黃嘉恒，張鵬飛，涂文博

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州510000；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌330013）

1 引言

巖溶地質(zhì)對地鐵車站基坑的設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營維護(hù)安全性具有較大影響【1】。當(dāng)基坑底部下覆土層自重不足以平衡承壓水頭差時，地下水將沖毀土層造成突涌災(zāi)害【2】。同時，突涌水引起的地下水位下降可能會進(jìn)一步引發(fā)地面塌陷或沉降，造成周邊房屋開裂甚至倒塌、道路和管線的錯裂破損等次生災(zāi)害。

相關(guān)學(xué)者針對巖溶發(fā)育區(qū)地鐵建設(shè)溶（土）洞預(yù)處理技術(shù)做了較多的研究工作【3～6】，著重分析了溶（土）洞存在時對地鐵工程建設(shè)的影響并提出了相應(yīng)的溶（土）洞處理整治原則。但相比于預(yù)處理技術(shù)而言，由于巖溶發(fā)育區(qū)地鐵施工過程中建（構(gòu)）筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性及突涌水的不確定性，如何有效處理施工過程中產(chǎn)生的突發(fā)風(fēng)險是工程師及學(xué)者更為關(guān)注的難題。黃輝【7】以廣州地鐵9號線為例，著重分析了巖溶地區(qū)深基坑開挖引發(fā)的地面塌陷及突涌風(fēng)險，并提出了相對應(yīng)的防控措施，但并未詳細(xì)介紹相關(guān)處理技術(shù)的實(shí)施過程。周紅波等【8】以巖溶區(qū)南京地鐵3號線車站施工為例，總結(jié)了存在斷層破碎帶和地連墻局部嵌固深度不足引起的車站基坑坑底突涌水事故應(yīng)急處理技術(shù)。王壽昌【9】則基于廣西賀州市某基坑工程實(shí)例提出了防水混凝土封堵巖溶區(qū)基坑滲涌水風(fēng)險的處理措施。整體而言，基坑突涌水與工程所在地質(zhì)條件密切相關(guān)，而巖溶發(fā)育區(qū)基坑突水涌泥風(fēng)險處理技術(shù)相關(guān)研究仍較少，處于初步認(rèn)識階段。

本文以廣州某巖溶發(fā)育區(qū)地鐵車站明挖基坑工程為例，詳細(xì)分析該車站基坑開挖施工引發(fā)坑底突水涌泥的原因，提出基坑突水涌泥應(yīng)急處理技術(shù)，并總結(jié)得出巖溶發(fā)育區(qū)基坑突水涌泥應(yīng)急處理的整體思路及技術(shù)要求，為今后解決巖溶發(fā)育區(qū)地鐵車站基坑突水涌泥風(fēng)險提供有益參考。

2 工程概況

該地鐵車站基坑開挖工程全長800m，寬×高為22.0m×20.7m，地質(zhì)勘察資料顯示除表層填土外，開挖土層自上而下主要為素填土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、中粗砂、淤泥質(zhì)中粗砂、礫砂、粉質(zhì)黏土和灰?guī)r微風(fēng)化地層。穩(wěn)定水位標(biāo)高為1.3～3.8m，工程范圍內(nèi)地下水類型主要為第四系松散層孔隙水、層狀基巖裂隙水和巖溶裂隙水。

基坑明挖段底板基巖均位于灰?guī)r灰?guī)r上，溶洞、溶蝕溝槽發(fā)育。初步勘察鉆孔34個，揭露有溶洞鉆孔4個，見洞率11.76%；詳細(xì)勘察鉆孔54個，揭露有溶洞鉆孔13個，見洞率24.07%。

基坑支護(hù)采用800mm厚地下連續(xù)墻+3道混凝土支撐+1道鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻深度23～28m，入基底巖深度為2.5～5.0m，基坑剖面及土層分布如圖1和圖2所示。

3 基坑突水涌泥及原因分析

3.1 基坑突水涌泥概況

采用靜態(tài)鉆孔爆破開挖基坑底部微風(fēng)化灰?guī)r層，開挖至深度約19.5m處時，基坑中部位置出現(xiàn)涌水涌泥現(xiàn)象，涌水點(diǎn)位置如圖2所示。初期突水涌泥部位為一寬0.2m，長1m，深度大于1.5m的破碎帶，涌水量約60m3/h。約20min后，基坑西側(cè)水位監(jiān)測孔冒泡返漿2min，1h后，在基坑外側(cè)東北方向距涌水點(diǎn)約50m處的施工圍墻正下方出現(xiàn)地面下沉塌陷，2d后，站前東側(cè)施工便道出現(xiàn)開裂下沉。

圖1基坑剖面示意圖

圖2土層分布圖

3.2 基坑突水涌泥原因

初步勘察與詳細(xì)勘察揭露的溶（土）洞已全部按工程要求進(jìn)行處理。為進(jìn)一步揭示基坑突水涌泥原因，對涌水點(diǎn)位置附近及基坑周邊進(jìn)行補(bǔ)充勘察作業(yè)。補(bǔ)充勘察鉆孔664個，揭露有溶洞鉆孔121個，見洞率18.2%，突水涌泥段見洞率達(dá)28%。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。

1）灰?guī)r不規(guī)則性：基坑底部基巖為石炭系中上統(tǒng)壺天群灰?guī)r，溶（土）洞發(fā)育強(qiáng)烈，突水涌泥點(diǎn)處溶洞見洞率最高達(dá)28.07%，是導(dǎo)致基坑突水涌泥的直接原因。

2）溶（土）洞探明局限性：基坑連續(xù)墻“一墻兩鉆”溶（土）洞勘探及溶（土）洞處理過程中溶（土）洞探邊存在局限性?？辈祀A段連續(xù)墻“一墻兩鉆”勘探深度為墻底3m，墻側(cè)范圍為3m，溶洞探邊深度基坑內(nèi)為基底以下2m，但補(bǔ)充勘察反映基底以下5m與基底突水涌泥有一定聯(lián)系。

3）溶（土）洞連通性及富水性難以預(yù)測：溶洞發(fā)育強(qiáng)烈，相應(yīng)的溶蝕溝、槽及裂隙發(fā)育，地質(zhì)勘察難以捕捉。在坍塌區(qū)域，鉆孔揭示該處地下存在大溶洞并繞地下連續(xù)墻底發(fā)育連通至基坑。由于巖層的涌水量和透水性主要由其裂隙發(fā)育程度所控制，存在明顯的不均勻性，裂隙通道發(fā)育導(dǎo)致局部涌水量顯著增加。

4）勘察顯示富水砂層直接覆蓋于薄殼灰?guī)r之上，當(dāng)承壓水大量涌出后，形成的水位下降漏斗是引起富水砂層沉降并進(jìn)一步導(dǎo)致地表塌陷等次生災(zāi)害的首要原因。

4 基坑突水涌泥應(yīng)急處理技術(shù)

4.1 初步應(yīng)急處理技術(shù)

基底突水涌泥發(fā)生時，應(yīng)立即采取應(yīng)急措施控制突水量。本工程第一時間對出水點(diǎn)位埋設(shè)3根φ200mm PVC管標(biāo)示，采取引流管導(dǎo)流混凝土反壓，觀測顯示基坑每小時突涌水量基本被穩(wěn)定控制。

4.2 基坑內(nèi)四階段填充式注漿

基坑外地面沉陷情況突發(fā)時由于溶（土）洞發(fā)育程度等情況未知，為防止塌陷情況進(jìn)一步擴(kuò)大甚至誘發(fā)其他未知風(fēng)險，緊急調(diào)配地質(zhì)鉆機(jī)、注漿機(jī)搶險機(jī)械設(shè)備，分4階段同步填充式注漿。第一階段：穩(wěn)定沉陷區(qū)外圍未塌陷土體，進(jìn)行雙液注漿固結(jié)，隔斷塌陷區(qū)；第二階段：穩(wěn)定塌陷區(qū)域土體，從下至上注水泥漿，以填充固結(jié)為主；第三階段：塌陷土體基本穩(wěn)定后，加密布孔注漿，在塌陷外圍盡可能形成止水封閉帷幕；第四階段：填充密實(shí)沉陷區(qū)中心松散土體，并根據(jù)補(bǔ)充勘察地質(zhì)資料及現(xiàn)場鉆孔注漿過程中涌水反應(yīng)變化，在塌陷區(qū)及涌水點(diǎn)區(qū)域針對性布設(shè)溶洞封邊堵截防線路，即塌陷區(qū)西側(cè)、基坑?xùn)|連續(xù)墻外側(cè)、基坑西連續(xù)墻外側(cè)及基坑?xùn)|連續(xù)墻內(nèi)側(cè)4道截水防線。后利用地質(zhì)鉆機(jī)引孔，采用劈裂注漿及滲透注漿工藝，注入水泥單液漿、水玻璃-水泥雙液漿和聚氨酯等不同注漿材料堵截水源，直至水逐漸變清。塌陷-涌水點(diǎn)區(qū)域注漿處理平面圖如圖3所示。

同時，布設(shè)地面沉降點(diǎn)、土體測斜孔、水位孔及基坑特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對基坑周邊100m范圍內(nèi)建筑物進(jìn)行巡視，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋開展信息化施工。

圖3塌陷-涌水點(diǎn)區(qū)域注漿處理平面圖

基坑外側(cè)溶洞鉆孔注漿過程中，基坑涌水間斷地出現(xiàn)水泥漿等注漿材料，且涌水來源處水量較大，水泥漿等注漿材料被稀釋流失，基坑涌水量減少近大半，涌水量統(tǒng)計(jì)為25m3/h。為盡快止住基坑涌水，以防未知風(fēng)險，采用基坑內(nèi)外溶洞鉆孔注雙液漿止水處理方式，鉆孔24～31m處已探明基坑下溶洞溝槽等發(fā)育情況，注漿填充封堵止水。同時，為預(yù)防后期運(yùn)營產(chǎn)生風(fēng)險，該處基底下2m以下個別孔溶洞再次注漿填充處理密實(shí)。經(jīng)過以上處理后，基坑涌水量隨注漿量增大而顯著減少，涌水維持在8～10m3/h。

4.3 基坑內(nèi)垂直分層注漿

涌水點(diǎn)塌陷區(qū)域鉆孔注漿完成后，監(jiān)測顯示基坑涌水量明顯減少，但未停止。分析可知，其主要原因可能為注漿凝固的土體與巖層接觸面不嚴(yán)密，且存在多個水源，溶（土）洞未完全探明。為化解后續(xù)基坑開挖沖毀混凝土反壓體而再次出現(xiàn)突水涌泥險情，采取以涌水點(diǎn)為中心的垂直分層二重管無收縮雙液（WSS）注漿法進(jìn)行止水。垂直分層WSS注漿可防止?jié){液隨巖溶地下水突涌流失，確保漿液填充巖溶裂隙效果，并提供由淺至深穩(wěn)定蓋板，隔開外界水源，同時增加基底止水注漿壓力及擴(kuò)散范圍，達(dá)到注漿量大于涌水量的目的。

垂直分層雙液注漿遵循以下原則：

1）依據(jù)前期鉆孔揭示巖溶地層情況，確定平面范圍、垂直深度和分層厚度；

2）依據(jù)注漿擴(kuò)散半徑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定鉆孔間距；

3）確定分層注漿順序；

4）選定注漿設(shè)備、注漿材料及配比；

5）試驗(yàn)確定注漿壓力及提升速度。

施工中采用地質(zhì)鉆機(jī)引孔，為高效注入雙液漿及控制注漿壓力，制定垂直分層注漿工藝流程圖如圖4所示。本次平面范圍確定為以涌水點(diǎn)為中心，在基坑內(nèi)半徑4m的圓形范圍實(shí)施雙液注漿，垂直分層鉆孔深度分別定義為基底下2m、7m和11.5m?？卓谏戏?m為密實(shí)混凝土回填層，在2m范圍內(nèi)加設(shè)孔口管及PVC塑料套管，套管孔口安裝閘閥和注漿預(yù)留管，防止鉆入裂隙發(fā)生噴涌，并采用早強(qiáng)水泥封孔埋管，套管孔口安裝閘閥。注漿過程中如遇見冒漿現(xiàn)象及時關(guān)閉閥門，防止?jié){液從孔口噴涌，將漿液有效控制在處理范圍內(nèi)。

圖4垂直分層注漿施工工藝流程圖

灰?guī)r地區(qū)漿液擴(kuò)散半徑為0.75m，布設(shè)梅花型等間距1.5m注漿鉆孔如圖5所示。在部分孔位與第四道混凝土支撐出現(xiàn)沖突時，做適當(dāng)調(diào)整以便于現(xiàn)場施工，共計(jì)布置28個注漿孔。漏水點(diǎn)基坑內(nèi)處理采取“由外向內(nèi)，分層鉆孔，低壓慢速，逐步深入”的原則進(jìn)行施工，開孔順序由外向內(nèi)，由圓周往漏水點(diǎn)中心依次鉆孔，鉆孔完成后進(jìn)行注漿，分層鉆孔注漿施工順序如圖6所示。

圖5注漿鉆孔分布

圖6分層鉆孔注漿施工順序圖

注漿漿液配合比選定及計(jì)算表如表1所示，試驗(yàn)綜合選定雙液漿方法進(jìn)行漏水封堵，其中雙液漿配比（質(zhì)量比）為水∶水泥∶水玻璃（純水玻璃）=1.67∶1∶0.54。注漿過程中必須遵循注漿量大于基坑涌水量及注漿壓力大于涌水壓力原則。注漿終止壓力根據(jù)地下水位及壓力可做調(diào)整，壓力控制在約0.5MPa，恒壓10min，以免壓力過大引起漿液集中串漿，影響封水止水效果。

4.4 應(yīng)急處理技術(shù)小結(jié)

巖溶發(fā)育區(qū)基坑突水涌泥應(yīng)急處理整體思路可總結(jié)如下：判明涌水點(diǎn)在基坑中的具體位置；立即采取初步壓堵應(yīng)急處理措施，控制坑底涌水量；啟動各應(yīng)急小組，合理安排組成人員，展開現(xiàn)場處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集等工作；分析數(shù)據(jù)以查清出現(xiàn)問題的真正原因，必要時進(jìn)行補(bǔ)充勘測涌水點(diǎn)周邊地質(zhì)情況，著重勘探溶（土）洞的分布，梳理涌水點(diǎn)附近基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻狀況；制定針對性技術(shù)處理方案，含初步處理和后期加強(qiáng)處理技術(shù)方案；處理過程中對基坑進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，包含水位、變形監(jiān)測等，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋及時指導(dǎo)施工和處理技術(shù)方案的修正。

應(yīng)急處理注漿施工技術(shù)要求：

表1漿液配合比選定及計(jì)算表

1）初期涌水速度不大的情況下，應(yīng)及時有效地開展反壓注漿工作并控制涌水情況。注漿過程中對漏水點(diǎn)附近及引流管密切關(guān)注，一旦發(fā)生冒漿現(xiàn)象立即停止注漿并對冒漿點(diǎn)進(jìn)行封堵處理，封堵完成后靜置1～2min后重新開始注漿。

2）在施工過程中加強(qiáng)對漿液配比的抽查，保證漿液凝固時間滿足施工要求，注漿過程中對壓力進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力過大時及時提管。

3）打開注漿孔鄰孔，實(shí)時觀察出漿、出水情況。第一層孔位注漿完畢后再進(jìn)行第二層孔位注漿，逐層深入。第一層孔位注漿完畢形成蓋板模式，第二層孔位可采取壓密式注漿，提升注漿壓力，以注漿面出現(xiàn)明顯滲透漿液或出現(xiàn)隆起現(xiàn)象時停止注漿。

4）過水通道未完全封堵前，注漿量要根據(jù)用水通道大小以及用水速度的緩急進(jìn)行估算，確保灌入的漿液量遠(yuǎn)大于涌出的流水量，使?jié){液最大速度地占領(lǐng)涌水通道。

5）施工過程中應(yīng)時刻關(guān)注漏水點(diǎn)水量變化和水質(zhì)變化，分析判斷該部位巖溶地區(qū)滲水通道及處理工藝是否可行。

5 效果評價

采用雙液漿封堵溶（土）洞，注漿施工完成后對已勘察溶洞進(jìn)行填充檢測，結(jié)果顯示注漿填充段鉆孔巖芯完整連續(xù)，并已經(jīng)膠結(jié)固化，注漿填充段均勻性較好，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過布設(shè)的地面沉降點(diǎn)、土體測斜孔、水位孔及基坑主體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)反饋可知，基坑開挖工程影響范圍內(nèi)變形已趨于穩(wěn)定，圍墻和道路沉陷區(qū)域未進(jìn)一步產(chǎn)生沉降。

后續(xù)進(jìn)行二次開挖未出現(xiàn)突涌水問題，變形、強(qiáng)度等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，確定了基坑外填充式注漿及基坑內(nèi)垂直分層注漿發(fā)揮的良好止水效果，側(cè)面印證了溶（土）洞發(fā)育強(qiáng)烈，溶（土）洞未完全探明且溶洞裂隙繞地下連續(xù)墻底連通基坑內(nèi)承壓水形成過水通道是引起本次基坑坑底突水涌泥的主要原因。

6 結(jié)語

巖溶發(fā)育區(qū)基坑開挖引起的突水涌泥險情處理一直是業(yè)界難題。地鐵車站建設(shè)多為城區(qū)，其建筑物密集，交通極其繁忙，施工作業(yè)需注意周邊建（構(gòu)）筑物的保護(hù)。若車站處于巖溶發(fā)育區(qū)，無疑增加了施工作業(yè)的難度及風(fēng)險。本工程以國內(nèi)某巖溶發(fā)育區(qū)車站基坑突水涌泥的事故應(yīng)急治理為例，介紹了巖溶發(fā)育區(qū)基坑突水涌泥應(yīng)急處理技術(shù)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）巖溶發(fā)育區(qū)基坑開挖時，必須對溶（土）洞探明的范圍、地下連續(xù)墻入巖深度和基坑開挖工程影響范圍內(nèi)工程地質(zhì)概況3方面預(yù)控到位。

2）基坑突水涌泥開始，應(yīng)盡可能摸清涌水壓力、寬度及埋深，本工程通過埋設(shè)PVC管及引流管，既能獲取正確出水點(diǎn)進(jìn)行反壓，又能指導(dǎo)后續(xù)垂直分層注漿，意義重大。

3）基坑外尋找?guī)r溶裂隙水通道進(jìn)行注漿封堵，結(jié)合基坑內(nèi)垂直分層注漿填充裂隙隔斷水源的聯(lián)合注漿方法適用于巖溶發(fā)育區(qū)外界水通過巖溶裂隙帶與開挖基坑相連通的情況。本工法對巖溶地區(qū)裂隙水的封堵效果較好，時效性及穩(wěn)定性較強(qiáng)，可有效制止二次開挖時基坑的再次涌水現(xiàn)象發(fā)生，保證基坑開挖施工作業(yè)安全。