廣州地鐵巖溶地段工程建設風險探討

曾建軍

(廣州中咨城軌工程咨詢有限公司，510030，廣州∥高級工程師)

廣州地區存在較多的石灰巖地層，分布范圍較廣，巖溶地質比較普遍。在巖溶地區進行地鐵工程建設，有的巖溶位于隧道底部，充填物松軟且深，隧道基底難于處理;有的溶洞巖質破碎、巖體頂板薄、容易引起坍塌、沉陷;有的充滿水囊和暗河，盾構掘進施工時會引起巖溶水和泥沙大量涌入隧道，產生涌水、突水工程事故。在廣州因巖溶引起的工程問題也較多，有的整臺施工機械沉陷，有的豎井被淹，更多的是要對巖溶處理后期投入大量的財物和人力。目前在建的地鐵線路均遇到了巖溶問題，如何處理巖溶對于地鐵建設具有重要意義，關系到地鐵建設的成敗。

1 巖溶地質對廣州地鐵工程建設的影響

1.1 2號線北延伸段巖溶地質對地鐵建設的影響

2號線北延段下伏二迭系棲霞組炭質灰巖和石炭系壺天群石灰巖地層，巖溶發育強烈。現有的鉆探資料顯示，三元里——嘉禾段均已發現一層或多層溶洞，容易產生巖溶塌陷地質災害，對土建施工危害很大。

基巖頂面的溶蝕現象表現為溶溝和溶斗。基巖頂面標高 －3.96 ～ －19.48 m，平均為 －11.3 m。淺部基巖(高程－20m之上)存在較多洞高0.2～2 m的小型溶洞。這些小型溶洞均無充填物，延伸不大(小于1 m)。鉆探揭示，基巖溶蝕縫、蜂窩狀溶蝕等溶蝕現象非常發育，溶蝕縫寬2～8 cm，部分未充填。深部基巖(高程－20 m以下)，會存在規模較大的大型溶洞。大的溶洞洞高6.5 m(MBZ2－N010B地下 19.5 m)到 14 m(MBZ2－N045B 鉆孔，地下 26 m)，有些溶洞平面上延伸7m至30m，在更深處可能互相連通。不少鉆孔穿越多層溶洞如 MBZ3－32－14、MBZ2－N012B、MBZ2－N016B、MBZ2－N018B、MBZ2－N021B 、MBZ2－N022B 、MBZ2－N025B、MBZ2－N036B、MBZ2－N037B、MBZ2－N045B、MBZ2－N049B、MBZ2－N055B、MBZ2－N016B 等，個別達到 5 層 (MBZ2－N113B)。其中陳田村站、上林鎮車站兩側范圍由鉆孔發現的溶洞較密集。北延段區域發現的最淺的溶洞為鉆孔 MBZ2－N055B，在地面下 11.97 m，屬新市——江夏區間。北延段區間基巖很大，有些地段存在破碎帶，或為地層〈5〉〈6〉層與其它地層分界處，地下水豐富，流通性好，可能成為巖溶地下水通道，對巖溶處理影響較大。

與巖溶伴生的土洞對地鐵建設影響也較大。土洞的形成是土、巖溶與水的活動相互作用的結果，多發育于黏性土中，土洞發育區必然是巖溶發育區。勘察報告揭示，在巖面附近多發現土洞，土建施工過程中地下水變化時其極易坍塌，同時，土洞受周邊工程活動的影響較大，可在短時間內發展并擴大，對運營后隧道的行車安全構成影響。

1.2 5號線巖溶地質對地鐵建設的影響

5號線廣州火車站——小北站區間、草暖公園站——淘金站區間為石灰巖分布段，廣從斷裂與線路近垂直相交，斷裂的兩側巖溶發育。在石灰巖分布范圍內，已有多個鉆孔揭示到溶洞。溶洞高0.22～12.30 m，層數一般為 2～7層，最多達 12層(MEZ3－GX－25a號鉆孔)，巖溶形態復雜且發育極不均勻，最淺的溶洞頂板標高為5.35 m，最深的為－28.60 m，溶洞變化較大，對工程施工有重大不良影響。本段區間采用盾構法施工，工程處理的主要措施是在地面進行加固和填充。

溶蝕形跡以溶洞為主，隙、孔為輔。在平面上溶洞成串狀，較集中地分布于C03孔～C35孔以西地段和C08孔～D22孔以東地段。巖溶形跡的密度和規模在垂向上也有差別，從高程 －1 m至高程－14 m，呈現溶洞密度加大和洞穴規模變大。溶洞斷面多橢圓狀、傾斜狀，洞徑多1.5～3 m，部分地段呈不規則廳堂狀。其中A02～B25孔對間、C17～B17～C33孔三角地段、D25孔北側等有廳堂狀溶洞，洞跨可達3～6 m，最大8 m;垂高可達4～8 m，局部垂高17 m。隧道穿越石炭系灰巖地層，巖溶較發育，部分溶洞位于隧道空間范圍內。在采用盾構施工時，一旦揭穿溶洞，有可能造成突水、突泥及盾構機陷落等工程事故，對盾構施工影響較大;若隧道溶洞涌水(或突水)而得不到有效處理，將直接導致第四系孔隙水位下降，從而影響周邊建筑物安全，嚴重時會造成地面塌陷。

1.3 6號線巖溶地質對地鐵建設的影響

6號線大坦沙站——如意坊站區間屬巖溶發育地段，區間石炭系巖層與白堊系巖層不整合接觸帶上洞穴發育，砂巖中發育有土、石洞、灰巖中溶洞發育，范圍集中在里程YCK 5+300～YCK 5+600，詳勘揭露到洞穴的鉆孔有12個，其土、石、溶洞數據統計見表1。

表1 6號線大坦沙站至如意坊站區間溶洞數據統計一覽表

根據鉆探，在區間起點(里程YCK 5+213～YCK 5+650)存在白堊系地層與石炭系灰巖的不整合接觸面，接觸面經長期風化剝蝕，巖層膠結較差，局部夾灰巖巖溶發育，形成在紅層中的溶洞現象，因巖溶發育主要位于隧道底部，局部離隧道底部較近，巖溶對隧道施工造成重大影響。

2 應對措施

2.1 巖溶地區勘察與物探

2.1.1 5號線巖溶問題的地質物探案例

5號線工程廣州火車站至小北區亞哥花園段(DK7+982～DK8+041)進行了跨孔電磁波法(簡稱跨孔CT法)探測工作，完成了與隧道交角約70°角的22條CT剖面的探測，另外在異常復雜地段又增加了5條剖面，共計完成27條CT剖面的探測，基本查明了CT剖面上巖溶等不良地質現象的分布情況。

跨孔電磁波透視法又稱陰影法，也稱CT法。它以電磁波直線傳播理論為基礎，在一個鉆孔中由電磁波發射無線電，向地層中幅射固定的高頻電磁波，在另一個鉆孔中接收，如圖1所示。通過對接收到的經衰減后的剩余信號進行信息處理和綜合分析，即可圈定CT鉆孔間軟土、土洞、溶洞、溶隙、破碎巖、斷層等不良地質現象的空間展布位置。

圖1 CT法原理圖

CT現場采集數據的回放或傳輸，CT數據處理與物探異常解釋采用“跨孔電磁波法數據處理解釋工作站”軟件完成。CT異常的解釋方法采用視吸收系數剖面法。視吸收系數的代數重現采用ARTM1方法。

圖2為地鐵隧道頂面以上3.0 m、地鐵軌道及其以下3.0 m三個水平切面上CT異常解釋成果空間效果圖。

圖2 5號線DK7+928～DK8+041區間CT異常區切片空間效果圖

采用跨孔電磁波透視對隱伏巖溶進行探測，彌補了勘探鉆孔網點少的不足，為設計與施工提供了分析依據。但物探異常的解釋推斷結果是數學物理模型及計算機技術與物探實測數據的迭代擬合，物探異常的解釋結果難免會存在多解性和誤差，故在利用探測結果時一定要用鉆探進一步驗證物探異常的屬性。

2.1.2 6號線詳勘巖溶及地層不整合面對工程的影響

根據鉆探，在6號線大坦砂站——如意坊站區間起點(里程YCK5+213～YCK5+650)存在白堊系地層與石炭系灰巖的不整合接觸面，接觸面經長期風化剝蝕，巖層膠結較差，局部夾灰巖巖溶發育，形成在紅層中的溶洞現象，因巖溶發育主要位于隧道底部，局部離隧道底部較近，巖溶對隧道施工造成重大影響，設計施工應考慮其影響。

鉆探結果如圖3所示。

3 6號線大坦砂——如意坊區間縱斷面鉆孔揭示的溶洞

通過采用物探與鉆探綜合勘察的措施，可以較好地探明地鐵區間的溶洞分布情況，對工程建設起到良好的指導作用，規避工程建設風險。

2.2 巖溶地段的施工措施

2.2.1 巖溶地段盾構施工措施

5號線草暖公園——淘金區間在 YDK7+903.505～YDK8+052.610 初勘和詳勘鉆孔揭露到有溶洞分布，勘察資料揭示本區域有4個較大的溶洞分布區，填充物主要為黏性土、砂和灰巖碎塊等，位置多分布隧道結構底板處。

盾構掘進遭遇巖溶采取的措施有:

(1)針對隱伏溶溝、溶槽、漏斗等地質條件，采用地質超前預報、土體注漿加固、空洞填充等措施進行控制。

(2)遇地下空穴時，盾構刀盤存在空轉的風險，必須提前探明地下空穴，及時停機。

(3)針對巖溶發育地段，需施工前查明巖溶發育情況，并在盾構施工前進行溶洞的處理，填實后再進行盾構施工。

2.2.2 明挖車站及區間風險分析

明挖車站及區間的施工風險主要在于基坑開挖和鉆孔樁施工兩方面。

2號線一期工程三元里折返線處在灰巖地區，曾發生過豎井被淹的事故:當豎井穿過第四系覆蓋層、進入白堊系與石炭系灰巖的超覆界面、離灰巖層位還有幾米時突然涌水，將整個豎井淹沒。豎井被淹的原因是:在有一定連通性的巖溶地區，巖溶水多屬承壓水，豎井開挖時，相當于對巖溶上覆土層進行卸荷，當土壓與水壓的平衡點被打破時，巖溶水就會突出，造成豎井淹沒。因此基坑開挖時遇到的主要風險是防止承壓水頂穿底板，發生突水、涌水事故。

2號線北延伸段遠景站、白云新城站、新市站、陳田村站均為淺埋車站，基坑開挖深度約為11～13 m，地下一層車站，開挖面距離巖溶頂板有一定的距離。但車站均有局部橫通道下穿軌道處，深度約15～16 m。從勘察資料看，陳田村站、上林鎮站巖層面高，車站范圍內發育的溶洞較多，且巖層附近發育土洞可能性大。因此，陳田村站、上林鎮站基坑開挖受巖溶影響較大，可能會產生基坑開挖突水、基坑塌陷、土洞的發展、塌陷等風險事故。

三元里站——遠景站、遠景站——白云新城站、白云新城站——新市站、陳田村站——上林鎮站、上林鎮站——嘉禾站為明挖區間，采用樁+土釘支護方式。從勘察資料看，白云新城站——新市站區間MBZ2－N055B鉆孔在地面下11.97 m鉆探到溶洞，其它均距離結構底板有一定距離，平均約10 m左右。區間的主要施工風險在于鉆孔樁的施工，可能發生塌孔、涌水、吊鉆等事故。

北延段巖溶土洞處理設計采用了如下方法:

(1)對洞徑大于2 m的無填充溶洞和半填充溶洞，采用先吹砂處理，后注漿加固的方法;對于小于2 m的無填充溶洞和半填充溶洞，可采用注漿填充。

(2)對于全填充溶洞采用壓力注漿的方法進行填充加固，注漿壓力從低到高，間歇、反復壓漿。

對于地表水形成的土洞，地面水可采取截流、防滲、堵漏，阻斷水流進入場地。對地下水引起的土洞，應防止地表水下滲、采取挖填、灌砂、反濾層、跨越、用樁擠密等措施。

3 結語

要有效解決巖溶地質給地鐵施工帶來的風險，應從勘察設計階段入手，突出工程地質研究的地位，查明巖溶形態，注重對巖溶的發育規律的工程地質分析，對測繪和物探發現的異常地段，應選擇有代表性的部位布置驗證性鉆孔;在選擇設計方案時，應盡量采用淺埋車站及淺埋區間施工，甚至采用高架通過，以有效降低巖溶引起的風險。同時，應采用科學的施工和監測方法，在采用盾構法施工時，應盡早在地面上對溶洞進行充填加固，盾構施工中要對盾構機的阻力、姿態、水壓不斷監測，發現異常時應分析可能原因，及時對巖溶地段采取準備措施;施工中應盡可能配備具有超前地質探測的設備，掌握掘進面的地質不良情況，指導設計和施工參數選擇。在廣州地鐵的建設實踐中，通過綜合采取以上方法，在不同的階段采取適當的措施，將巖溶給地鐵建設帶來的風險及時予以解決，取得了良好的效果。目前，文中提到的各條線路均已安全高效地完成了建設任務，順利投入運營。

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