巖溶地質條件下深厚砂層對地下車站明挖法施工的風險分析

劉秀麗

廣東省地質物探工程勘察院 廣東 廣州 510800

隨著經濟社會和城市建設的高速發展，地下工程建設的需求日益增多，隨著地下空間的開發，在巖溶區進行城市地下車站建設已成為不可避免的問題。當城市地鐵車站建設在巖溶發育區，施工過程中極易發生基坑坍塌、涌水、支護結構滲漏水、基底突涌等風險，繼而引發地面沉降、地面塌陷等地質災害，如果巖溶區上覆第四系土層為深厚砂層時，更為復雜的地質條件使車站深基坑及圍護結構的施工難度加大，安全風險更高。一旦處理措施不當極可能發生嚴重的安全生產事故，造成重大的社會影響和經濟損失。為避免和減少巖溶區地下車站建設引發的安全和地質問題，本文依托廣州地鐵八號線北延段擬建江府站地下車站工程，分析巖溶區上覆深厚砂層進行地下明挖車站的工程風險。

廣州地鐵八號線北延段位于廣花凹陷構造區，沿線發育多條斷裂，受花縣復向斜構造控制，沿線不良地質作用主要有巖溶、斷裂和風化深槽，地層種類繁多、巖體破碎、巖面起伏變化，且巖溶強烈發育，局部揭露砂層厚度達28m，整體地質條件復雜。沿線主要沿既有市政道路敷設，地下管線密集，周邊多高層住宅等敏感建筑物，局部下穿鐵路、河流等，工程環境周邊條件復雜。面對如此復雜的地質條件、場地條件，如何確保地鐵建設的安全，對勘察和施工都是巨大的考驗和挑戰。

1 工程概況

江府站位于廣州市廣花三路與江府路交叉路口北側，沿廣花三路南北向敷設，周邊為國道、住宅區、商業區等。江府站為單柱雙島四線車站，全長362m，標準段寬為45.7m，車站底板埋深18.35m。車站采用明挖法施工，圍護結構采用800mm連續墻+內支撐的體系。車站共設4個出入口和2組風亭。車站平面位置及結構示意圖見圖1。

圖1 車站平面結構示意圖

2 工程地質條件

2.1 地質構造

場區位于廣花凹陷構造區。主體構造是北東向，由上古生界及其褶皺和伴生的斷裂以及二疊系和古近系向斜盆地構成。本區第四系地層主要由上更新統和全新統人工填土、沖洪積砂層、沖洪坡積土層和殘積層組成，下伏基巖主要為石炭系、二疊系、三疊系和古近系碎屑巖和碳酸鹽巖，巖性有灰巖、泥灰巖、炭質灰巖、炭質泥巖或頁巖、砂巖、泥巖、礫巖、灰質礫巖等。本構造區內不良地質作用主要有巖溶、斷裂和風化深槽。根據《廣州市斷裂構造圖》（1：50000）、《廣州市基巖地質圖》（1：50000）以及《廣花盆地基巖地質圖》（1：50000）等相關區域地質資料，本場地附近發育的斷裂構造主要為北東向斷裂F3，場地地質構造示意圖見圖2。

圖2 場區地質構造示意圖

F3斷裂為唐閣斷裂組次級斷裂，分隔三疊系小坪組及石炭系測水組。唐閣斷裂組在區域上為礌崗斷裂，礌崗斷裂屬廣從斷裂的分支斷裂。形成于印支期燕山期，早期為逆斷層晚期為平移正斷層。斷裂北段主要發育于石炭紀地層中，測水組與壺天群灰巖呈斷層接觸，在唐閣一帶見測水組與第三紀莘莊組呈斷層接觸。斷面舒緩波狀，發育構造角礫巖、碎裂巖及硅化巖等。南段多為第四系覆蓋，地表零星出露。在廣三斷裂以北地段，大賽壩組與測水組呈斷層接觸，其兩側巖石破碎，揉皺強烈，見擠壓透鏡體。廣三斷裂以南，斷裂主要發育于白堊系中，在礌崗一帶，見測水組與第三紀白鶴洞組呈斷層接觸。破碎帶中以發育硅化構造角礫巖、硅化巖及碎裂巖等為特征。

F3斷裂未直接與江府站相交，且距離車站最南端約305m，斷裂對車站的影響較小。

2.2 地層特征

根據勘察揭露，場區自上而下地層依次為人工填土層，沖洪積砂層、粉質黏土層；基坑底板位于沖洪積砂層、粉質黏土層，如圖3所示。場區基巖為石炭系壺天群灰巖，基巖埋深較大，巖溶見洞率約54.9%，線巖溶率為27.0%，巖溶強烈發育。本次勘察揭露巖溶洞隙大部分呈無充填狀態，部分全充填或半充填。大部分鉆孔揭露巖溶為空洞，無充填物，在鉆探中出現掉鉆現象，嚴重漏水。其余鉆孔充填物主要為流塑-可塑狀粉質黏土、砂礫以及灰巖塊，鉆探中表現為漏水，地層軟弱，鉆具自重下沉現象。

圖3 代表性工程地質斷面

本場地內砂層廣泛發育，主要為粗砂、礫砂，在水平方向和垂直方向上均連續分布。場地砂層松散、地下水豐富、自穩性差、流動性強、震動條件下易液化，開挖過程極易出現突水涌砂和坍塌等。

2.3 水文特征

車站北端30m分布一條河涌，場地砂層連續發育，地表水和地下水有一定的水力聯系。

本場地范圍內砂層廣泛連續發育，且多為顆粒較大的粗砂、礫砂等，平均厚度約20m，主要分布在車站側壁及底板以下，受大氣降水和地表水補給，主要為潛水。根據現場抽水試驗，巖溶的滲透系數約為4～12m/d，砂層的滲透系數為17～27m/d，抽水試驗成果見表1，可知巖溶裂隙含水層的透水性中等～強，砂層含水層的透水性強。基底下砂層承壓水沖破頂板發生滲流、管涌的可能性較大。底板下巖溶強烈發育，巖溶裂隙水的水量中等～豐富，具有承壓型，在基坑施工時發生突涌的可能性大。基坑涌水量為側壁及底部砂層涌水量之和，總計為15933m3/d。第四系孔隙水和巖溶水存在一定的水力聯系，水文地質條件復雜。

表1 巖溶裂隙及砂層含水層現場抽水試驗成果

3 工程風險

3.1 周邊環境風險

場地位于廣花三路與江府路交叉路口北側，周邊為中高層建筑、加油站、廠房等（見圖4），多棟建筑物均為樁基礎，距離車站有一定的距離。車站基坑開挖、降水等施工過程若引起周邊地下水位變化或周邊地表大面積沉降，將會導致周邊房屋建筑發生沉降，嚴重時會出現安全問題。

圖4 場地周邊環境

場地地下管線密集，主要為廣花三路、江府路兩側地下敷設的電信、給水、雨水、污水、燃氣及電力管線等。對于車站影響較大的管線主要有雨水管、污水管、排水渠、排水渠及緊鄰本車站東側的在建地下市政綜合管廊。基坑開挖施工時若措施不當，極易引起基坑變形、失穩、基底突涌等，引發地面沉降，甚至地面塌陷等地質災害，直接影響場地附近建筑物及重要管線的安全。場地位于巖溶區，巖溶發育強烈，基坑開挖或樁基施工過程中遇到巖溶土洞，發生地面塌陷，引起小范圍的地震，對周邊環境造成破壞。

3.2 地質風險

場地總體上砂層發育，在富水條件下的細粒徑砂土層，一旦產生涌水，極可能因地層中產生水路通道在水的滲透力作用下使鄰近細粒徑泥砂被帶出形成涌砂，甚至進一步形成地層空洞，造成地表塌陷及地下管線破壞[1]。

場地巖溶強發育，大部分呈無充填狀態，在鉆探中出現掉鉆和嚴重漏水現象。溶洞頂面埋深28.10～53.90m，洞高0.20～19.30m。不穩定洞體、水力聯系復雜的洞體對車站基坑的穩定性很不利，對樁基、連續墻施工影響很大，可能造成地面沉陷、突水等工程事故。本場地巖溶強烈發育，樁基成樁容易出現偏樁、掉鉆、塌孔等風險。受巖溶的影響，地連墻成槽時可能引發塌陷、跑漿、墻體傾斜等現象理。

場地砂層水水量豐富，巖溶水具承壓性、水量豐富，地下水沿分界面滲流，水動力條件較復雜，滲漏通道較多。在地下連續墻或樁基施工可能連通砂層與灰巖的地下水，并誘發巖土體的快速流失，導致基坑外發生地面沉降、地面塌陷的工程風險大，并危及周邊路面交通或民房地基的穩定性。

3.3 工程風險

場地位于灰巖區，受巖溶影響，部分區域巖土體溶蝕，導致巖土體力學性質變差，受水文地質或人類生產生活影響，可能形成溶洞、土洞或巖溶塌陷[2]。江府站范圍巖溶發育，砂層較厚，地下水豐富。巖層的涌水量和透水性主要由其裂隙發育程度所控制，存在明顯的不均勻性，因此局部有較大涌水量的可能。

對于未能探測到的溶洞無法進行處理，基坑圍護結構施工與土方開挖過程中可能會激活溶洞，發生巖溶塌陷，引起周邊道路和建筑物沉降。另外，車站側壁分布深厚富水砂層，基坑開挖時可能發生側壁漏水和坑底管涌，圍護結構施工時也將遇到富水性強的砂礫層，其強透水性和松散易垮塌的特點對樁基和成槽有不利影響。

基坑降水時使周邊土層產生的沉降成漏斗分布，建筑物距基坑越近，沉降越大[3]。如基坑周邊土體地下水位下降過快，則土層將失水壓密，導致周圍鄰近建（構）筑物發生不均勻沉降或開裂，危及周邊建（構）筑物的安全。

4 風險防控措施

（1）巖溶的風險防控措施

在巖溶區進行地下車站建設前，須對巖溶區進行勘察，詳細查明勘察范圍可溶巖地層分布、地層年代、巖性成分、地層厚度、裂隙發育程度等工程地質特征，查明地下水類型、滲透性、水力聯系等水文地質特征，結合勘察資料分析、預測場地巖溶塌陷的可能性及對周邊建（構）筑物的影響。在施工階段還應采取探邊、物探等手段進一步查明巖溶的發育情況。對樁基、連續墻槽段盡可能做到“一樁一孔、一槽兩孔”的地質超前鉆探。

當溶洞未經處理或處理不當，可能會引發圍護結構坍塌、地面塌陷、基坑底部突涌等工程事故，因此在圍護結構施工及基坑開挖前需要對勘察揭露的溶洞進行處理，才能滿足基底及結構的承載力和變形要求，同時能降低因巖溶引發風險的可能性。根據已有經驗，在已探明的溶洞直接注漿充填是溶洞處理較常采用也是最主要的方法。注漿加固后的土體應具有較好的均勻性和密閉性，加固效果的檢驗更是保證基坑穩定性的關鍵[4]，因此注漿處理施工完畢后，須按照相關檢測規范和設計要求進行地基承載力、基底地層注漿處理質量檢測，確保注漿效果。

對于埋深較大的車站，特別是溶洞較發育的車站，基坑開挖風險較大，應加大連續墻的深度，且止水帷幕應進入隔水層足夠深度，以防止基坑內外通過墻底溶洞或裂隙形成涌水通道，待將溶洞大小、類型進行區域劃分后，再進行有針對性的處理，做好各自風險應對措施及緊急應預案，將施工風險控制在較小影響范圍內。

（2）深厚砂層的風險防控措施

江府站環境復雜，周邊建（構）筑物密集，鄰近市政道路交通繁忙，東側緊鄰在建地下綜合管廊，工程地質條件及水文地質條件復雜。車站范圍內存在深厚砂層，部分砂層直接覆蓋在微風化灰巖之上。江村站為明挖車站，存在基坑開挖，基坑降水時如基坑周邊土體地下水位下降過快，則土層將失水壓密，導致周圍鄰近建（構）筑物發生不均勻沉降或開裂，危及周邊建（構）筑物的安全。

基底砂層極發育，為防止基底砂層發生涌水、突水等事故，且軟弱土層不滿足下臥層承載力要求，建議對基底土層進行注漿等預處理措施。注漿處理施工完畢后，須按照相關檢測規范和設計要求進行地基承載力、基底地層注漿處理質量檢測，確保注漿效果。同時可考慮沿車站主體結構周邊靠近重要建（構）筑物或管線附件布置回灌井。當砂層厚度小于5m時，回灌井底挖至砂層底；砂層厚度大于5m時，回灌井底挖至砂層頂面以下不小于5m。

5 結論

江府站位于巖溶強發育區，部分鉆孔揭露大溶洞，同時上覆連續發育深厚砂層，巖溶裂隙及砂層含水層透水性中等～強，工程地質條件和水文地質條件十分復雜，地下車站明挖施工存在巨大的工程風險，基坑降水可能造成地面沉降、巖溶塌陷等事故。針對巖溶的風險，本文建議應開展巖溶專項勘察工作，建議采用鉆探與物探相結合的方法，進一步查明場地溶洞、土洞的分布、規模、充填物情況等，重點是結構底板位于巖溶發育區地段，并進行場地安全性、穩定性評價，以指導巖溶區地基處理。條件許可時，應做好巖溶施工前的超前預報。對已查明的溶洞進行有效注漿充填，并按有關規范檢測注漿效果。對于深厚砂層的風險，則建議對基底影響范圍內的砂層進行注漿充填，同時考慮在圍護結構周邊布置回灌井。