中心城區(qū)灰?guī)r區(qū)地鐵車站基坑開挖前降水試驗(yàn)分析

曾照發(fā)，李 釗，李浩朋，陳國威

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510308；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610）

1 工程概況

廣州市軌道交通8號線北延段16.46km，共設(shè)13座車站，地下線經(jīng)過廣州市荔灣區(qū)和白云區(qū)，沿線地表多為城市道路、老城區(qū)居民區(qū)，人流、車流密集，建筑物稠密，地下管線復(fù)雜。線路整體處于廣花凹陷盆地的南西部和三水?dāng)嘞菖璧氐臇|延部，沿線發(fā)育的不良地質(zhì)主要作用在增埗河以北大部分地段，均發(fā)育有巖溶、土洞，石炭系中上統(tǒng)壺天群地層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，為巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性大區(qū)。

2 抽水試驗(yàn)的主要目的及方法

（1）通過選擇合適的方法進(jìn)行群井或單井抽水試驗(yàn)，觀測圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外水位與基坑內(nèi)抽水井水位下降的水位變化關(guān)系，據(jù)此判斷地下連續(xù)墻的隔水效果、圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部位于巖溶地層溶洞填充處理的效果、圍護(hù)結(jié)構(gòu)下是否存在繞流、巖層裂隙水的豐富度等。（2）檢驗(yàn)降水方案是否滿足基坑開挖要求，給出下階段施工的建議，保證巖溶區(qū)施工安全。（3）了解場地地下水位分布情況，為下一步施工提出指導(dǎo)意見。文章對廣州8號線北延段幾個(gè)位于灰?guī)r區(qū)范圍的車站抽水試驗(yàn)作比較說明。

3 車站抽水試驗(yàn)

3.1 小坪站抽水試驗(yàn)

小坪站為明挖順作的地下兩層島式車站（見圖1），車站高度范圍內(nèi)的地層主要為<3-3>、<2-1A>、<4N-2>、<5C-1A>、<5C-2>、<9C-2>，底板主要位于<9C-2>。該車站溶洞平均見洞率為53.57%，存在深厚淤泥、淤泥質(zhì)土，巖面傾斜起伏大等地質(zhì)特性（見圖2）。車站型式采用現(xiàn)澆箱型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)體系。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻，連續(xù)墻嵌固深度要求：進(jìn)入微風(fēng)化巖層不少于1.5m，中風(fēng)化巖不少于2.5m，強(qiáng)風(fēng)化巖不少于4.5m，全風(fēng)化巖不少于6.0m。

圖1 小坪站總平面圖

圖2 小坪站地質(zhì)縱剖面

抽水試驗(yàn)情況：第一次經(jīng)過15d的連續(xù)降水，水位降至13.58m，在10min內(nèi)降至水井底部，進(jìn)入巖層，降幅較大，且下降較迅速，水泵間斷出水，出水量變小，觀測孔水位下降速率降低（見圖3）。在降水過程中對周圍的水位監(jiān)測孔及周邊地面、建筑物進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)均無明顯變化，說明基坑內(nèi)降水對周邊沒有太大影響。第二次降水實(shí)際涌水量約410.37m3/d，占到預(yù)測涌水量（Q=830.61m3/d）的50%（見圖4）。過程中對周圍的水位監(jiān)測孔及周邊地面、建筑物進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)均無明顯變化，說明基坑內(nèi)降水對周邊沒有太大影響；且受第一次抽水的影響，上層滯水、土層潛水補(bǔ)充有所減弱，證明該車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施良好。

圖3 第一次降水坑內(nèi)水位變化曲線

圖4 第二次降水坑內(nèi)水位變化曲線

以小坪站為例，基坑內(nèi)群井抽水試驗(yàn)表明：微風(fēng)化灰?guī)r層與含水層交界面受地下連續(xù)墻切斷，地下水補(bǔ)給較少。但在抽水過程中發(fā)現(xiàn)南北端頭的抽水量明顯大于中部，初步判斷南北端頭因深度大于中部，可能存在巖溶裂隙的水力通道。

3.2 石井站抽水試驗(yàn)

石井站車站為全明挖地下兩層島式站臺車站，車站擴(kuò)大端埋深17.60～18.14m，車站高度范圍內(nèi)的地層主要為<3-3>、<4N-2>、<2-1B>、<7>、<9C-2>，底板主要位于<9C-2>。溶洞見洞率約為40.0%，且該車站受石井?dāng)嗔咽绊懀瑤r面起伏大，存在風(fēng)化深槽。

石井站南端頭井第二道支撐以下2m在基坑開挖過程發(fā)生涌水，為查明出水原因，在基坑周邊內(nèi)外進(jìn)行鉆孔并對鉆孔進(jìn)行注漿。注漿完成后出水量有所降低。南端頭范圍基底均位于巖層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度等計(jì)算滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)施工補(bǔ)充的鉆孔、出水水質(zhì)情況、一墻兩鉆地質(zhì)報(bào)告并結(jié)合對比孔芯照片，該范圍的連續(xù)墻的墻底已入巖，但墻底基巖存在巖石較破碎或破碎的情況（巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD參考值20%～55%），基本判斷水源是基巖裂隙水滲透導(dǎo)致。

處理措施：根據(jù)一墻兩鉆結(jié)果并結(jié)合開挖情況、連續(xù)墻嵌固深度、周邊環(huán)境等考慮，對部分連續(xù)墻的墻底基巖破碎的范圍進(jìn)行處理，采用坑內(nèi)袖閥管注漿，對墻底基巖破碎的范圍進(jìn)行封堵、填充處理。墻底基巖破碎帶經(jīng)注漿封堵處理后，基坑涌水量明顯減弱，有效確保了基坑施工安全，并降低了對周邊環(huán)境的影響。

在處理完成后，對基坑內(nèi)進(jìn)行降水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程降水井都能抽水至井底，滿足基坑開挖過程中的降水要求，其中停抽后的水位回升速度快（見圖5），分析其主要原因?yàn)樵摼^深，施工至基底以下5m，且該處為斷裂帶。

圖5 石井站內(nèi)降水井抽水試驗(yàn)水位與時(shí)間關(guān)系圖

坑外水位變化情況：在坑內(nèi)降水試驗(yàn)過程中，每隔1h對坑外水位進(jìn)行一次觀測，整個(gè)觀測過程中（見圖6），水位變化除了DSW14有一次單次變化為15cm，其他變化均在10cm以內(nèi)，考慮到測量過程中可能存在誤差的原因，證明基坑內(nèi)降水對基坑外影響較小，連續(xù)墻施工質(zhì)量基本可有效阻斷基底繞流。

圖6 石井站坑外水位埋深與時(shí)間關(guān)系圖

3.3 同德圍站抽水試驗(yàn)

同德圍站周邊環(huán)境復(fù)雜，巖溶發(fā)育，分布深厚中粗砂層，工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件復(fù)雜（見圖7）。原位于基坑?xùn)|北角位置的勘察鉆孔MHBZ3-TDW-B46鉆至56.3m仍為砂層，該區(qū)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻最深的插入深度約為37.0m，存在繞流的風(fēng)險(xiǎn)性相對較高。為進(jìn)一步查清溶蝕凹槽段地下水情況，為車站基底處理方案提供參考依據(jù)，在同德圍站（北端）溶蝕凹槽范圍進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉情況下的抽水試驗(yàn)及地下水位觀測（見圖8）。

圖7 試驗(yàn)區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

圖8 同德圍站抽水試驗(yàn)位置圖

試驗(yàn)區(qū)主要含水層為砂層，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，上層多為上粗下細(xì)，由礫砂（3-3）、中粗砂（3-2）、粉細(xì)砂（3-1）組成，下層則主要為上細(xì)下粗，由粉細(xì)砂（3-1）、礫砂（3-3）組成（見圖7）。上部砂層孔隙微承壓水與覆蓋其上面的潛水層具水力聯(lián)系，統(tǒng)一為潛水層，下部砂層孔隙承壓水與下伏基巖的巖溶裂隙水統(tǒng)一為承壓水層，承壓水位比潛水水位稍低，平均高程為5.27m（原溶蝕凹槽專題勘察報(bào)告給出的承壓水頭高度標(biāo)高為4.11～5.33m，兩次水位高度基本一致）。據(jù)試驗(yàn)成果判斷砂層之間的粉質(zhì)黏土層（4N-2）應(yīng)為連續(xù)隔水層，砂層之間的水力聯(lián)系不明顯。從觀測孔的Q-s曲線可以看出，基坑內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)完成后抽水量仍較大（見圖9、圖10）。隨著基坑內(nèi)抽水井的水位下降，基坑外的S4和S5的觀測井水位僅有較小幅度的下降，最大降深為S4的0.115m。雖然抽水試驗(yàn)區(qū)連續(xù)墻底板殘積土層無明顯直接繞流，但因砂層直接覆蓋基巖之上，可能存在基巖裂隙水的連通繞流情況，如基巖裂隙水通道延伸較遠(yuǎn)，或其與觀測井間受殘積土及完整基巖的有效隔離，導(dǎo)致存在基坑內(nèi)外俱繞流的情況，但觀測井水位下降幅度仍較小。

圖9 CS1抽水試驗(yàn)時(shí)主井Q-s、q-s曲線

圖10 CS2抽水試驗(yàn)時(shí)主井Q-s、q-s曲線

因試驗(yàn)區(qū)為灰?guī)r地區(qū)，地質(zhì)條件和水文條件均較復(fù)雜，單從抽水試驗(yàn)時(shí)坑外觀測井水位變化較小的情況，不能完全排除基坑內(nèi)外無繞流的情況，因?yàn)樵诨觾?nèi)抽水時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)場地巖溶發(fā)育、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等因素分析認(rèn)為，影響坑外觀測井水位下降的因素有多種可能。特別是結(jié)合周邊建筑沉降物監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及溶蝕凹槽段揭露的地質(zhì)條件，認(rèn)為基坑內(nèi)外仍具繞流的可能性。試驗(yàn)結(jié)果推斷基坑底下部砂層含水層為承壓水，水頭較高，基坑開挖施工時(shí)存在較大的突涌風(fēng)險(xiǎn)。

4 灰?guī)r區(qū)抽水試驗(yàn)特點(diǎn)

與非灰?guī)r區(qū)車站的抽水試驗(yàn)相比，灰?guī)r區(qū)范圍車站的抽水試驗(yàn)結(jié)果有如下特點(diǎn)：

（1）抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，灰?guī)r區(qū)巖溶裂隙水含水層徑流條件和富水性不均勻，突水范圍內(nèi)徑流條件和富水性均較好。

（2）巖溶含水層不僅發(fā)育有大的溶洞，還有許多小的裂隙分布，非均勻性和各向異性特征明顯，巖溶系統(tǒng)空隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含水層結(jié)構(gòu)和滲透規(guī)律及地下水補(bǔ)給來源等艱難掌握。

（3）灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)條件和水文條件均較復(fù)雜，從抽水試驗(yàn)時(shí)坑外觀測井水位變化較小的情況，并不能完全排除基坑內(nèi)外無繞流的可能性。以同德圍站為例，抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，車站基坑底下部砂層含水層為承壓水，水頭較高，下部砂層含水層與巖溶裂隙水連通，在溶蝕凹槽邊緣附近巖面起伏較大，巖溶發(fā)育基坑開挖施工時(shí)存在較大的突涌風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在灰?guī)r區(qū)，抽水量增大，巖溶裂隙中的填充物承受較多沖刷從而加大了水的運(yùn)移通道，有可能導(dǎo)致抽水點(diǎn)和補(bǔ)給區(qū)的水頭差增大，水壓增加，導(dǎo)致更大涌水。

5 結(jié)束語

（1）考慮到灰?guī)r區(qū)部分站點(diǎn)位于城區(qū)的特殊性，且部分灰?guī)r區(qū)上部潛水、砂層承壓水和底部溶洞存在水力聯(lián)系，對灰?guī)r區(qū)基坑進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，可驗(yàn)證圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水效果、巖溶地層溶洞填充處理的效果、圍護(hù)結(jié)構(gòu)下是否存在繞流。如小坪站連續(xù)墻未完全插入溶洞底板，但抽水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證地下水內(nèi)外聯(lián)系已隔斷，說明溶洞處理后能有效隔斷內(nèi)外水聯(lián)系。

（2）通過幾個(gè)灰?guī)r區(qū)車站抽水試驗(yàn)的水位變化及恢復(fù)情況表明：一般基坑內(nèi)含水層淤泥層的滯水補(bǔ)給能力差，巖層的補(bǔ)給能力較弱；底部含水層砂層滲透能力好、補(bǔ)給能力強(qiáng)、補(bǔ)給速率快、導(dǎo)水能力強(qiáng)。當(dāng)砂層底部存在串通溶洞時(shí)，相應(yīng)補(bǔ)給最強(qiáng)。建議重視灰?guī)r區(qū)基坑開挖的抽水試驗(yàn)，對相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，降水過程需密切關(guān)注周邊觀測井水頭下降情況、土體沉降數(shù)據(jù)、周邊建構(gòu)物、管線等沉降情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取相應(yīng)措施。

（3）若車站結(jié)構(gòu)底板位于承壓水隔水層附近，基坑施工時(shí)應(yīng)針對具體地質(zhì)、水文等條件對地下水進(jìn)行有效控制，以免處理不當(dāng)造成基坑突涌等災(zāi)害。基坑降水建議降至基坑底板以下1m，降水井均勻分布，防止降水不均勻帶來的土體失穩(wěn)等事故發(fā)生。施工時(shí)應(yīng)注意基坑側(cè)壁滲水、涌砂情況，加強(qiáng)基坑外水位及鄰近建筑物的沉降監(jiān)測，必要時(shí)進(jìn)行注漿封堵，對基坑底部砂層及巖溶進(jìn)行加固，防止因承壓水造成的突涌等事故的發(fā)生。

（4）發(fā)現(xiàn)存在多層滲流通道時(shí)，建議對砂層直接采用注漿方式進(jìn)行加固處理，降低砂層的滲透系數(shù)，封堵承壓水的地下通道。當(dāng)場地內(nèi)承壓水頂板（粉質(zhì)黏土，4N-2）厚度變化較大時(shí)，注漿應(yīng)根據(jù)地層情況分區(qū)確定加固深度，必要時(shí)采取格柵分割分區(qū)，各分區(qū)加固深度根據(jù)水頭高度進(jìn)行驗(yàn)算確定。若下部砂層含水層與巖溶裂隙水連通，在溶蝕凹槽邊緣附近巖面起伏較大，巖溶發(fā)育，可根據(jù)工程需要對截水帷幕進(jìn)行加長，對于基坑內(nèi)距離結(jié)構(gòu)底板較近的溶洞進(jìn)行充填注漿處理。