貴陽市軌道交通工程主要巖土工程問題

陳再謙，胡 政

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

城市軌道交通工程各建(構)筑物施工方法不盡相同。其中，車站主要為明挖法、暗挖法以及蓋挖法；區間主要為暗挖法、明挖法以及盾構法；附屬建筑物(出入口、風井等)主要為明挖法、蓋挖法等。各建(構)筑物施工方法的選擇，主要根據各建(構)筑物結構特征、工程地質及水文地質條件、工程周邊環境等因素綜合考慮。與傳統的市政工民建巖土工程相比，城市軌道交通工程建設有明顯不同的特點：①場地周邊環境條件復雜，一般穿行于城市人口密度大、高層或超高層建筑集中、交通繁忙的城區；市政設施和地下管線密集，場地可選擇性、調整性小；社會因素復雜。②工程地質及水文地質條件復雜，填土、粘土較多，地基均勻性差，貴州地區可溶巖發育，巖溶及水文地質條件復雜，紅粘土廣布，其工程性質受含水率影響較大。③工程安全風險因素較多，且施工周期較長，工程降水、周邊工程施工、車輛荷載及地下水抽排對工程影響較大。目前，針對地鐵巖土工程問題已經有了較為全面的研究[1-4]，但西南地區地質條件復雜，巖溶發育，紅粘土廣布，有其自身的特殊性，各類巖土工程問題突出，需提出新的針對性處理措施[5-7]。

貴陽城市軌道交通工程以地下線為主，少量高架線及地面線，施工中存在的主要巖土工程問題有：圍巖穩定問題，涌水突泥問題，隱伏巖溶問題，地面塌陷問題，明挖基坑的邊坡穩定、基坑涌水及巖溶地基穩定問題，樁基及高回填地基穩定問題等。本文結合工程實踐，從暗挖隧道、明挖基坑、樁基及高回填地基這3種形式入手，對貴陽城市軌道交通建設施工中存在的主要巖土工程問題進行探討。

圖1 隧道地質剖面示意

1 暗挖隧道

1.1 圍巖穩定問題及處理措施

1.1.1 圍巖穩定性

地鐵隧道拱頂多位于強風化基巖或覆蓋層內，有些甚至全斷面位于覆蓋層內，隧道圍巖穩定性差，一旦隧道圍巖失穩坍塌，可能導致路面沉降、塌陷、房屋開裂、地下管線破損等問題，影響較大。隧道開挖引起的圍巖應力狀態的重大變化一般在隧道周邊一定范圍之內，一般為地下洞室橫剖面最大尺寸的3～5倍，隧道開挖使圍巖的性狀發生很大變化。促使圍巖力學狀態發生變化的因素除卸荷回彈及應力重分布外，還有場區地下水的重分布。一般說來，洞室開挖后，如果圍巖巖體承受不了卸荷回彈應力或重分布應力的作用，圍巖將發生變形甚至破壞，這種變形或破壞通常是從洞室周邊，特別是從壓力或拉應力集中的部位開始，而后逐步向圍巖內部發展的。隧道圍巖失穩的主要處理措施有噴錨法、支護法、對頂支撐法、灌漿法等。

1.1.2 工程實例分析及處理措施

貴陽市地鐵某隧道覆蓋層為8～17 m，下伏基巖為三疊系下統大冶組(T1d)灰色、深灰色薄至中厚層狀灰巖，隧道拱頂埋深8～10 m，地下水位埋深3.2～9.0 m，基覆界面處溶槽溶溝發育，隧道拱頂多位于軟塑～可塑狀紅粘土層，日涌水量約4 000 m3，拱頂多處出現塌方。隧道地質剖面示意見圖1。隧道拱頂坍塌情況見圖2。復核處理措施：采取“地表+洞內”固結灌漿。注漿結束后，取芯驗證注漿效果，若檢查孔不坍孔，不涌泥，涌水量小于0.2 L/min，漿液填充率達80%，則判定注漿效果達標；若達不到，應進行補孔注漿。處理后取芯結果顯示，掌子面紅粘土強度明顯改善，效果較好(見圖3)，顛覆了“紅粘土不宜采用注漿方式進行加固”的認識。

圖2 隧道拱頂坍塌

圖3 注漿處理后圍巖

1.2 涌水突泥問題及處理措施

1.2.1 涌水量預測

隧道涌水突泥是由于隧道掘進破壞了含水層結構，使水動力條件和圍巖力學平衡狀態發生急劇改變，造成地下水體所儲存能量以泥水流體高速運移形式瞬間釋放，而產生一種動力破壞現象。巖溶地區隧道涌水往往具有突發性、破壞性、難以預防等特征，施工單位應引起特別重視，加強預防、預報手段及應急處理措施。目前，貴陽地區巖溶隧道或基坑涌水量預測主要采取徑流模數法、降雨入滲法以及水動力學法等3種。

針對巖溶山區地鐵隧道涌水量計算，采取徑流模數法、降雨入滲法較水動力學法預測基坑/隧道涌水更為合理。分析其原因，水動力學法基本假設條件是土體為均勻含水介質，有穩定的地下水位，為面狀涌水，與沖積平原地質條件較為吻合。而巖溶山區一般是上部紅粘土、下部碳酸鹽巖的地層結構，上部紅粘土為不透水層，下部碳酸鹽巖巖體裂隙或巖溶管道是主要的儲水及過水通道，其含水介質具有不均勻性的特點，出水狀況為股狀或線狀。同一場區內通過抽水試驗確定滲透系數k值時，隨著局部巖體孔隙、孔洞發育情況而差別很大，即巖體完整性較好的抽水孔滲透率測試值極小，而巖體裂隙發育處，滲透率則較高，如抽水孔恰好位于充水型巖溶管道處，則滲透率極大。由于同一場區滲透率k值測試結果離散性大，代表性差，水動力學法預測結果準確性自然較差。

根據隧道涌水段所處的位置不同，施工中按不同區段分別采用不同的處理方案：①完整巖體區段。結構性能可保證施工安全，但大面淌水且流量小于控制排水量時，采取直接通過。②較完整巖體區段。結構性能可保證施工安全，但大面淌水且流量大于控制排水量時，采取先通過后注漿堵水。③小段落的巖層破碎帶、次斷層構造帶區段。大面淌水且流量大于控制排水量時，采取超前管棚支護先通過后注漿堵水。④大段落的巖層破碎帶、斷層構造帶區段。極易產生集中涌水地段，根據對施工的影響程度不同，分別采取不同的超前注漿措施。

1.2.2 工程實例分析及處理措施

工程實例1。貴陽市某地鐵暗挖隧道埋深約20 m，開挖到一定里程后出現隧道涌水(見圖4)。場區位于黔靈湖向斜核部以西，匯水面積達約30 km2，自西向東穿越三疊系中統楊柳井組(T2yl)、改茶組(T2gc)、上統三橋組(T3sq)、二橋組(T3e)、侏羅系下統自流井群(J1zl)地層，地處富水、透水地層與隔水地層分界部位。事故發生后，采取洞內全斷面帷幕注漿，效果較好。

圖4 隧道涌水

工程實例2。貴陽市某地鐵暗挖隧道發生涌水突泥導致上部路面塌陷，房屋出現裂縫(見圖5)，交通、供水中斷。該隧道拱頂埋深約15 m，地下水埋深約10 m，覆蓋層(紅粘土)厚約10 m，下伏基巖為三疊系下統大冶組(T1d)灰巖，拱頂上方基巖厚約5 m，為強溶蝕帶，豎向裂隙強發育。事故發生后，及時進行原因調查，采取物探、試驗及水文地質測繪等手段，對場區巖溶、周邊水源、水質進行分析，得到事故發生的原因。原因分析：①地表自來水、雨污水管損壞漏水，對土體長期浸泡，惡化土體性狀；②淺表層土體豎向溶蝕裂隙發育，地下水埋深淺，軟塑、流塑狀的紅粘土沿陡傾裂隙、溶洞涌入隧道，引起地面塌陷。處理措施：①修復沿線破損的管線；②回填坍坑；③加強超前地質預報，加強掌子面前方灌漿，采用冷開方式掘進。

圖5 隧道涌水突泥

1.3 地基隱伏巖溶問題及處理措施

實際工程中，由于勘探揭示的有限性和巖溶發育的不確定性，很多巖溶只有在施工開挖時才能確定其具體位置、規模及充填情況。巖溶區隧道開挖后地基往往會遇到溶洞，出現地基不均勻問題，需對溶洞進行處理，以滿足承載力及地基不均勻變形要求。隧道地基巖溶處理方式一般為換填、注漿及跨越。

當隧道開挖遇到底板溶洞時，應采用洞內鉆探結合跨孔CT的方式進行補勘，查明底板隱伏巖溶發育的深度、規模及充填特征，以便針對性進行處理。隱伏巖溶處理方案：鑿開部分仰拱混凝土→施工穿越隱伏巖溶區的φ300鋼筋混凝土灌注樁→地基系統灌漿堵水→樁頂設置鋼筋混凝土板。

2 明挖基坑

2.1 邊坡問題及處理措施

2.1.1 邊坡主要問題

主要問題有：紅粘土邊坡、填土邊坡、基巖順層及不利結構面組合邊坡；地下水對邊坡的穩定性影響。紅粘土遇水軟化，孔隙比較高，受水的影響力學性質變化較大，往往呈上硬下軟的分布特征，基覆界面往往為軟～流塑狀。基坑邊坡開挖后，需分層及時支護，同時注意排水。貴州地區廣布紅粘土，紅粘土基坑邊坡支護不當，很容易引發圓弧滑動等邊坡失穩問題。巖質邊坡主要破壞模式為順層面滑動、楔形體滑動及傾倒破壞。順層面滑動破壞易發生在不連續面的主節理沿相同方向發育的巖石；楔形破壞是沿2個不連續面發生的巖塊的滑動破壞形式；傾倒破壞的發生條件是劈裂面與節理面的傾斜方向相反或節理面的主向與劈裂面的主向基本相同時。

2.1.2 工程實例及處理措施

貴陽市地鐵某明挖區間底板埋深約10 m，位于基覆分界線及地下水位線附近，施工采用“土釘+噴混凝土”支護，邊坡出現失穩破壞(見圖6)；貴陽市地鐵某車站基坑邊坡為順向巖石邊坡(巖層傾角13°)，受2組裂隙切割及地表水入滲，施工采用“1∶1放坡+錨桿”支護，產生楔形體破壞(見圖7)。

圖6 某明挖區間覆蓋層邊坡失穩

由于地質條件、環境條件的復雜性，以及變形控制的嚴格性，明挖基坑邊坡一般采取“圍護樁+內支撐”的支護體系(見圖8)，實施效果較好。

圖7 紅粘土邊坡及巖石楔形體邊坡失穩

圖8 “圍護樁+內支撐”的支護體系

2.2 涌水問題及處理措施

2.2.1 涌水問題

明挖基坑涌水量計算一般分為均質穩定流地層和非均質非穩定流地層2種計算方法，可參照相關規范計算。

2.2.2 工程實例及處理措施

工程實例1。貴陽市地鐵某車站出現基坑涌水(見圖9)，最大涌水量達9 L/s。通過對場區周邊水文地質測繪及水質分析得到分析剖面(見圖10)。分析表明，施工期降水對地下水環境可能造成一定影響，主體結構施工完成后，由于地下水徑流總體方向未變，通過采取相應工程措施(對隧道或車站結構底板及頂板鋪設透水材料)，地下水位將逐漸恢復，對周邊水環境不會構成影響。

工程實例2。貴陽市地鐵某車站基底出現巖溶泉眼，2016年7月14日基坑開挖至5 m(1 273.5 m高程)出現泉水，水量約20 L/s，一直到基坑底板(1 253.9 m高程)，泉眼的出水量較穩定，底部出水口長約1.1 m，寬約0.4 m，水量約30 L/s。泉眼涌水造成車站基坑被淹，對工程影響較大。

原因分析：巖溶發育的復雜性以及勘察手段的局限性，勘察期間對巖溶場地地下水判定容易出現誤差或錯誤，進而導致地下水位及其承壓性判斷不準，引發施工問題或事故，這種問題很難應對但卻又十分重要，這就要求在正確判定場區地下水的同時，要分析周圍地表水及巖溶管道的影響，對場區鉆孔地下水位的判定要認真結合鉆孔巖溶、巖芯完整性、裂隙發育程度分析進行取值，選取巖溶發育、巖體較破碎的具有代表性的鉆孔穩定水位作為場區的地下水位。

圖10 車站基坑涌水分析剖面

圖9 某車站基坑涌水

處理措施：泉水流量較大且有一定的承壓性。泉眼水流壓力如能將水流引排至基坑上方市政雨污水管道中，則采用φ50鋼管對泉眼水流進行引排；如不滿足，則對泉眼進行注漿堵水。經引排處理后，情況得到一定的緩解。

2.3 巖溶地基穩定問題及處理措施

地鐵建設場區往往屬于二次開發場地，回填土層及地下設施分布較多，可溶巖地區巖溶發育具有不確定性，這些都導致場區地基均勻性差，出現不均勻沉降等問題，工程建設需要進行地基處理或采取適宜的基礎形式。

某明挖埋深約10 m，多位于基覆交界部位，為巖土混合地基，基底處溶縫、溶溝發育，局部地段出現溶洞，地基均勻性較差，地基承載力要求不高，主要是變形協調問題。溶溝溶槽采用換填法處理，巖土交界部位采取褥墊層法處理；小型溶洞可采用跨越或回填素混凝土處理；遇大型溶洞，應采取物探、鉆探或釬探手段查明溶洞發育規模及范圍后進行處理，一般對上部采取清除軟塑粘土后用級配碎石換填處理，對隱伏溶洞采取鉆孔注漿處理措施，對上部結構采取加強結構底板配筋，以增強其整體性及剛度的處理方式。

3 樁基及高回填地基

樁基勘察應滿足相關建筑物勘察技術要求。存在的問題主要有：機械成孔樁往往無法驗基，故勘探深度應滿足下臥層穩定分析要求；樁基穿越溶洞及軟～流塑狀紅粘土層難以成孔，可采取下鋼護筒或采用回填塊碎石(混凝土)處理。

回填地基未按相關技術要求進行回填，導致工后沉降及差異沉降超標，進而需對其進行地基處理。應加強過程控制。

4 結論及建議

城市軌道交通工程穿行于不同的地質、水文單元，沿線面臨的巖土工程問題復雜且不盡相同，應重視地質調繪，加強宏觀分析判斷，采取綜合勘察手段開展巖土工程勘察工作。鑒于貴陽市地鐵建設工程的特點及巖土工程問題，應對工程風險采取全過程控制，施工過程中應加強超前地質預報如紅外探測、地質雷達、超前鉆孔等，變形監測與檢測工作，加強工程施工風險的管控、預測及預報工作，最大限度降低施工風險。

暗挖法主要有淺埋隧道穩定問題、隧道涌水突泥及其對周邊環境的影響問題、地基隱伏巖溶問題等。處理建議：加強初期支護，必要時可對掌子面前方地層進行固結或帷幕注漿，仰拱填充前進行地基檢測及系統堵排水。明挖法主要有邊坡穩定問題、基坑涌水涌泥及其對周邊環境的影響問題、地基穩定問題等。處理建議：采用“圍護樁(必要時咬合)+內支撐”結合適當的堵排水措施。樁基應保證基底以下足夠的勘察深度，回填地基施工應嚴格按照設計要求進行。