旦发生冒浆现象立即停止注浆并对冒浆点进行封堵处理，封堵完成后静置1～2min后重新开始注浆。

2）在施工过程中加强对浆液配比的抽查，保证浆液凝固时间满足施工要求，注浆过程中对压力进行控制，当发现压力过大时及时提管。

3）打开注浆孔邻孔，实时观察出浆、出水情况。第一层孔位注浆完毕后再进行第二层孔位注浆，逐层深入。第一层孔位注浆完毕形成盖板模式，第二层孔位可采取压密式注浆，提升注浆压力，以注浆面出现明显渗透浆液或出现隆起现象时停止注浆。

4）过水通道未完全封堵前，注浆量要根据用水通道大小以及用水速度的缓急进行估算，确保灌入的浆液量远大于涌出的流水量，使浆液最大速度地占领涌水通道。

5）施工过程中应时刻关注漏水点水量变化和水质变化，分析判断该部位岩溶地区渗水通道及处理工艺是否可行。

5 效果评价

采用双液浆封堵溶（土）洞，注浆施工完成后对已勘察溶洞进行填充检测，结果显示注浆填充段钻孔岩芯完整连续，并已经胶结固化，注浆填充段均匀性较好，强度达到设计要求。通过布设的地面沉降点、土体测斜孔、水位孔及基坑主体结构变形监测点数据反馈可知，基坑开挖工程影响范围内变形已趋于稳定，围墙和道路沉陷区域未进一步产生沉降。

后续进行二次开挖未出现突涌水问题，变形、强度等指标均满足规范要求，确定了基坑外填充式注浆及基坑内垂直分层注浆发挥的良好止水效果，侧面印证了溶（土）洞发育强烈，溶（土）洞未完全探明且溶洞裂隙绕地下连续墙底连通基坑内承压水形成过水通道是引起本次基坑坑底突水涌泥的主要原因。

6 结语

岩溶发育区基坑开挖引起的突水涌泥险情处理一直是业界难题。地铁车站建设多为城区，其建筑物密集，交通极其繁忙，施工作业需注意周边建（构）筑物的保护。若车站处于岩溶发育区，无疑增加了施工作业的难度及风险。本工程以国内某岩溶发育区车站基坑突水涌泥的事故应急治理为例，介绍了岩溶发育区基坑突水涌泥应急处理技术，总结经验如下：

1）岩溶发育区基坑开挖时，必须对溶（土）洞探明的范围、地下连续墙入岩深度和基坑开挖工程影响范围内工程地质概况3方面预控到位。

2）基坑突水涌泥开始，应尽可能摸清涌水压力、宽度及埋深，本工程通过埋设PVC管及引流管，既能获取正确出水点进行反压，又能指导后续垂直分层注浆，意义重大。

3）基坑外寻找岩溶裂隙水通道进行注浆封堵，结合基坑内垂直分层注浆填充裂隙隔断水源的联合注浆方法适用于岩溶发育区外界水通过岩溶裂隙带与开挖基坑相连通的情况。本工法对岩溶地区裂隙水的封堵效果较好，时效性及稳定性较强，可有效制止二次开挖时基坑的再次涌水现象发生，保证基坑开挖施工作业安全。