巖溶發育區地鐵車站基坑突涌影響因素與處理技術研究*

孟 棟，徐 壯，羅小剛，韓 莉，姬鳳玲，彭遠勝

(1.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518040； 2.深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；3.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，廣東 深圳 518060)

0 引言

我國是世界上巖溶分布最廣的國家之一，廣西、廣東、云南、貴州、四川、重慶、湖北、湖南等省市是我國南方巖溶主要分布地區[1-3]。隨著我國城市規模的不斷擴大，地面交通日益擁堵，城市交通樞紐任務逐漸由地面交通轉向地下軌道交通承擔。深圳、廣州、南寧、長沙、武漢、濟南、貴陽、徐州等城市地鐵工程在建設過程中均遇到了巖溶風險。在巖溶區進行地鐵車站基坑施工時，若揭露了巖溶水或減小巖溶承壓水頂板的巖土層厚度，可能導致基坑坑壁或底板產生突泥、突水問題，形成施工隱患，甚至會發生巖溶水淹埋基坑施工工作面、沖毀施工機械，從而造成施工被迫中斷，嚴重威脅周邊建(構)筑物及居民生命財產安全[4-7]。因此，對巖溶基坑突涌災害防治技術進行研究具有工程價值和現實意義。

與一般建筑工程相比，地鐵隧道埋深較大，因此巖溶區城市軌道交通工程一般按照深部巖溶發育情況考慮。深圳地鐵16號線在建設過程中多次遇到巖溶基坑突涌險情，施工單位及時、有效治理了險情，保證了基坑工程及周邊建筑物安全。本文以深圳地鐵16號線車站明挖基坑工程為例，詳細分析了巖溶區基坑突涌風險影響因素，并對目前常用的基坑突涌風險預處理技術及應急處理技術進行系統梳理、分析。

1 巖溶區地鐵車站基坑突涌風險影響因素分析

1.1 車站區域范圍內巖溶總體發育程度

GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中根據巖溶發育程度，當巖溶場地滿足下列條件之一時，可確定為巖溶強發育等級[8]：①地表有較多巖溶塌陷、漏斗、洼地、泉眼；②溶溝、溶槽、石芽密布，相鄰鉆孔間存在臨空面且基巖面高差>5m； ③地下有暗河、伏流，鉆孔見洞率>30%或線巖溶率>20%； ④溶槽或串珠狀豎向溶洞發育程度達20m以上。軌道交通工程中主要涉及深部巖溶，因此，深圳巖溶區城市地鐵建設中一般按照上述③，④條評定巖溶發育程度。

深圳地鐵16號線全線設車站23座，各車站主要采用明挖法施工。受區域內NE向延展的龍崗向斜、NE向主干斷裂組(龍城斷裂組、企嶺嚇—九尾嶺斷裂組)、SW向青塘斷裂與龍崗河、坪山河等東江水系及周邊水庫影響，地鐵16號線巖溶強發育帶及巖溶水強徑流帶沿NE向展布[7]，龍城西站、數碼城站、回龍埔站、天健花園站、龍城中路站、龍平站、龍南站、龍東村站、同樂村站、田心站等均屬于巖溶強發育帶。在16號線車站建設過程中，數碼城站、龍東村站、同樂村站發生基坑突涌，這表明強巖溶發育是巖溶基坑突涌風險產生的必要條件。

1.2 溶洞分布特征及巖溶涌水量

深圳地鐵16號線主要為覆蓋型巖溶，發育的巖溶類型有溶洞、溶隙、溶槽、溶孔等，且以溶洞、溶隙為主。根據車站基坑圍護結構及主體結構周圍巖溶地質條件受工程擾動的程度，將基坑周邊劃分為以下區域：①巖溶地質顯著影響區 地鐵結構水平輪廓線外3m范圍內或車站結構底板以下完整基巖厚度≤5m(半土半巖厚度≤10m)的范圍；②巖溶地質一般影響區 地鐵結構水平輪廓線外3m范圍外或車站結構底板以下完整基巖厚度>5m(半土半巖厚度>10m)的范圍。

巖溶地質顯著影響區范圍內的溶洞一般會在車站圍護結構施工前進行處理。對于巖溶地質一般影響區范圍內的溶洞，根據洞頂穩定巖面頂板高度、覆跨比、溶洞規模等綜合判定巖溶塌陷風險后確定是否進行處理。

地鐵16號線車站站點溶洞分布特征如圖1所示。由圖1可知，溶洞發育的車站主要為數碼城站、回龍埔站、龍平站、龍南站、龍東村站、同樂村站，其中，回龍埔站占比94.2%的溶洞主要分布在基坑底板以下10m的位置，這些溶洞被提前加固處理的可能性較小，但由于巖溶涌水量<130m3/d，因此未發生巖溶突涌風險。龍平站和龍南站溶洞總數較多，在車站開挖范圍內溶洞占比分別為91.7%，40.4%，基坑底板以下0～5m范圍內溶洞占比分別為5.23%，33.7%，因此，龍平站和龍南站溶洞大部分被開挖或提前加固處理了，且最大巖溶涌水量較小，分別為591，297m3/d，因此未發生巖溶突涌風險。龍東村站、同樂村站溶洞主要分布在基坑底板以下10m的位置，占比分別為62.2%，43.2%，這些溶洞被提前加固處理的可能性較小，巖溶涌水量分別為1 903，1 479m3/d，因此在車站基坑開挖過程中多次發生巖溶突涌風險。

1.3 基坑底板以下發育的溶蝕裂隙

數碼城站僅有13.2%的溶洞分布在基坑底板以下10m的位置，且巖溶涌水量為442.493m3/d，相對較小。但數碼城站在基坑開挖過程中發生了巖溶突涌，這主要是因為基坑底板以下溶蝕裂隙發育。數碼城站巖芯樣如圖2所示，由圖2可知，數碼城站巖芯樣中溶蝕裂隙發育，主要為構造節理裂隙，后期由于含有CO2的侵蝕性地下水流溶蝕而成。

由于缺乏基坑底部巖體內裂隙分布及發育詳細數據資料，本研究通過數值模擬方法進行裂隙傾角對巖溶區基坑突涌風險影響分析。巖溶區基坑突涌災害是基坑開挖卸荷、開挖擾動及巖溶承壓水壓力共同作用下，巖溶水涌入基坑內的動力破壞現象。因此，基坑底部的塑性破壞區是潛在的突涌薄弱點。數值模擬時將傾角相同的裂隙看作1組裂隙，本文僅研究單組裂隙傾角變化對基坑底部塑性區擴展的影響規律。計算模型有限元網格劃分如圖3所示。

隨著基坑底板以下巖體裂隙傾角α的變化，當存在含有承壓水的單個溶洞(直徑D=3m)時，基坑底部塑性區分布如圖4所示。裂隙傾角α>90°時的塑性區分布與α≤90°時呈相應的對稱關系，限于篇幅本文未列出。

由圖4可知，裂隙傾角對基坑底部塑性區擴展方向及塑性區分布范圍均產生較明顯的影響。與基坑底部不存在裂隙的情況相比，當基坑底部裂隙傾角分別為0°，60°，90°時，發生基坑突涌所需的臨界水壓力分別為無裂隙的90.3%，80.6%，89.3%，這表明基坑底部巖體中裂隙的存在，減小了基坑底部抗突體厚度，從而增加了基坑突涌風險。基坑底部巖體存在傾角為0°～90°的裂隙時，發生基坑突涌風險所需的臨界水壓力小，且基坑突涌薄弱范圍大，工程中需特別注意。

1.4 基坑底板以下串珠狀溶洞

鉆孔揭露的串珠狀溶洞巖芯樣如圖5所示。本工程車站建設過程中，對于巖溶地質一般影響區范圍內串珠狀溶洞，當洞體之間的完整基巖層厚度<0.5m時，需處理至下層溶洞。這種處理措施是從巖溶塌陷角度出發，未考慮溶洞群貫通導致的基坑突涌風險。存在串珠狀溶洞時，數值模擬得到的基坑底部塑性區分布如圖6所示。由圖6可知，2個含有承壓水的串珠狀溶洞存在應力疊加區，其應力分布規律與單個溶洞不同，且在基坑開挖過程中易引起更復雜的圍巖應力分布，使2個溶洞之間的完整基巖層發生破壞，從而導致上、下溶洞相互串通。實際工程中，當垂直分布的2個溶洞之間的完整基巖層厚度>0.5m時，未被處理的溶洞中若存在高壓巖溶水或由于工程施工及溶洞內承壓水壓力增大導致的溶洞群串通，高水壓、大體量和良好補給通道的高壓巖溶水對基坑底部抗突巖土體的沖擊破壞作用更強，高壓水流、泥砂、巖屑等會大量涌出，對基坑工程造成的突涌危害更嚴重。

2 巖溶區基坑突涌處理技術

2.1 預處理技術

目前，巖溶預處理技術主要是針對易引起巖溶塌陷的溶洞制定的。但大量工程實踐表明，基坑開挖期間的巖溶基坑突涌風險不容忽視。制定巖溶區地鐵車站基坑巖溶預處理原則時，應按照巖溶塌陷、基坑突涌確定的最不利條件選擇最終的處理范圍。同時，預處理技術處理對象除溶洞外，還應包括基坑底部溶蝕裂隙。

針對基坑底部存在巖溶風險的溶洞，需根據溶洞規模及洞內充填情況確定相應的充填方案[9]：①對于洞高<2m的溶洞、全充填溶洞，進行袖閥管注漿；②對于洞高>2m的溶洞、無充填溶洞、半充填溶洞，采用灌填+袖閥管注漿相結合的處理方法，灌填料包括混合黏土砂漿和碎石；③施工前應進行現場注漿試驗，注漿參數根據試驗情況進行調整。

針對基坑底部巖溶風險的溶蝕裂隙，可采用基坑封底加固技術，主要進行注漿加固。注漿對巖土體黏聚力有較大的提高作用。數值模擬得到的基坑底部巖土體黏聚力與抗突體最小安全厚度的關系如圖7所示。

由圖7可知，隨著基坑底部巖土體黏聚力的增大，抗突體最小安全厚度呈指數減小趨勢。這主要是由于水泥漿液或化學漿液注入巖土體裂隙或孔隙中，改善了其物理力學性質，因此可有效降低基坑突涌風險。為消除基坑底部溶蝕裂隙導致的突涌風險，確保基坑開挖安全，建議對基底底部溶蝕裂隙發育的地層提前進行滿堂注漿。基坑底板注漿加固范圍及深度需根據溶蝕裂隙發育程度及溶洞內承壓水壓力確定。深圳地鐵16號線數碼城站對未開挖區域基坑內側和基底設置注漿截水帷幕及封底加固措施，按2m×2m梅花形布置雙排注漿截水帷幕，基坑底板按5m×5m梅花形進行封底注漿，如圖8所示。

2.2 動態應急處理技術

動態應急處理技術方案主要包括基坑涌水區域監測+突涌點快速有效止水+基坑外部截水+基坑內部封堵。

2.2.1基坑涌水區域監測

由于巖溶區基坑突涌發生時，會對基坑支護結構及基坑周邊環境產生影響。此外，巖溶區基坑突涌影響因素眾多，為快速、有效地實施應急治理技術，需根據基坑內、外響應進行應急治理方案動態調整。動態應急治理方案的關鍵是加強基坑監測，基坑涌水區域主要監測項目包括地表沉降、地下管線沉降、地下水水位、周邊建筑物沉降、支撐軸力、樁體水平及垂直位移、墻體傾斜、土體深層水平位移。根據監測數據統計分析基坑出現涌水情況以來的周邊測點變化情況，在保證基坑安全及對周邊環境影響小的基礎上，兼顧方案處理速度與經濟性，及時調整基坑突涌應急處理方案中的相關技術。

2.2.2突涌點快速有效止水

對于承壓水頭高、連通性好且水量較大的巖溶區域，應在勘察階段查清巖溶水水平滲流路徑及垂向滲流路徑。水文孔聲吶滲流測試可測出地下水流速、流向，建議結合鉆孔中投放示蹤劑的方式進一步明確涌水通道[10]。若基坑內、外巖溶水存在水力聯系，則基坑內部發生突涌時，流動的巖溶水會將外側泥砂攜帶入基坑內，影響周邊建筑物安全。另外，隨著時間的增加，突涌通道在水流沖刷作用下會增大，通過導水通道流入基坑內部的巖溶水流量、壓力隨之增大，導致后續采用的基坑突涌導水通道注漿封堵技術無法及時、有效地實施。因此，應采用快速有效止水技術及時阻止地下巖溶水向基坑內部流動。

1)突涌點局部蓄水反壓止水

若水壓及流量均較大，則采用蓄水反壓止水。水頭差是地下水流動的驅動力，當水頭差為0時，地下水停止流動。因此，如果能及時發現突涌點或確定突涌范圍，可采用突涌點局部蓄水反壓方法止水。本工程共建管廊6號井采用型鋼冠梁局部蓄水反壓止水如圖9所示。

若無法確定基坑中突涌點位置，也可采用基坑內部大范圍蓄水反壓止水。本工程共建管廊6號井發生突涌事故，由于短時間內難以控制涌水，考慮涌水可能造成周邊建(構)筑物、地表沉降，故在涌水期間回灌4 463m3水，最終基坑內涌水量<5m3/h，基坑內水位標高為38.000m，基坑中部水深18.3m，基坑內積水約9 100m3。該方法使基坑內、外水頭較好地達到完全平衡狀態，從而為后續治理提供了充足時間。

2)砂袋、土袋反壓+混凝土封底反壓+引水管引流降壓

若水流壓力及流量相對較小，則在突涌點首先采用砂袋反壓或采用噸袋裝填黏土進行反壓，防止基底土層在水流作用下擾動。采用砂袋、土袋反壓時，在涌水部位設置1根引流管。引流管采用鋼管或PVC管，管徑需與涌水量相匹配，配合挖掘設備，將引流管插入突涌點土層內，插入深度為3～5m，最后在管頂設置閥門。引水管設置完成后，在引水管周圍采用混凝土對土層表面進行封底、反壓。混凝土澆筑厚度根據涌水量及水壓確定，混凝土封底范圍為以突涌點為中心的15～20m。基坑內反壓混凝土減小了基坑內、外的水頭差，并起增加基坑穩定性的作用，有利于增強基坑外注漿效果，且反壓混凝土對控制基坑內涌水量起一定作用。引水管匯集出水點水流，方便集中鉆孔注漿。

2.2.3基坑外部截水

基坑外部截水措施是指截斷基坑外部巖溶水流入基坑內部的滲流路徑，即截斷巖溶水水平滲流路徑，以降低基坑突涌對周邊環境的影響，同時為基坑內部封堵巖溶水創造條件。

若能查明地下水流向，可在迎水面一側的基坑外部設置局部截水帷幕。局部截水帷幕可采用素樁，也可采用注漿帷幕。若未查明地下水流向或基坑內存在多點多次涌水事故，應在基坑外側周邊設置截水帷幕。本工程共建管廊6號井基坑突涌由38～53m深度處隱伏大溶洞內的承壓水通過溶蝕裂隙涌入基坑內所致。為封堵基坑周邊可能造成基坑涌水的裂隙通道，在基坑四周施作截水帷幕。截水帷幕由1排袖閥管注漿孔形成，注漿孔間距2m，距地下連續墻1.5m，鉆孔深度為41.8m，超過地下連續墻深度10m。注漿孔布置如圖10所示。

2.2.4基坑內部封堵

基坑內部封堵措施是指將基坑內部的巖溶涌水導水通道進行封堵，即封堵巖溶水垂向滲流路徑。基坑內部的巖溶涌水導水通道封堵措施主要包括應急封堵+注漿封堵。

應急封堵主要采用棉被、原木對涌水孔位進行堵塞，使用挖掘機配合人工將棉被塞入涌水孔洞內，分多次塞入，直至塞滿，最后將原木釘入孔洞頂部，完成初步應急封堵，防止涌水快速擴大，為下步處置爭取時間。

基坑內部涌水通道注漿封堵可采用后退式注漿工藝[8]，當反壓完成后，以出水點為中心，設置內、外多層注漿孔。首先在外層布置注漿機進行注漿，根據返漿情況確定水力通道，同時調整漿液凝結時間并進行封堵。當水流量大、流速快，漿液無法快速凝結時，在內層增設注漿機對水力通道周邊土體進行擠密，同時在突涌點周邊堆碼砂袋，分散水流，減緩水流速度。

3 結語

通過對深圳地鐵16號線車站明挖法施工過程中發生突涌風險的基坑進行分析，得出以下結論。

1)進行基坑突涌風險分析時，需綜合考慮車站區域范圍內巖溶總體發育程度、溶洞分布特征及巖溶涌水量、基坑底板以下溶蝕裂隙發育特征、基坑底板以下串珠狀溶洞發育特征等因素。

2)進行巖溶區地鐵車站基坑巖溶預處理時，應按照巖溶塌陷、基坑突涌確定的最不利條件選擇最終的處理范圍。預處理技術處理對象除溶洞外，還應包括基坑底部溶蝕裂隙。對基坑底部巖土體進行注漿加固，可有效降低溶蝕裂隙導致的基坑突涌風險。

3)巖溶區基坑突涌應急處理技術包括突涌點反壓快速有效止水、基坑外部設置截水帷幕截斷巖溶水水平滲流路徑、基坑內部設置封堵措施封堵巖溶水垂向滲流路徑。

4)應根據巖溶地下水流向、基坑突涌點涌水規律，客觀、科學地進行基坑內、外截水封堵設計，并結合基坑內、外監測點響應，對巖溶區基坑突涌應急處理方案進行動態調整。