譚佳，涂文博，張鵬飛

（1、廣州地鐵集團(tuán)有限公司廣州510308；2、華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院南昌330013）

0 引言

我國(guó)巖溶地質(zhì)分布廣泛，隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的增大，巖溶發(fā)育區(qū)的工程量及相關(guān)地質(zhì)難題也顯著增加。地鐵線(xiàn)路穿越巖溶發(fā)育區(qū)且無(wú)法規(guī)避，在以往的巖溶發(fā)育區(qū)地鐵線(xiàn)路施工中，現(xiàn)有研究著重探討施工前的溶（土）洞處理技術(shù)及處理后的效果［1-3］，對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)地鐵施工過(guò)程中突發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題應(yīng)急處理措施則關(guān)注較少。地鐵線(xiàn)路施工過(guò)程中承壓水對(duì)車(chē)站基坑的開(kāi)挖穩(wěn)定有十分重要的影響，特別是在巖溶發(fā)育區(qū)，地下水分布密集，施工中穿越溶（土）洞或斷裂破碎帶時(shí)極易造成過(guò)水通道連通并引起坑底土體開(kāi)裂，產(chǎn)生突水、涌砂或涌土等形式的突涌破壞，甚者引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌，影響基坑施工安全，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失［4，5］。

合理處置巖溶地質(zhì)引起的基坑承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)是保障巖溶發(fā)育區(qū)地鐵線(xiàn)路施工安全及進(jìn)度的重要前提。深基坑工程承壓水突涌主要由地質(zhì)勘察結(jié)果不詳、基坑超挖、降水措施失效、坑內(nèi)封底加固質(zhì)量不理想及對(duì)場(chǎng)地內(nèi)孔洞處理不當(dāng)?shù)仍蛟斐桑?］。近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)深基坑工程承壓水突涌處理措施展開(kāi)了相關(guān)研究。徐長(zhǎng)節(jié)［7］結(jié)合杭州地鐵線(xiàn)路承壓水突涌實(shí)例提出了臨近江?；庸こ痰目拥坠酀{加固方法。葉向前［8］根據(jù)杭州某基坑承壓水突涌實(shí)例，總結(jié)承壓水突涌事故的發(fā)生規(guī)律和搶險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了事前確保孔洞封堵質(zhì)量-事中做好應(yīng)急預(yù)案的預(yù)防承壓水突涌措施。葉可炯等人［9］和周紅波等人［10］分別采用三維滲流模型及故障樹(shù)分析法提出了軟土地區(qū)深基坑工程深層承壓水風(fēng)險(xiǎn)防治及控制措施。蔣力［11］和戴斌等人［12］則基于杭州及上海多個(gè)基坑工程實(shí)例概括總結(jié)了承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)處理措施。上述承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理措施均以軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖工程為背景，但針對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)而言，溶（土）洞分布密集，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，基坑開(kāi)挖引起的承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題應(yīng)急處理技術(shù)研究則甚少。

本文以某巖溶發(fā)育區(qū)穿越斷裂破碎帶的地下車(chē)站明挖基坑工程為例，分析巖溶發(fā)育區(qū)基坑斷裂破碎帶引起承壓水突涌的原因，并針對(duì)性地總結(jié)提出斷裂破碎帶承壓水突涌應(yīng)急處理技術(shù)，為今后正確認(rèn)識(shí)并解決巖溶發(fā)育區(qū)穿越斷裂帶地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖施工中的承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)提供有益參考。

1 工程概況

該地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖工程全長(zhǎng)124.1 m，范圍為19.5 m（寬）×14.52 m（高），頂板埋深3 m。采用地下連續(xù)墻支護(hù)，其厚度為0.8 m。地質(zhì)勘察資料顯示基坑連續(xù)墻穿過(guò)雜填土層、淤泥質(zhì)土層、砂層、殘積可塑狀黏性土層等，墻底位于中風(fēng)化和微風(fēng)化帶砂巖、礫巖地層，基底東側(cè)位于沖積-洪積河湖相淤泥質(zhì)土層，基底中部位于殘積可塑狀黏性土層?；孜鱾?cè)位于全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化帶砂巖、礫巖地層，工程地質(zhì)斷面圖如圖1所示。車(chē)站地下水水位埋藏較淺，穩(wěn)定水位埋深標(biāo)高為4.67～7.80 m，地下水位年變化幅度為2.5～3.0 m。

沿基坑外圍布設(shè)勘探孔，勘察結(jié)果顯示基巖溶洞密集，且空間分布變化較大，鉆孔揭露孔洞概況如表1所示。從表1 中可看出，本場(chǎng)地溶洞的洞頂埋深為22.00～39.50 m，洞頂標(biāo)高為-31.70～-14.20 m，洞底埋深為23.50～40.00 m，洞底標(biāo)高為-32.20～-15.70 m，洞高為0.20～1.80 m，平均洞高0.60 m。洞頂埋深大多數(shù)位于20.00～30.00 m，局部發(fā)育較深。

2 基坑承壓水突涌及原因分析

2.1 承壓水突涌概況

車(chē)站基坑在進(jìn)行最后一段底板施工時(shí)，基坑底部出現(xiàn)大量承壓水突涌現(xiàn)象，平均涌水量為150 m3/h，含砂率約0.5%，且涌水量和含砂率逐漸增加，涌水點(diǎn)位置如圖1所示。后續(xù)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)承壓水突涌引起車(chē)站附近建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)連續(xù)下陷，包括距離車(chē)站1000 m處一棟民用住房發(fā)生下陷，400 m 處一座魚(yú)塘發(fā)生下陷及300 m處一座變壓器下陷等。

2.2 承壓水突涌原因

設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察資料顯示涌水點(diǎn)基坑坑底位于砂巖、礫巖地層，基底不應(yīng)出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象。為進(jìn)一步查明原因，沿基坑外側(cè)附近開(kāi)展了補(bǔ)充勘察工作。補(bǔ)充勘察共布孔26 個(gè)，鉆孔編號(hào)為B1～B26，如圖2 所示。鉆孔顯示Ⅰ分區(qū)主要為礫石，顏色較深，砂巖鈣質(zhì)較高，鈣質(zhì)膠結(jié)為主。鉆孔顯示Ⅱ分區(qū)主要以粉砂巖、含礫粉礫巖及構(gòu)造角礫巖為主，為含粉砂粉晶結(jié)構(gòu)灰?guī)r。鉆孔中均揭露有地質(zhì)空洞，巖芯局部構(gòu)造擠壓明顯且鉆探過(guò)程中出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，其中鉆孔B14 及B15漏水嚴(yán)重，鉆探泥漿水從基坑坑底冒出，表明基巖中存在連通的過(guò)水通道。依據(jù)巖芯局部構(gòu)造擠壓及漏水鉆孔分布，推測(cè)基坑場(chǎng)地內(nèi)發(fā)育一組次生斷裂破碎帶且漏水處可能存在一些與其伴生的共軛裂隙，斷裂破碎段的總體走向如圖2所示。鉆孔顯示Ⅲ分區(qū)主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為含礫粉砂巖，礫石較小，泥質(zhì)成份較多，泥質(zhì)膠結(jié)為主。

表1 鉆孔揭露溶洞概況Fab.1 Overview of Karst Caves Displayed by the Borehole

圖1 涌水處工程地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological Section around the Gushing Water Point

圖2 斷裂破碎帶走向示意圖Fig.2 Strike of Fracture Zone

根據(jù)補(bǔ)充勘察結(jié)果初步總結(jié)事故可能發(fā)生原因如下：

⑴ 基坑開(kāi)挖場(chǎng)地巖溶發(fā)育，地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，針對(duì)承壓水的勘察工作不夠詳細(xì)，未能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)相鄰地下水及斷裂破碎帶分布?；娱_(kāi)挖時(shí)，斷裂帶裂隙同溶洞連通形成過(guò)水通道，引起突涌，涌水主要為基巖裂隙空洞水。

⑵ 基坑主體結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)，連續(xù)墻底部雖進(jìn)入強(qiáng)、中風(fēng)化巖層，能有效阻隔潛水，但根據(jù)勘察資料顯示，溶洞發(fā)育較深地段連續(xù)墻嵌入深度不夠，未達(dá)到很好的截水帷幕作用，無(wú)法隔斷基坑內(nèi)外承壓水水力聯(lián)系，且涌水點(diǎn)附近殘積層局部缺失，基巖裂隙同砂層直接接觸并形成地下水通道，地下水可能從基坑內(nèi)薄弱部位涌出。

⑶ 除了斷裂帶引起的過(guò)水通道外，可能仍存在未探明的溶洞或前期各種人為因素留下的未嚴(yán)格封堵孔洞，此溶洞成為承壓水與地下含水層的水力聯(lián)系通道。當(dāng)基坑開(kāi)挖到一定深度后，不排除局部地下承壓水沿連通的地下孔洞涌入基坑，增加涌水量。

⑶ 由于承壓水大量涌出，易形成水位下降漏斗，漏斗范圍內(nèi)應(yīng)力重分布可能進(jìn)一步伴隨溶（土）洞的失穩(wěn)及土顆粒流失，從而引起地面沉降或塌陷，造成周邊房屋開(kāi)裂及道路管線(xiàn)錯(cuò)裂破損等次生災(zāi)害。

3 承壓水突涌應(yīng)急處理技術(shù)

3.1 臨時(shí)搶險(xiǎn)方案

事故發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)立即采取應(yīng)急處理措施，第一時(shí)間對(duì)集水坑插管封閉，基坑外側(cè)塌陷處回填碎石及混凝土，清除坑底土體，加厚底板下混凝土墊層并布置鋼筋網(wǎng)片防止底板開(kāi)裂。另外，在涌水點(diǎn)底板處進(jìn)行素混凝土澆注，接排水管封閉集水坑。但由于承壓水壓力較大，強(qiáng)制封堵未達(dá)到預(yù)期效果，承壓水涌水量并未得到有效控制。此時(shí)，根據(jù)處理效果立即變更處理措施，暫不封堵過(guò)水通道，采取基坑內(nèi)快速蓄水措施形成基坑內(nèi)外水壓平衡，堵住基底涌水涌沙，并對(duì)基坑及周邊建筑物加密監(jiān)測(cè)，隨時(shí)關(guān)注地面變形發(fā)展。

3.2 突涌水風(fēng)險(xiǎn)處理方案

承壓水是影響巖溶發(fā)育區(qū)基坑開(kāi)挖安全的一個(gè)重要因素。承壓水作用下基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足式⑴［13］的要求。

式中：γ為承壓水含水層頂面至坑底土層的天然重度；hw為承壓水的壓力水頭；γw為水的重度；D為承壓水含水層頂面至坑底的厚度；Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，一般Kh≥1.1。

基于式⑴可知，基坑抗突涌穩(wěn)定主要與承壓水水頭及坑底土體特性密切相關(guān)。預(yù)防治理基坑承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)可從隔斷承壓水、降低承壓水位和基坑坑底加固出發(fā)。為盡快解決基坑突涌險(xiǎn)情，通過(guò)比較研究，采用了設(shè)置隔水層及綜合注漿的措施對(duì)斷裂破碎帶承壓水突涌問(wèn)題進(jìn)行處理。

3.2.1 設(shè)置隔水層

在車(chē)站基坑外圍設(shè)置垂直止水帷幕，阻止基坑側(cè)壁及基坑底部地下水的涌入。止水帷幕由一排旋噴樁止水帷幕組成，單管旋噴樁為φ500@300，內(nèi)排注漿孔間距為600 mm，隔水層設(shè)置如圖3 所示。同時(shí)，對(duì)基坑內(nèi)涌水點(diǎn)底部巖層進(jìn)行灌漿，填充并固結(jié)基底以下8.0～10.0 m 范圍內(nèi)破碎帶巖層，形成穩(wěn)定的隔水層，消除基底涌水。

圖3 隔水層設(shè)置示意圖Fig.3 The Layout of Waterproof Curtain

3.2.2 綜合注漿施工

設(shè)置隔水層后，采用以袖閥管注漿為主，其它靜壓填充注漿為輔的綜合注漿方法加固坑底。斷裂破碎帶承壓水綜合注漿處理方案如圖4所示。

圖4 綜合注漿處理Fig.4 Treatment by the Comprehensive Grouting Method

基坑外注漿采用梅花形布孔，沿平行于基坑外邊緣方向布置3排注聚氨酯漿孔，并于標(biāo)高16.9～35.0 m范圍內(nèi)從上到下分層灌漿，切斷基坑外圍一定范圍內(nèi)砂層與斷裂破碎帶相連的涌水通道及斷裂破碎帶一定深度范圍內(nèi)向基坑內(nèi)的涌水通道。待基坑外注漿孔完成后對(duì)坑內(nèi)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，判斷涌水通道封堵情況?；觾?nèi)采用以單液漿或雙液漿的滿(mǎn)布注漿孔對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵施工，梅花形布孔，間距1.5 m?；觾?nèi)外注漿孔平面布置如圖5所示，陰影區(qū)為注漿加固范圍。

圖5 基坑注漿孔平面布置圖Fig.5 The Layout of the Grouting Hole of Foundation Pit

為提高注漿效率及注漿質(zhì)量，對(duì)注漿范圍進(jìn)行平面分區(qū)，且各區(qū)內(nèi)鉆孔和注漿進(jìn)行平面分序和垂直分層。垂直分層注漿段施工順序如圖6 所示，注漿深度為地面以下16.9～35.0 m 范圍，豎向長(zhǎng)度為18.1 m，分3 段進(jìn)行。為了有效控制漿液上升外溢，使?jié){液灌入理想位置，采用下行式注漿，即先施注最上方第1 層，再依次序灌注第2、3層，如圖6中步驟①～⑥所示。下行式注漿可在第1 層范圍內(nèi)形成一個(gè)硬殼，使其下兩層具備較高的注漿壓力，充分填塞巖層中的裂隙孔洞。

圖6 垂直分層注漿施工順序示意圖Fig.6 Illustration of Construction Sequence of Vertical Layered Grouting Method

水平注漿施工順序如圖7所示。為有效控制鉆孔串漿，注漿段第1層先采用雙液漿施注內(nèi)側(cè)Ⅰ排（靠近地下連續(xù)墻的一排），再采用雙液漿施注外側(cè)Ⅱ排，最后采用單液漿施注中間Ⅲ排；注漿段第2、3 層先采用雙液漿施注外側(cè)Ⅰ排，再采用單液漿施注中間Ⅱ排，最后采用雙液漿施注內(nèi)側(cè)Ⅲ排。

圖7 水平注漿施工順序示意圖Fig.7 Illustration of Construction Sequence of Horizontal Grouting Method

由于現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)手段較難準(zhǔn)確探明斷裂破碎帶的走向及范圍，注漿施工中漿液很可能順斷裂破碎帶流動(dòng)至其他未知區(qū)域，不但降低堵水效果且影響周邊建筑物的安全。施工中為克服上述問(wèn)題，合理控制整個(gè)注漿的范圍，采用了動(dòng)態(tài)引導(dǎo)方式灌漿，即灌漿過(guò)程中適當(dāng)降低基坑內(nèi)水位，利用坑內(nèi)外水頭差引導(dǎo)灌漿漿液的流動(dòng)方向來(lái)控制注漿范圍。

3.3 處理效果評(píng)價(jià)

注漿完成后，在基坑主體結(jié)構(gòu)布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、基坑外圍布置地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及12 個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔。其中，6 個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)深層巖石裂隙水及基巖破碎帶的水位變化情況，另外6 個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)砂巖及以上地層的水位變化情況。

對(duì)基坑進(jìn)行抽水試驗(yàn)，降低基坑內(nèi)蓄水水位并觀(guān)察坑內(nèi)外監(jiān)測(cè)孔水位變化情況。第1天抽水降低基坑內(nèi)水位30 cm 并觀(guān)察24 h 后，發(fā)現(xiàn)基坑內(nèi)外監(jiān)測(cè)孔水位均無(wú)明顯變化。然后連續(xù)3 d 每天降低基坑內(nèi)水位30 cm 并進(jìn)行觀(guān)測(cè)，結(jié)果仍顯示檢測(cè)孔水位基本不變。再將每天的水位下降增加到50 cm，連續(xù)8 d，觀(guān)測(cè)結(jié)果與先前一致，此時(shí)觀(guān)測(cè)孔中測(cè)到的巖層水位比基坑內(nèi)水位高5.2 m。為謹(jǐn)慎起見(jiàn)，之后每天抽水1～2 m 并繼續(xù)觀(guān)測(cè)水位，直到基坑內(nèi)蓄水標(biāo)高為0 m，未出現(xiàn)涌水情況。另外，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示基坑主體結(jié)構(gòu)變形得到有效控制，地表變形穩(wěn)定且無(wú)進(jìn)一步的沉降趨勢(shì)。抽水完成后基坑內(nèi)有近2 m 厚泥漿，據(jù)分析其應(yīng)為注漿過(guò)程中漿液從孔洞裂隙中擠出的置換物。在涌水點(diǎn)及附近基底設(shè)置3 m 深探孔確認(rèn)無(wú)涌水現(xiàn)象后，清除淤泥進(jìn)行后續(xù)施工。

通過(guò)檢測(cè)抽水前后基坑內(nèi)水位變化、觀(guān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)底板變形及基坑周?chē)浇乇沓两档惹闆r，確定注漿加固發(fā)揮了堵水效果，基坑內(nèi)因溶洞及斷裂破碎帶裂隙產(chǎn)生的過(guò)水通道得到有效封堵，也側(cè)面印證了斷裂破碎帶的存在是導(dǎo)致本次基坑承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)的主要原因。

3.4 注意事項(xiàng)及技術(shù)要求

⑴ 基坑場(chǎng)地占地面積較大，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，當(dāng)設(shè)計(jì)階段詳細(xì)勘察孔距較大時(shí)，“一孔之見(jiàn)”無(wú)法準(zhǔn)確揭示溶（土）洞空間形態(tài)和規(guī)模時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充勘察，獲取工程地質(zhì)信息，為正確判斷基坑承壓水突涌原因提供依據(jù)。

⑵ 基坑開(kāi)挖發(fā)生承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)先立即采取臨時(shí)應(yīng)急處理措施，控制涌水量，再進(jìn)行基坑坑底加固，即“先堵漏，再注漿”，以防止過(guò)大的承壓水頭進(jìn)一步引起基坑主體結(jié)構(gòu)、支護(hù)發(fā)生變形或破壞風(fēng)險(xiǎn)。

⑶ 承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)對(duì)周?chē)ǎ?gòu)）筑物的監(jiān)測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)異常并采取應(yīng)急管控措施，實(shí)施信息化指導(dǎo)施工，進(jìn)一步減少次生災(zāi)害。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴ 巖溶發(fā)育區(qū)基坑開(kāi)挖施工前，應(yīng)進(jìn)行全面勘察并加大勘察密度，創(chuàng)新勘察手段，盡可能準(zhǔn)確詳盡地探明溶（土）洞分布等地質(zhì)情況，有效全面的勘察可為各方提供合理的施工措施及依據(jù)，進(jìn)行工程預(yù)控。本次補(bǔ)充勘察發(fā)現(xiàn)斷裂破碎帶的存在是導(dǎo)致承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)的主要原因。

⑵ 國(guó)內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)地鐵線(xiàn)路施工中，基坑開(kāi)挖引起斷裂破碎帶承壓水突涌尚屬首次，本工程針對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)采用先設(shè)置隔水層切斷涌水通道，再進(jìn)行綜合注漿施工處理措施，有效封堵了溶洞及斷裂破碎帶形成的過(guò)水通道，消除突涌。

⑶ 基坑外側(cè)注漿切斷斷裂破碎帶引起的涌水通道，并結(jié)合基坑內(nèi)垂直分層注漿封堵坑內(nèi)涌水點(diǎn)的綜合注漿法適用于斷裂破碎帶基坑內(nèi)外過(guò)水通道連通問(wèn)題。該施工技術(shù)可有效解決巖溶發(fā)育區(qū)穿越斷裂破碎帶基坑開(kāi)挖過(guò)程中承壓水突涌問(wèn)題，保證施工安全及進(jìn)度，為今后巖溶發(fā)育區(qū)基坑開(kāi)挖承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題提供參考。