臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法研究

王洪波， 張慶松， 劉人太， 李術才， 張樂文， 姜 鵬， 鄭 卓

(山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

?

臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法研究

王洪波， 張慶松， 劉人太， 李術才， 張樂文， 姜 鵬， 鄭 卓

(山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

巖溶破碎地層是地鐵基坑水害的常見地質條件，復雜的水文地質條件是災害頻發的主要原因。以南京上元門車站為例，運用水文地質資料、地球物理探測及連通試驗手段對南京上元門車站基坑巖性、巖溶裂隙發育特征及相對富水性進行深入研究。根據薄弱地層圍巖及裂隙類型，可將基坑劃分為4個區域，并提出針對性的治理措施，形成臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法。最后通過選擇適當的注漿材料和配套工藝對臨江破碎帶進行綜合治理，取得較好的治理效果，驗證了此方法的可行性，同時實現了臨江破碎地層治理的信息化施工。實踐表明，該方法能有效減少注漿治理的盲目性，大大降低治理成本，保證注漿治理的效果。

地鐵車站； 基坑； 巖溶破碎地層； 涌水災害； 探查手段； 注漿治理

0 引言

隨著基礎設施建設的蓬勃發展，我國迎來土木工程建設高峰。地下工程建設規模大、發展快的客觀事實以及地下工程嚴峻的安全形勢決定了我國地下工程安全風險管理的必要性和緊迫性。地鐵基坑工程項目的大量涌現以及規模的不斷加大，使得基坑的安全風險變得越來越大。同時，基坑水文地質環境的復雜性以及不同地質富水條件的不均一性，使得基坑工程地下水控制的難度也越來越大。

魯光銀等[1]探討了高精度地質雷達在公路隧道坍塌災害整治效果檢測中的應用情況；劉人太等[2]通過示蹤試驗分析方法，提出了基于水文示蹤試驗的數據分析結果，提出了注漿治理中注漿材料的選擇依據和注漿參數的確定方法；張鐵樁等[3]利用高密度電法探明了礦區地下災害的原因、范圍和深度，為地質災害治理提供了較為詳實科學的地質資料和水文地球化學方法；牛建立等[4]研究了肥城西部礦區不同含水層的水化學特征,分析其相互水力聯系方式與聯系程度；陳建生等[5]采用環境同位素和水化學的方法對地下水、河水和降水進行標記,判別地下水補給源和滲漏區的位置、范圍以及地層性質。

目前對于地下災害的探查基本都是采用單一的探查手段，缺少針對性的綜合治理措施，遠不能滿足基坑工程地下水控制的要求，尤其對于復雜地層的含導水構造探查以及注漿治理精確控制的研究甚少，盲目注漿造成的工程成本增加問題突出。針對以上問題，結合南京上元門地鐵基坑工程實際，通過基坑水文地質資料，先從宏觀上確定臨江破碎帶地層的薄弱性，然后利用現場連通試驗檢查基坑地層的薄弱性，并得到基坑內外水力連通性和滲流路徑等信息；然后采用地質雷達探測確定薄弱地層相關區域，結合鉆孔資料與地質雷達探測結果進行相互驗證，確定基坑薄弱地層規模及關鍵薄弱點，最終形成一套完整的基坑涌水綜合分析方法；最后對臨江破碎帶采取針對性治理措施，治理工程成本不到傳統方法的1/3，效果顯著，可為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

南京地鐵3號線工程上元門車站(原濱江路站)位于上元門，地理位置特殊，兩面臨山，地處山谷地區，北側距離長江僅400 m。圖1為上元門車站與長江相對位置關系。上元門車站主體基坑長度208.5 m，標準段寬度24.4 m，基坑開挖深度24～25 m。本標段主要位于長江漫灘平原區，為受長江汛期影響的易澇區。區段土層結構復雜，溶洞、圍巖破碎，裂隙發育縱橫交錯，地下水豐富，且江水與地下水水力聯系密切。地質勘探資料顯示，基坑底板標高以上地層縱向上有3種巖性： 粉細砂、軟塑—流塑狀粉質黏土及中等風化白云巖，地基均勻性很差，工程巖體具有一定的典型性和復雜性，屬于臨江富水破碎地層。同時，南京—湖熟斷裂、幕府山—鎮江焦山斷裂2條斷裂帶分別橫向和縱向穿越基坑。總之，區域內斷裂交縱、溶洞遍布、巖溶破碎和裂隙發育區錯綜復雜。2014年4月20日車站基坑開挖至埋深18 m處時，基坑格構柱附近及西側出現8處泉眼狀涌水，涌水量約3 000 m3/d,現場涌水情況見圖2。

2 臨江基坑水害探查思路

2.1 臨江基坑水害探查難點

南京地鐵3號線工程上元門車站由于區段土層結構復雜、地下水豐富、基坑所處位置偏僻、相關地質資料較少，導致基坑水害探查困難。其難點主要為： 1)基坑周邊基礎勘察數據缺失； 2)基坑涌水區域面積大，且地層軟弱、成孔困難，難以大規模進行鉆探； 3)區域內斷層、構造、巖溶發育，地質條件極為復雜； 4)現有資料過于繁冗，亟需系統有效的分析方法整合。

圖1 上元門車站位置圖

圖2 基坑涌水圖

2.2 臨江基坑水害綜合探查技術路線

針對上述難點，在充分利用現有水文地質資料的基礎上，開展了水文連通試驗、地質雷達補充物探和鉆孔取芯驗證等工作，系統分析了基坑涌水的來源和通道，為后續工程治理奠定了基礎。綜合探查技術路線如圖3所示。

圖3 綜合探查技術路線

3 臨江基坑綜合分析

3.1 臨江基坑水文地質分析

基坑所在區域的溶洞、破碎帶、裂隙發育分布不均勻，治理基坑水害的重點在于明確各個地層的地質情況、導水通道及其水力聯系。通過對基坑水文資料的整理分析，得到如下結論：

1)地下水水源應當來源于第四系潛水層和淺層巖溶水，并表現出微承壓的特征。

2)基巖主要為中風化白云巖。本標段地質構造處于揚子準地臺下揚子凹陷褶皺帶的次級構造——寧蕪斷陷盆地西北緣的江浦坳陷內。同時沿江斷裂(F5)，又稱幕府山—鎮江焦山斷裂，沿寧鎮斷塊隆起北緣的長江河谷或長江南岸分布，其在長江南岸與本標段近似垂直相交。2個斷層的存在，對基坑的地質情況影響巨大。

3)南京上元門車站距離長江近，地理位置特殊，風化白云巖巖溶裂隙發育，多見溶孔，溶洞及蜂窩狀、網格狀溶蝕現象，且具有嚴重的不均一性，極易形成含導水體。

4)地下水徑流通道，可能為F5斷裂的次生構造，或者為連續的巖溶含導水空間。

3.2 現場連通試驗及結果分析

連通試驗是查明含水體水力聯系最直接的方法。分析連通試驗的相關數據，可以獲得更多的有效信息。為此，在基坑處開展了連通試驗[2，6-7]，如圖4所示。

在出水點附近、基坑周圍兩邊，每間隔3 m鉆1個孔，鉆孔深度為35 m，鉆孔數量為16個,鉆孔布置具體位置見圖4。通過這些鉆孔進行示蹤劑的投放，選用高錳酸鉀作為示蹤劑。將高錳酸鉀配制成一定濃度的溶液，然后采用注漿泵通過各個鉆孔將高錳酸鉀壓入導水裂隙，泵送高錳酸鉀溶液的時間為2 min；示蹤劑投放之后，觀察涌水點水的顏色變化，并在涌水點每隔1 min進行1次取樣，確保第一時間測得高錳酸鉀的擴散情況，同時保證示蹤劑濃度分析的準確性。具體試驗結果如表1所示。

圖4 連通試驗(單位： mm)

孔號出水點距離/mm開始連通時間/min持續時間/min4287136.6524703.355.65640263.64.6

試驗結束后采用光譜分析法對采集樣本的示蹤劑濃度進行測定。首先配制已知高錳酸鉀濃度的標準溶液，并測定其濃度與吸光度的關系曲線，曲線擬合度為0.998 8，如圖5所示； 然后對樣本進行光譜掃描，將樣本光譜數據與標準溶液光譜曲線進行對照，以確定樣本溶液的高錳酸鉀濃度； 數據整理后得到接收點高錳酸鉀溶液濃度與時間的關系曲線，如圖6所示。

圖5 標準溶液濃度與吸光度的關系曲線

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

圖6 溶液濃度-時間曲線圖

根據涌水點接收的樣本濃度測試結果，4、5、6號孔出現高錳酸鉀，且從注入到第1次接收到高錳酸鉀的時間較短，為3～3.5 min。由連通試驗可以說明，涌水點西側附近存在含導水構造，是基坑水力來源的主要通道。根據示蹤試驗理論，連通試驗濃度-時間曲線只有1個峰值，可以推斷投放點和接收點之間連通性相對較好，徑流路徑比較簡單且較短。通過連通試驗結果確定的基坑涌水水力來源，可劃定基坑補給徑流帶，確定水力來源方向，同時為下一步地質雷達探測[8]縮小范圍。

3.3 物探及鉆探現場試驗

連通試驗完成后，為查明基坑內部的富水區域，采用天線頻率為 100 MHz的SIR3000 型地質雷達在涌水點附近探測，探測深度為14 m，測線共6條(測線1、2、3、4、5、6)，測線4和測線5的探測結果見圖7。

(a) 測線4

(b) 測線5

由雷達探測結果可知： 涌水點所在區域附近反射強烈，反射主頻率最低；測線1和測線2中間位置反射主頻率稍次之；測線3和測線4上側反射主頻率再次之；測線4下側裂隙界面較為清晰，反射頻率較低。結合現場地質狀況以及相關地質資料對基坑涌水區域進行劃分，暫劃分為a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎帶以及d基巖裂隙區4個區域，具體劃分如圖8所示。

圖8 基坑涌水區域分區圖

根據前面的水文地質分析以及地質雷達探測結果，在圖8中的4個區域分別鉆孔進行鉆探取樣,取樣結果如圖9所示。

(a) 溶洞內的粉質黏土充填巖樣

(b) 溶洞內無充填巖樣

(c) 破碎帶巖樣

(d) 基巖裂隙巖樣

取樣分析如下：

1)a處鉆孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直徑約1 m，最小溶洞直徑約0.1 m。從鉆進情況來看，施工過程中基本不掉鉆，或有輕微漏漿，充填物為可塑狀的灰黃色粉質黏土。但溶洞上下表面有較厚的溶蝕帶，其巖芯呈碎塊狀，裂隙發育，是基巖裂隙水連通的通道，鉆進中一般都在溶蝕帶中漏漿、卡鉆，稱為充填溶洞帶。

2)在涌水點附近的b處鉆孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直徑約2 m，最小溶洞直徑約0.2 m。由于涌水的存在，充填物被沖出，基本沒有殘留，取芯極為困難，故稱為富水溶洞帶。

3)c處鉆孔主要是破碎成粗砂狀的破碎白云巖，巖性為白云巖，呈粗砂或礫砂狀(局部呈碎塊狀)，透水性較好，稱為破碎帶。

4)d處鉆孔有大量的裂隙，利用模糊信息分配法[9]統計得出該處的裂隙密度為3條/m，裂隙極為發育，同時地下水通道密集，一旦揭露，必然成為下一個涌水點，稱為基巖裂隙區。

通過對4個區域分別取芯鉆探，繪制了鉆孔橫向剖面圖(見圖10)，并驗證了地質雷達探測劃分區域的正確性。根據鉆探結果得知，a區域為黏土充填溶洞，不能形成過水通道，對基坑危害甚小，綜合考慮各個因素，決定不予治理。

圖10 鉆孔橫向剖面圖

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

3.4 臨江破碎帶綜合分析

根據車站的地質分析以及地質雷達的探測結果，初步確定了臨江破碎地層的規模，并將基坑劃分為充填溶洞、富水溶洞、破碎帶以及基巖裂隙區4個區域。通過連通試驗發現，基坑靠近出水點側存在含導水構造，與基坑內水力聯系密切。通過鉆探分析驗證了物探結果以及分區的正確性，并明確了各個薄弱地層的具體位置。

總體看來，本段巖層地質情況較為復雜，巖溶破碎帶復雜交錯，地下含水層水量豐富，白云巖屬可溶性巖，風化后導水能力強，導致地下水沿溶洞及風化白云巖軟弱帶流出； 而地下水破碎帶和巖溶發育是構成帷幕基坑內外水力聯系的主要原因，同時基巖裂隙也是小的水力通道，故需要治理的區域分別為富水溶洞、破碎帶以及基巖裂隙區。

4 臨江破碎帶綜合治理建議與效益

針對臨江破碎地層注漿改造工程，為確保基坑全壽命安全施工，制定了相應的注漿治理方案。

由于注漿工程具有隱蔽性以及含水層地質條件具有復雜性等特點，根據注漿改造深度判定依據、注漿設計原則、注漿過程控制標準及注漿效果檢驗等多方面進行綜合治理，提出了“物探劃定，鉆探驗證；循序漸進，分區治理；減少盲目，科學合理”的理念。

根據臨江破碎地層綜合分析得出的a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎帶以及d基巖裂隙區，為避免直接封堵涌水點導致基坑全面涌水，采取以涌水點為基準先遠后近的加固原則，即先加固涌水點周圍，后封堵涌水點，加固順序為c—d—a—b。

由于上層仍有第四系黏土層，所以全部采用膜袋注漿工藝[10]，既能合理的隔斷第四系黏土層，又能為注漿起壓提供基礎，保證注漿效果。對于a區充填溶洞區，由于充填物為黏土，不具有導水性，對地層危害甚微，綜合考慮不予加固； 對b區富水溶洞區，對其主要涌水點進行封堵，首先沿基坑邊緣設置一排鉆孔，封堵水力來源，采用劉人太等[11-12]研究的GT-1新型速凝類動水注漿材料進行直接封堵，然后采用水泥單液直接填充溶洞； 對于c區破碎帶，先采用水泥漿單液滲透，后采用水泥-水玻璃雙液注漿封堵； 對于d區裂隙發育區，直接采用水泥-水玻璃雙液注漿加固[13-15]。傳統注漿設計和綜合分析鉆孔設計方法如圖11所示。

(a) 傳統鉆孔設計方法

(b) 綜合分析鉆孔設計方法

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

根據比較可知，通過對臨江破碎地層注漿加固綜合分析方法進行的治理方案設計，能明確各個地層的地質情況，對于基坑的軟弱地層、涌水點的封堵更加具有針對性，可避免注漿的盲目性。同時，通過采用該方法進行的地鐵基坑注漿治理，完全封堵了基坑8處泉眼狀涌水，并無二次水害發生，取得了良好的效果，驗證了臨江破碎帶綜合分析方法的可靠性,現場實際開挖如圖12所示。采用該方法后鉆孔數量由132個減少為36個；單孔平均注漿量按3 t計算，注漿量由396 t減少為108 t； 每天注漿孔數按照5孔計算，工期由26.4 d減少為7.2 d；工程成本不到傳統方法的1/3。這些數據充分說明了臨江破碎地層治理的信息化施工的科學性,即通過水文地質分析、地質雷達探測、現場連通試驗和鉆孔資料分析有機結合的信息化施工,取得了良好的經濟效益。

圖12 現場開挖

5 結論與討論

1)通過原始基坑資料中的水文地質信息可以宏觀確定臨江破碎帶地層的薄弱性，而現場連通試驗是驗證基坑地層薄弱性最直接的方法，同時通過現場連通試驗可得到基坑內外水力連通性和滲流路徑等關鍵信息。

2)根據地質雷達探測和水文地質資料確定的不同薄弱地層，對確定不同地層劃分具有重大的指導意義。

3)臨江巖溶破碎地層的水文地質條件極為復雜，基坑內涌水點涌水壓力和涌水量分布極不均一，采用鉆孔資料和地質雷達探測相互驗證的方法確定基坑薄弱地層規模及關鍵薄弱點十分必要。

4)基于水文地質分析、地質雷達探測、現場連通試驗和鉆孔資料分析多種方法有機結合的臨江破碎帶綜合分析方法，能夠對破碎帶水源及水力通道做出較為準確和可靠的評價，為注漿治理提供科學依據，能有效減少注漿的盲目性，節約治理成本，保證注漿治理效果。

5)根據地質雷達探測確定不同薄弱地層的精度，以及針對基坑開挖造成的基坑側壁變形，有待進一步研究。

[1] 魯光銀,朱自強,韓旭理,等. 高精度地質雷達在隧道地質災害治理中的應用[J].自然災害學報, 2008,17(4): 118-123. LU Guangyin, ZHU Ziqiang, HAN Xuli, et al. Application of ground penetrating radar to control of geological hazards of road tunnel[J]. Journal of Natural Disasters, 2008, 17(4): 118-123.

[2] 劉人太, 李術才, 張慶松,等. 示蹤試驗分析方法在地下工程水害治理中的應用研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(4): 814-821. LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Research on application of tracer experiment analysis method to water hazards management in underground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(4): 814-821.

[3] 張鐵樁, 張淵, 張圣仙. 高密度電法在地質災害治理中的應用[J]. 西部探礦工程, 2013, 25(3): 161-164. ZHANG Tiezhuang, ZHANG Yuan, ZHANG Shengxian. Application of high-density electrical method to geological disaster treatment[J]. West-China Exploration Engineering, 2013, 25(3): 161-164.

[4] 牛建立，段琦. 水文地球化學方法在研究礦區水文地質條件中的應用[J]. 煤田地質與勘探, 2004, 32(2)： 39-42. NIU Jianli, DUAN Qi. Study of hydrogeological conditions in mining areas using hydro-geochemical methods[J]. Coal Geology & Exploration, 2004, 32(2)： 39-42.

[5] 陳建生，楊松堂，劉建剛，等. 環境同位素和水化學在堤壩滲漏研究中的應用[J]. 巖石力學與工程學報， 2004, 23(12): 2091-2095. CHEN Jiansheng, YANG Songtang, LIU Jiangang,et al. Application of environmental isotope and hydrochemistry to leakage study[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(12): 2091-2095.

[6] 鄧振平,周小紅,何師意，等. 西南巖溶石山地區巖溶地下水示蹤試驗與分析: 以湖南湘西大龍洞為例[J]. 中國巖溶, 2007, 26(2)： 163-169. DENG Zhenping, ZHOU Xiaohong, HE Shiyi，et al. Analysis and tracing-test to karst groundwater in Southwest China karst rocky mountain area: A case study in Dalongdong, Western Hunan [J]. Carsologica Sinica, 2007, 26(2)： 163-169.

[7] Hu BILL X, JIANG Xiaowei, WAN Li. Integration of tracer test data to refine geostatistical hydraulic conductivity fields using sequential self-calibration method[J]. Journal of China University of Geosciences, 2007, 18(3)： 242-256.

[8] 李術才, 李樹忱, 張慶松,等. 巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(2): 217-225. LI Shucai, LI Shuchen, ZHANG Qingsong, et al. Forecast of karst-fractured groundwater and detective geological conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 217-225.

[9] 董貴明, 束龍倉，王茂枚，等. 模糊信息分配法在裂隙結構面特征統計中的應用[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011, 42(8): 2493-2498. DONG Guiming, SHU Longcang，WANG Maomei,et al. Application of fuzzy information diffusion method in fissure structural plane analysis [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(8): 2493-2498.

[10] 熊燕文, 譚祥韶. 膜袋注漿樁在軟基處理應用中的試驗研究[J]. 廣東公路交通, 2012(3): 86-90. XIONG Yanwen, TAN Xiangshao. Experimental study on application of bag grouting pile on soft ground treatment[J]. Guangdong Highway Communications, 2012(3): 86-90.

[11] 劉人太. 水泥基速凝漿液地下工程動水注漿擴散封堵機理及應用研究[D]. 山東： 山東大學, 2012. LIU Rentai. Study of diffusion and plugging mechanism of quick setting cement based slurry in underground dynamic water grouting and its application[D]. Shandong: Shandong University, 2012.

[12] 劉人太, 李術才, 張慶松,等.一種新型動水注漿材料的試驗與應用研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011,30(7): 1454-1459. LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1454-1459.

[13] 李術才, 韓偉偉, 張慶松, 等. 地下工程動水注漿速凝漿液黏度時變特性研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(1): 1-7. LI Shucai, HAN Weiwei, ZHANG Qingsong, et al. Research on time-dependent behavior of viscosity of fast curing grouts in underground construction grouting[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(1): 1-7.

[14] 孫子正, 李術才, 劉人太,等. 水泥基速凝漿液裂隙擴散機制與壓力特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2014(8): 2219-2225. SUN Zizheng, LI Shucai, LIU Rentai,et al. Fracture defusing mechanism and pressure characteristic tests of rapid setting cement-based grouts[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014(8): 2219-2225.

[15] 李術才, 劉人太, 張慶松,等. 基于黏度時變性的水泥-玻璃漿液擴散機制研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(12): 2415-2421. LI Shucai， LIU Rentai， ZHANG Qingsong, et al. Research on C-S slurry diffusion mechanism with time-dependent behavior of viscosity[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(12): 2415-2421.

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

國家自然科學基金(41272385)； 山東大學基本科研業務費資助項目(2015YQ002)

王洪波(1990—)，男，山東諸城人，山東大學防災減災工程及防護工程專業在讀博士，研究方向為地下工程防災減災及防護。E-mail： hongbo_wangsdu@163.com。

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

U 455

A

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