廣州地鐵巖溶地段工程建設(shè)風(fēng)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(qū)存在較多的石灰?guī)r地層，分布范圍較廣，巖溶地質(zhì)比較普遍。在巖溶地區(qū)進行地鐵工程建設(shè)，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(zhì)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(gòu)掘進施工時會引起巖溶水和泥沙大量涌入隧道，產(chǎn)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(shè)具有重要意義，關(guān)系到地鐵建設(shè)的成敗。

1 巖溶地質(zhì)對廣州地鐵工程建設(shè)的影響

1.1 2號線北延伸段巖溶地質(zhì)對地鐵建設(shè)的影響

2號線北延段下伏二迭系棲霞組炭質(zhì)灰?guī)r和石炭系壺天群石灰?guī)r地層，巖溶發(fā)育強烈。現(xiàn)有的鉆探資料顯示，三元里——嘉禾段均已發(fā)現(xiàn)一層或多層溶洞，容易產(chǎn)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，對土建施工危害很大。

基巖頂面的溶蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為溶溝和溶斗。基巖頂面標(biāo)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(xiàn)象非常發(fā)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(guī)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(zhèn)車站兩側(cè)范圍由鉆孔發(fā)現(xiàn)的溶洞較密集。北延段區(qū)域發(fā)現(xiàn)的最淺的溶洞為鉆孔 MBZ2－N055B，在地面下 11.97 m，屬新市——江夏區(qū)間。北延段區(qū)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(shè)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(jié)果，多發(fā)育于黏性土中，土洞發(fā)育區(qū)必然是巖溶發(fā)育區(qū)。勘察報告揭示，在巖面附近多發(fā)現(xiàn)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(nèi)發(fā)展并擴大，對運營后隧道的行車安全構(gòu)成影響。

1.2 5號線巖溶地質(zhì)對地鐵建設(shè)的影響

5號線廣州火車站——小北站區(qū)間、草暖公園站——淘金站區(qū)間為石灰?guī)r分布段，廣從斷裂與線路近垂直相交，斷裂的兩側(cè)巖溶發(fā)育。在石灰?guī)r分布范圍內(nèi)，已有多個鉆孔揭示到溶洞。溶洞高0.22～12.30 m，層數(shù)一般為 2～7層，最多達 12層(MEZ3－GX－25a號鉆孔)，巖溶形態(tài)復(fù)雜且發(fā)育極不均勻，最淺的溶洞頂板標(biāo)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(qū)間采用盾構(gòu)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(guī)模在垂向上也有差別，從高程 －1 m至高程－14 m，呈現(xiàn)溶洞密度加大和洞穴規(guī)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(guī)則廳堂狀。其中A02～B25孔對間、C17～B17～C33孔三角地段、D25孔北側(cè)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?guī)r地層，巖溶較發(fā)育，部分溶洞位于隧道空間范圍內(nèi)。在采用盾構(gòu)施工時，一旦揭穿溶洞，有可能造成突水、突泥及盾構(gòu)機陷落等工程事故，對盾構(gòu)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(dǎo)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(zhì)對地鐵建設(shè)的影響

6號線大坦沙站——如意坊站區(qū)間屬巖溶發(fā)育地段，區(qū)間石炭系巖層與白堊系巖層不整合接觸帶上洞穴發(fā)育，砂巖中發(fā)育有土、石洞、灰?guī)r中溶洞發(fā)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(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 6號線大坦沙站至如意坊站區(qū)間溶洞數(shù)據(jù)統(tǒng)計一覽表

根據(jù)鉆探，在區(qū)間起點(里程YCK 5+213～YCK 5+650)存在白堊系地層與石炭系灰?guī)r的不整合接觸面，接觸面經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕，巖層膠結(jié)較差，局部夾灰?guī)r巖溶發(fā)育，形成在紅層中的溶洞現(xiàn)象，因巖溶發(fā)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(yīng)對措施

2.1 巖溶地區(qū)勘察與物探

2.1.1 5號線巖溶問題的地質(zhì)物探案例

5號線工程廣州火車站至小北區(qū)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(fù)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(zhì)現(xiàn)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(chǔ)，在一個鉆孔中由電磁波發(fā)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(jīng)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(zhì)現(xiàn)象的空間展布位置。

圖1 CT法原理圖

CT現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的回放或傳輸，CT數(shù)據(jù)處理與物探異常解釋采用“跨孔電磁波法數(shù)據(jù)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(shù)剖面法。視吸收系數(shù)的代數(shù)重現(xiàn)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(qū)間CT異常區(qū)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(wǎng)點少的不足，為設(shè)計與施工提供了分析依據(jù)。但物探異常的解釋推斷結(jié)果是數(shù)學(xué)物理模型及計算機技術(shù)與物探實測數(shù)據(jù)的迭代擬合，物探異常的解釋結(jié)果難免會存在多解性和誤差，故在利用探測結(jié)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(jù)鉆探，在6號線大坦砂站——如意坊站區(qū)間起點(里程YCK5+213～YCK5+650)存在白堊系地層與石炭系灰?guī)r的不整合接觸面，接觸面經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕，巖層膠結(jié)較差，局部夾灰?guī)r巖溶發(fā)育，形成在紅層中的溶洞現(xiàn)象，因巖溶發(fā)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(shè)計施工應(yīng)考慮其影響。

鉆探結(jié)果如圖3所示。

3 6號線大坦砂——如意坊區(qū)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(qū)間的溶洞分布情況，對工程建設(shè)起到良好的指導(dǎo)作用，規(guī)避工程建設(shè)風(fēng)險。

2.2 巖溶地段的施工措施

2.2.1 巖溶地段盾構(gòu)施工措施

5號線草暖公園——淘金區(qū)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(qū)域有4個較大的溶洞分布區(qū)，填充物主要為黏性土、砂和灰?guī)r碎塊等，位置多分布隧道結(jié)構(gòu)底板處。

盾構(gòu)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(zhì)條件，采用地質(zhì)超前預(yù)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(gòu)刀盤存在空轉(zhuǎn)的風(fēng)險，必須提前探明地下空穴，及時停機。

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

2.2.2 明挖車站及區(qū)間風(fēng)險分析

明挖車站及區(qū)間的施工風(fēng)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?guī)r地區(qū)，曾發(fā)生過豎井被淹的事故:當(dāng)豎井穿過第四系覆蓋層、進入白堊系與石炭系灰?guī)r的超覆界面、離灰?guī)r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(qū)，巖溶水多屬承壓水，豎井開挖時，相當(dāng)于對巖溶上覆土層進行卸荷，當(dāng)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(fēng)險是防止承壓水頂穿底板，發(fā)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(zhèn)站巖層面高，車站范圍內(nèi)發(fā)育的溶洞較多，且?guī)r層附近發(fā)育土洞可能性大。因此，陳田村站、上林鎮(zhèn)站基坑開挖受巖溶影響較大，可能會產(chǎn)生基坑開挖突水、基坑塌陷、土洞的發(fā)展、塌陷等風(fēng)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(zhèn)站、上林鎮(zhèn)站——嘉禾站為明挖區(qū)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(qū)間MBZ2－N055B鉆孔在地面下11.97 m鉆探到溶洞，其它均距離結(jié)構(gòu)底板有一定距離，平均約10 m左右。區(qū)間的主要施工風(fēng)險在于鉆孔樁的施工，可能發(fā)生塌孔、涌水、吊鉆等事故。

北延段巖溶土洞處理設(shè)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(fù)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(yīng)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(jié)語

要有效解決巖溶地質(zhì)給地鐵施工帶來的風(fēng)險，應(yīng)從勘察設(shè)計階段入手，突出工程地質(zhì)研究的地位，查明巖溶形態(tài)，注重對巖溶的發(fā)育規(guī)律的工程地質(zhì)分析，對測繪和物探發(fā)現(xiàn)的異常地段，應(yīng)選擇有代表性的部位布置驗證性鉆孔;在選擇設(shè)計方案時，應(yīng)盡量采用淺埋車站及淺埋區(qū)間施工，甚至采用高架通過，以有效降低巖溶引起的風(fēng)險。同時，應(yīng)采用科學(xué)的施工和監(jiān)測方法，在采用盾構(gòu)法施工時，應(yīng)盡早在地面上對溶洞進行充填加固，盾構(gòu)施工中要對盾構(gòu)機的阻力、姿態(tài)、水壓不斷監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常時應(yīng)分析可能原因，及時對巖溶地段采取準備措施;施工中應(yīng)盡可能配備具有超前地質(zhì)探測的設(shè)備，掌握掘進面的地質(zhì)不良情況，指導(dǎo)設(shè)計和施工參數(shù)選擇。在廣州地鐵的建設(shè)實踐中，通過綜合采取以上方法，在不同的階段采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢r溶給地鐵建設(shè)帶來的風(fēng)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(shè)任務(wù)，順利投入運營。

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