孟 棟,徐 壯,羅小剛,韓 莉,姬鳳玲,彭遠(yuǎn)勝
(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518040; 2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東 深圳 518060;3.深圳市地鐵地下車(chē)站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518060)
我國(guó)是世界上巖溶分布最廣的國(guó)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(guó)南方巖溶主要分布地區(qū)[1-3]。隨著我國(guó)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地面交通日益擁堵,城市交通樞紐任務(wù)逐漸由地面交通轉(zhuǎn)向地下軌道交通承擔(dān)。深圳、廣州、南寧、長(zhǎng)沙、武漢、濟(jì)南、貴陽(yáng)、徐州等城市地鐵工程在建設(shè)過(guò)程中均遇到了巖溶風(fēng)險(xiǎn)。在巖溶區(qū)進(jìn)行地鐵車(chē)站基坑施工時(shí),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(dǎo)致基坑坑壁或底板產(chǎn)生突泥、突水問(wèn)題,形成施工隱患,甚至?xí)l(fā)生巖溶水淹埋基坑施工工作面、沖毀施工機(jī)械,從而造成施工被迫中斷,嚴(yán)重威脅周邊建(構(gòu))筑物及居民生命財(cái)產(chǎn)安全[4-7]。因此,對(duì)巖溶基坑突涌災(zāi)害防治技術(shù)進(jìn)行研究具有工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
與一般建筑工程相比,地鐵隧道埋深較大,因此巖溶區(qū)城市軌道交通工程一般按照深部巖溶發(fā)育情況考慮。深圳地鐵16號(hào)線在建設(shè)過(guò)程中多次遇到巖溶基坑突涌險(xiǎn)情,施工單位及時(shí)、有效治理了險(xiǎn)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(hào)線車(chē)站明挖基坑工程為例,詳細(xì)分析了巖溶區(qū)基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)影響因素,并對(duì)目前常用的基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)預(yù)處理技術(shù)及應(yīng)急處理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理、分析。
GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中根據(jù)巖溶發(fā)育程度,當(dāng)巖溶場(chǎng)地滿足下列條件之一時(shí),可確定為巖溶強(qiáng)發(fā)育等級(jí)[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(jiàn)洞率>30%或線巖溶率>20%; ④溶槽或串珠狀豎向溶洞發(fā)育程度達(dá)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(qū)城市地鐵建設(shè)中一般按照上述③,④條評(píng)定巖溶發(fā)育程度。
深圳地鐵16號(hào)線全線設(shè)車(chē)站23座,各車(chē)站主要采用明挖法施工。受區(qū)域內(nèi)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(kù)影響,地鐵16號(hào)線巖溶強(qiáng)發(fā)育帶及巖溶水強(qiáng)徑流帶沿NE向展布[7],龍城西站、數(shù)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(lè)村站、田心站等均屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育帶。在16號(hào)線車(chē)站建設(shè)過(guò)程中,數(shù)碼城站、龍東村站、同樂(lè)村站發(fā)生基坑突涌,這表明強(qiáng)巖溶發(fā)育是巖溶基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的必要條件。
深圳地鐵16號(hào)線主要為覆蓋型巖溶,發(fā)育的巖溶類(lèi)型有溶洞、溶隙、溶槽、溶孔等,且以溶洞、溶隙為主。根據(jù)車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)周?chē)鷰r溶地質(zhì)條件受工程擾動(dòng)的程度,將基坑周邊劃分為以下區(qū)域:①巖溶地質(zhì)顯著影響區(qū) 地鐵結(jié)構(gòu)水平輪廓線外3m范圍內(nèi)或車(chē)站結(jié)構(gòu)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(zhì)一般影響區(qū) 地鐵結(jié)構(gòu)水平輪廓線外3m范圍外或車(chē)站結(jié)構(gòu)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(zhì)顯著影響區(qū)范圍內(nèi)的溶洞一般會(huì)在車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工前進(jìn)行處理。對(duì)于巖溶地質(zhì)一般影響區(qū)范圍內(nèi)的溶洞,根據(jù)洞頂穩(wěn)定巖面頂板高度、覆跨比、溶洞規(guī)模等綜合判定巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)后確定是否進(jìn)行處理。
地鐵16號(hào)線車(chē)站站點(diǎn)溶洞分布特征如圖1所示。由圖1可知,溶洞發(fā)育的車(chē)站主要為數(shù)碼城站、回龍埔站、龍平站、龍南站、龍東村站、同樂(lè)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(fā)生巖溶突涌風(fēng)險(xiǎn)。龍平站和龍南站溶洞總數(shù)較多,在車(chē)站開(kāi)挖范圍內(nèi)溶洞占比分別為91.7%,40.4%,基坑底板以下0~5m范圍內(nèi)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(kāi)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(fā)生巖溶突涌風(fēng)險(xiǎn)。龍東村站、同樂(lè)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(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程中多次發(fā)生巖溶突涌風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)碼城站僅有13.2%的溶洞分布在基坑底板以下10m的位置,且?guī)r溶涌水量為442.493m3/d,相對(duì)較小。但數(shù)碼城站在基坑開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生了巖溶突涌,這主要是因?yàn)榛拥装逡韵氯芪g裂隙發(fā)育。數(shù)碼城站巖芯樣如圖2所示,由圖2可知,數(shù)碼城站巖芯樣中溶蝕裂隙發(fā)育,主要為構(gòu)造節(jié)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(nèi)裂隙分布及發(fā)育詳細(xì)數(shù)據(jù)資料,本研究通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行裂隙傾角對(duì)巖溶區(qū)基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)影響分析。巖溶區(qū)基坑突涌災(zāi)害是基坑開(kāi)挖卸荷、開(kāi)挖擾動(dòng)及巖溶承壓水壓力共同作用下,巖溶水涌入基坑內(nèi)的動(dòng)力破壞現(xiàn)象。因此,基坑底部的塑性破壞區(qū)是潛在的突涌薄弱點(diǎn)。數(shù)值模擬時(shí)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(duì)基坑底部塑性區(qū)擴(kuò)展的影響規(guī)律。計(jì)算模型有限元網(wǎng)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(dāng)存在含有承壓水的單個(gè)溶洞(直徑D=3m)時(shí),基坑底部塑性區(qū)分布如圖4所示。裂隙傾角α>90°時(shí)的塑性區(qū)分布與α≤90°時(shí)呈相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)關(guān)系,限于篇幅本文未列出。
由圖4可知,裂隙傾角對(duì)基坑底部塑性區(qū)擴(kuò)展方向及塑性區(qū)分布范圍均產(chǎn)生較明顯的影響。與基坑底部不存在裂隙的情況相比,當(dāng)基坑底部裂隙傾角分別為0°,60°,90°時(shí),發(fā)生基坑突涌所需的臨界水壓力分別為無(wú)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(fēng)險(xiǎn)?;拥撞繋r體存在傾角為0°~90°的裂隙時(shí),發(fā)生基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)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。
鉆孔揭露的串珠狀溶洞巖芯樣如圖5所示。本工程車(chē)站建設(shè)過(guò)程中,對(duì)于巖溶地質(zhì)一般影響區(qū)范圍內(nèi)串珠狀溶洞,當(dāng)洞體之間的完整基巖層厚度<0.5m時(shí),需處理至下層溶洞。這種處理措施是從巖溶塌陷角度出發(fā),未考慮溶洞群貫通導(dǎo)致的基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)。存在串珠狀溶洞時(shí),數(shù)值模擬得到的基坑底部塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知,2個(gè)含有承壓水的串珠狀溶洞存在應(yīng)力疊加區(qū),其應(yīng)力分布規(guī)律與單個(gè)溶洞不同,且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中易引起更復(fù)雜的圍巖應(yīng)力分布,使2個(gè)溶洞之間的完整基巖層發(fā)生破壞,從而導(dǎo)致上、下溶洞相互串通。實(shí)際工程中,當(dāng)垂直分布的2個(gè)溶洞之間的完整基巖層厚度>0.5m時(shí),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(nèi)承壓水壓力增大導(dǎo)致的溶洞群串通,高水壓、大體量和良好補(bǔ)給通道的高壓巖溶水對(duì)基坑底部抗突巖土體的沖擊破壞作用更強(qiáng),高壓水流、泥砂、巖屑等會(huì)大量涌出,對(duì)基坑工程造成的突涌危害更嚴(yán)重。
目前,巖溶預(yù)處理技術(shù)主要是針對(duì)易引起巖溶塌陷的溶洞制定的。但大量工程實(shí)踐表明,基坑開(kāi)挖期間的巖溶基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。制定巖溶區(qū)地鐵車(chē)站基坑巖溶預(yù)處理原則時(shí),應(yīng)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(shí),預(yù)處理技術(shù)處理對(duì)象除溶洞外,還應(yīng)包括基坑底部溶蝕裂隙。
針對(duì)基坑底部存在巖溶風(fēng)險(xiǎn)的溶洞,需根據(jù)溶洞規(guī)模及洞內(nèi)充填情況確定相應(yīng)的充填方案[9]:①對(duì)于洞高<2m的溶洞、全充填溶洞,進(jìn)行袖閥管注漿;②對(duì)于洞高>2m的溶洞、無(wú)充填溶洞、半充填溶洞,采用灌填+袖閥管注漿相結(jié)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(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn),注漿參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。
針對(duì)基坑底部巖溶風(fēng)險(xiǎn)的溶蝕裂隙,可采用基坑封底加固技術(shù),主要進(jìn)行注漿加固。注漿對(duì)巖土體黏聚力有較大的提高作用。數(shù)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(guān)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(shù)減小趨勢(shì)。這主要是由于水泥漿液或化學(xué)漿液注入巖土體裂隙或孔隙中,改善了其物理力學(xué)性質(zhì),因此可有效降低基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)。為消除基坑底部溶蝕裂隙導(dǎo)致的突涌風(fēng)險(xiǎn),確?;娱_(kāi)挖安全,建議對(duì)基底底部溶蝕裂隙發(fā)育的地層提前進(jìn)行滿堂注漿?;拥装遄{加固范圍及深度需根據(jù)溶蝕裂隙發(fā)育程度及溶洞內(nèi)承壓水壓力確定。深圳地鐵16號(hào)線數(shù)碼城站對(duì)未開(kāi)挖區(qū)域基坑內(nèi)側(cè)和基底設(shè)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(jìn)行封底注漿,如圖8所示。
動(dòng)態(tài)應(yīng)急處理技術(shù)方案主要包括基坑涌水區(qū)域監(jiān)測(cè)+突涌點(diǎn)快速有效止水+基坑外部截水+基坑內(nèi)部封堵。
2.2.1基坑涌水區(qū)域監(jiān)測(cè)
由于巖溶區(qū)基坑突涌發(fā)生時(shí),會(huì)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。此外,巖溶區(qū)基坑突涌影響因素眾多,為快速、有效地實(shí)施應(yīng)急治理技術(shù),需根據(jù)基坑內(nèi)、外響應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急治理方案動(dòng)態(tài)調(diào)整。動(dòng)態(tài)應(yīng)急治理方案的關(guān)鍵是加強(qiáng)基坑監(jiān)測(cè),基坑涌水區(qū)域主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析基坑出現(xiàn)涌水情況以來(lái)的周邊測(cè)點(diǎn)變化情況,在保證基坑安全及對(duì)周邊環(huán)境影響小的基礎(chǔ)上,兼顧方案處理速度與經(jīng)濟(jì)性,及時(shí)調(diào)整基坑突涌應(yīng)急處理方案中的相關(guān)技術(shù)。
2.2.2突涌點(diǎn)快速有效止水
對(duì)于承壓水頭高、連通性好且水量較大的巖溶區(qū)域,應(yīng)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(cè)試可測(cè)出地下水流速、流向,建議結(jié)合鉆孔中投放示蹤劑的方式進(jìn)一步明確涌水通道[10]。若基坑內(nèi)、外巖溶水存在水力聯(lián)系,則基坑內(nèi)部發(fā)生突涌時(shí),流動(dòng)的巖溶水會(huì)將外側(cè)泥砂攜帶入基坑內(nèi),影響周邊建筑物安全。另外,隨著時(shí)間的增加,突涌通道在水流沖刷作用下會(huì)增大,通過(guò)導(dǎo)水通道流入基坑內(nèi)部的巖溶水流量、壓力隨之增大,導(dǎo)致后續(xù)采用的基坑突涌導(dǎo)水通道注漿封堵技術(shù)無(wú)法及時(shí)、有效地實(shí)施。因此,應(yīng)采用快速有效止水技術(shù)及時(shí)阻止地下巖溶水向基坑內(nèi)部流動(dòng)。
1)突涌點(diǎn)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,當(dāng)水頭差為0時(shí),地下水停止流動(dòng)。因此,如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)突涌點(diǎn)或確定突涌范圍,可采用突涌點(diǎn)局部蓄水反壓方法止水。本工程共建管廊6號(hào)井采用型鋼冠梁局部蓄水反壓止水如圖9所示。
若無(wú)法確定基坑中突涌點(diǎn)位置,也可采用基坑內(nèi)部大范圍蓄水反壓止水。本工程共建管廊6號(hào)井發(fā)生突涌事故,由于短時(shí)間內(nèi)難以控制涌水,考慮涌水可能造成周邊建(構(gòu))筑物、地表沉降,故在涌水期間回灌4 463m3水,最終基坑內(nèi)涌水量<5m3/h,基坑內(nèi)水位標(biāo)高為38.000m,基坑中部水深18.3m,基坑內(nèi)積水約9 100m3。該方法使基坑內(nèi)、外水頭較好地達(dá)到完全平衡狀態(tài),從而為后續(xù)治理提供了充足時(shí)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(duì)較小,則在突涌點(diǎn)首先采用砂袋反壓或采用噸袋裝填黏土進(jìn)行反壓,防止基底土層在水流作用下擾動(dòng)。采用砂袋、土袋反壓時(shí),在涌水部位設(shè)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(shè)備,將引流管插入突涌點(diǎn)土層內(nèi),插入深度為3~5m,最后在管頂設(shè)置閥門(mén)。引水管設(shè)置完成后,在引水管周?chē)捎没炷翆?duì)土層表面進(jìn)行封底、反壓?;炷翝仓穸雀鶕?jù)涌水量及水壓確定,混凝土封底范圍為以突涌點(diǎn)為中心的15~20m?;觾?nèi)反壓混凝土減小了基坑內(nèi)、外的水頭差,并起增加基坑穩(wěn)定性的作用,有利于增強(qiáng)基坑外注漿效果,且反壓混凝土對(duì)控制基坑內(nèi)涌水量起一定作用。引水管匯集出水點(diǎn)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?cái)嗷油獠繋r溶水流入基坑內(nèi)部的滲流路徑,即截?cái)鄮r溶水水平滲流路徑,以降低基坑突涌對(duì)周邊環(huán)境的影響,同時(shí)為基坑內(nèi)部封堵巖溶水創(chuàng)造條件。
若能查明地下水流向,可在迎水面一側(cè)的基坑外部設(shè)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(nèi)存在多點(diǎn)多次涌水事故,應(yīng)在基坑外側(cè)周邊設(shè)置截水帷幕。本工程共建管廊6號(hào)井基坑突涌由38~53m深度處隱伏大溶洞內(nèi)的承壓水通過(guò)溶蝕裂隙涌入基坑內(nèi)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(xù)墻1.5m,鉆孔深度為41.8m,超過(guò)地下連續(xù)墻深度10m。注漿孔布置如圖10所示。
2.2.4基坑內(nèi)部封堵
基坑內(nèi)部封堵措施是指將基坑內(nèi)部的巖溶涌水導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵,即封堵巖溶水垂向滲流路徑?;觾?nèi)部的巖溶涌水導(dǎo)水通道封堵措施主要包括應(yīng)急封堵+注漿封堵。
應(yīng)急封堵主要采用棉被、原木對(duì)涌水孔位進(jìn)行堵塞,使用挖掘機(jī)配合人工將棉被塞入涌水孔洞內(nèi),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(yīng)急封堵,防止涌水快速擴(kuò)大,為下步處置爭(zhēng)取時(shí)間。
基坑內(nèi)部涌水通道注漿封堵可采用后退式注漿工藝[8],當(dāng)反壓完成后,以出水點(diǎn)為中心,設(shè)置內(nèi)、外多層注漿孔。首先在外層布置注漿機(jī)進(jìn)行注漿,根據(jù)返漿情況確定水力通道,同時(shí)調(diào)整漿液凝結(jié)時(shí)間并進(jìn)行封堵。當(dāng)水流量大、流速快,漿液無(wú)法快速凝結(jié)時(shí),在內(nèi)層增設(shè)注漿機(jī)對(duì)水力通道周邊土體進(jìn)行擠密,同時(shí)在突涌點(diǎn)周邊堆碼砂袋,分散水流,減緩水流速度。
通過(guò)對(duì)深圳地鐵16號(hào)線車(chē)站明挖法施工過(guò)程中發(fā)生突涌風(fēng)險(xiǎn)的基坑進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。
1)進(jìn)行基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí),需綜合考慮車(chē)站區(qū)域范圍內(nèi)巖溶總體發(fā)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(fā)育特征、基坑底板以下串珠狀溶洞發(fā)育特征等因素。
2)進(jìn)行巖溶區(qū)地鐵車(chē)站基坑巖溶預(yù)處理時(shí),應(yīng)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(yù)處理技術(shù)處理對(duì)象除溶洞外,還應(yīng)包括基坑底部溶蝕裂隙。對(duì)基坑底部巖土體進(jìn)行注漿加固,可有效降低溶蝕裂隙導(dǎo)致的基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)。
3)巖溶區(qū)基坑突涌應(yīng)急處理技術(shù)包括突涌點(diǎn)反壓快速有效止水、基坑外部設(shè)置截水帷幕截?cái)鄮r溶水水平滲流路徑、基坑內(nèi)部設(shè)置封堵措施封堵巖溶水垂向滲流路徑。
4)應(yīng)根據(jù)巖溶地下水流向、基坑突涌點(diǎn)涌水規(guī)律,客觀、科學(xué)地進(jìn)行基坑內(nèi)、外截水封堵設(shè)計(jì),并結(jié)合基坑內(nèi)、外監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng),對(duì)巖溶區(qū)基坑突涌應(yīng)急處理方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。