岩溶发育区地铁车站基坑突涌影响因素与处理技术研究*

孟 栋，徐 壮，罗小刚，韩 莉，姬凤玲，彭远胜

(1.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518040； 2.深圳大学土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；3.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，广东 深圳 518060)

0 引言

我国是世界上岩溶分布最广的国家之一，广西、广东、云南、贵州、四川、重庆、湖北、湖南等省市是我国南方岩溶主要分布地区[1-3]。随着我国城市规模的不断扩大，地面交通日益拥堵，城市交通枢纽任务逐渐由地面交通转向地下轨道交通承担。深圳、广州、南宁、长沙、武汉、济南、贵阳、徐州等城市地铁工程在建设过程中均遇到了岩溶风险。在岩溶区进行地铁车站基坑施工时，若揭露了岩溶水或减小岩溶承压水顶板的岩土层厚度，可能导致基坑坑壁或底板产生突泥、突水问题，形成施工隐患，甚至会发生岩溶水淹埋基坑施工工作面、冲毁施工机械，从而造成施工被迫中断，严重威胁周边建(构)筑物及居民生命财产安全[4-7]。因此，对岩溶基坑突涌灾害防治技术进行研究具有工程价值和现实意义。

与一般建筑工程相比，地铁隧道埋深较大，因此岩溶区城市轨道交通工程一般按照深部岩溶发育情况考虑。深圳地铁16号线在建设过程中多次遇到岩溶基坑突涌险情，施工单位及时、有效治理了险情，保证了基坑工程及周边建筑物安全。本文以深圳地铁16号线车站明挖基坑工程为例，详细分析了岩溶区基坑突涌风险影响因素，并对目前常用的基坑突涌风险预处理技术及应急处理技术进行系统梳理、分析。

1 岩溶区地铁车站基坑突涌风险影响因素分析

1.1 车站区域范围内岩溶总体发育程度

GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中根据岩溶发育程度，当岩溶场地满足下列条件之一时，可确定为岩溶强发育等级[8]：①地表有较多岩溶塌陷、漏斗、洼地、泉眼；②溶沟、溶槽、石芽密布，相邻钻孔间存在临空面且基岩面高差>5m； ③地下有暗河、伏流，钻孔见洞率>30%或线岩溶率>20%； ④溶槽或串珠状竖向溶洞发育程度达20m以上。轨道交通工程中主要涉及深部岩溶，因此，深圳岩溶区城市地铁建设中一般按照上述③，④条评定岩溶发育程度。

深圳地铁16号线全线设车站23座，各车站主要采用明挖法施工。受区域内NE向延展的龙岗向斜、NE向主干断裂组(龙城断裂组、企岭吓—九尾岭断裂组)、SW向青塘断裂与龙岗河、坪山河等东江水系及周边水库影响，地铁16号线岩溶强发育带及岩溶水强径流带沿NE向展布[7]，龙城西站、数码城站、回龙埔站、天健花园站、龙城中路站、龙平站、龙南站、龙东村站、同乐村站、田心站等均属于岩溶强发育带。在16号线车站建设过程中，数码城站、龙东村站、同乐村站发生基坑突涌，这表明强岩溶发育是岩溶基坑突涌风险产生的必要条件。

1.2 溶洞分布特征及岩溶涌水量

深圳地铁16号线主要为覆盖型岩溶，发育的岩溶类型有溶洞、溶隙、溶槽、溶孔等，且以溶洞、溶隙为主。根据车站基坑围护结构及主体结构周围岩溶地质条件受工程扰动的程度，将基坑周边划分为以下区域：①岩溶地质显著影响区 地铁结构水平轮廓线外3m范围内或车站结构底板以下完整基岩厚度≤5m(半土半岩厚度≤10m)的范围；②岩溶地质一般影响区 地铁结构水平轮廓线外3m范围外或车站结构底板以下完整基岩厚度>5m(半土半岩厚度>10m)的范围。

岩溶地质显著影响区范围内的溶洞一般会在车站围护结构施工前进行处理。对于岩溶地质一般影响区范围内的溶洞，根据洞顶稳定岩面顶板高度、覆跨比、溶洞规模等综合判定岩溶塌陷风险后确定是否进行处理。

地铁16号线车站站点溶洞分布特征如图1所示。由图1可知，溶洞发育的车站主要为数码城站、回龙埔站、龙平站、龙南站、龙东村站、同乐村站，其中，回龙埔站占比94.2%的溶洞主要分布在基坑底板以下10m的位置，这些溶洞被提前加固处理的可能性较小，但由于岩溶涌水量<130m3/d，因此未发生岩溶突涌风险。龙平站和龙南站溶洞总数较多，在车站开挖范围内溶洞占比分别为91.7%，40.4%，基坑底板以下0～5m范围内溶洞占比分别为5.23%，33.7%，因此，龙平站和龙南站溶洞大部分被开挖或提前加固处理了，且最大岩溶涌水量较小，分别为591，297m3/d，因此未发生岩溶突涌风险。龙东村站、同乐村站溶洞主要分布在基坑底板以下10m的位置，占比分别为62.2%，43.2%，这些溶洞被提前加固处理的可能性较小，岩溶涌水量分别为1 903，1 479m3/d，因此在车站基坑开挖过程中多次发生岩溶突涌风险。

1.3 基坑底板以下发育的溶蚀裂隙

数码城站仅有13.2%的溶洞分布在基坑底板以下10m的位置，且岩溶涌水量为442.493m3/d，相对较小。但数码城站在基坑开挖过程中发生了岩溶突涌，这主要是因为基坑底板以下溶蚀裂隙发育。数码城站岩芯样如图2所示，由图2可知，数码城站岩芯样中溶蚀裂隙发育，主要为构造节理裂隙，后期由于含有CO2的侵蚀性地下水流溶蚀而成。

由于缺乏基坑底部岩体内裂隙分布及发育详细数据资料，本研究通过数值模拟方法进行裂隙倾角对岩溶区基坑突涌风险影响分析。岩溶区基坑突涌灾害是基坑开挖卸荷、开挖扰动及岩溶承压水压力共同作用下，岩溶水涌入基坑内的动力破坏现象。因此，基坑底部的塑性破坏区是潜在的突涌薄弱点。数值模拟时将倾角相同的裂隙看作1组裂隙，本文仅研究单组裂隙倾角变化对基坑底部塑性区扩展的影响规律。计算模型有限元网格划分如图3所示。

随着基坑底板以下岩体裂隙倾角α的变化，当存在含有承压水的单个溶洞(直径D=3m)时，基坑底部塑性区分布如图4所示。裂隙倾角α>90°时的塑性区分布与α≤90°时呈相应的对称关系，限于篇幅本文未列出。

由图4可知，裂隙倾角对基坑底部塑性区扩展方向及塑性区分布范围均产生较明显的影响。与基坑底部不存在裂隙的情况相比，当基坑底部裂隙倾角分别为0°，60°，90°时，发生基坑突涌所需的临界水压力分别为无裂隙的90.3%，80.6%，89.3%，这表明基坑底部岩体中裂隙的存在，减小了基坑底部抗突体厚度，从而增加了基坑突涌风险。基坑底部岩体存在倾角为0°～90°的裂隙时，发生基坑突涌风险所需的临界水压力小，且基坑突涌薄弱范围大，工程中需特别注意。

1.4 基坑底板以下串珠状溶洞

钻孔揭露的串珠状溶洞岩芯样如图5所示。本工程车站建设过程中，对于岩溶地质一般影响区范围内串珠状溶洞，当洞体之间的完整基岩层厚度<0.5m时，需处理至下层溶洞。这种处理措施是从岩溶塌陷角度出发，未考虑溶洞群贯通导致的基坑突涌风险。存在串珠状溶洞时，数值模拟得到的基坑底部塑性区分布如图6所示。由图6可知，2个含有承压水的串珠状溶洞存在应力叠加区，其应力分布规律与单个溶洞不同，且在基坑开挖过程中易引起更复杂的围岩应力分布，使2个溶洞之间的完整基岩层发生破坏，从而导致上、下溶洞相互串通。实际工程中，当垂直分布的2个溶洞之间的完整基岩层厚度>0.5m时，未被处理的溶洞中若存在高压岩溶水或由于工程施工及溶洞内承压水压力增大导致的溶洞群串通，高水压、大体量和良好补给通道的高压岩溶水对基坑底部抗突岩土体的冲击破坏作用更强，高压水流、泥砂、岩屑等会大量涌出，对基坑工程造成的突涌危害更严重。

2 岩溶区基坑突涌处理技术

2.1 预处理技术

目前，岩溶预处理技术主要是针对易引起岩溶塌陷的溶洞制定的。但大量工程实践表明，基坑开挖期间的岩溶基坑突涌风险不容忽视。制定岩溶区地铁车站基坑岩溶预处理原则时，应按照岩溶塌陷、基坑突涌确定的最不利条件选择最终的处理范围。同时，预处理技术处理对象除溶洞外，还应包括基坑底部溶蚀裂隙。

针对基坑底部存在岩溶风险的溶洞，需根据溶洞规模及洞内充填情况确定相应的充填方案[9]：①对于洞高<2m的溶洞、全充填溶洞，进行袖阀管注浆；②对于洞高>2m的溶洞、无充填溶洞、半充填溶洞，采用灌填+袖阀管注浆相结合的处理方法，灌填料包括混合黏土砂浆和碎石；③施工前应进行现场注浆试验，注浆参数根据试验情况进行调整。

针对基坑底部岩溶风险的溶蚀裂隙，可采用基坑封底加固技术，主要进行注浆加固。注浆对岩土体黏聚力有较大的提高作用。数值模拟得到的基坑底部岩土体黏聚力与抗突体最小安全厚度的关系如图7所示。

由图7可知，随着基坑底部岩土体黏聚力的增大，抗突体最小安全厚度呈指数减小趋势。这主要是由于水泥浆液或化学浆液注入岩土体裂隙或孔隙中，改善了其物理力学性质，因此可有效降低基坑突涌风险。为消除基坑底部溶蚀裂隙导致的突涌风险，确保基坑开挖安全，建议对基底底部溶蚀裂隙发育的地层提前进行满堂注浆。基坑底板注浆加固范围及深度需根据溶蚀裂隙发育程度及溶洞内承压水压力确定。深圳地铁16号线数码城站对未开挖区域基坑内侧和基底设置注浆截水帷幕及封底加固措施，按2m×2m梅花形布置双排注浆截水帷幕，基坑底板按5m×5m梅花形进行封底注浆，如图8所示。

2.2 动态应急处理技术

动态应急处理技术方案主要包括基坑涌水区域监测+突涌点快速有效止水+基坑外部截水+基坑内部封堵。

2.2.1基坑涌水区域监测

由于岩溶区基坑突涌发生时，会对基坑支护结构及基坑周边环境产生影响。此外，岩溶区基坑突涌影响因素众多，为快速、有效地实施应急治理技术，需根据基坑内、外响应进行应急治理方案动态调整。动态应急治理方案的关键是加强基坑监测，基坑涌水区域主要监测项目包括地表沉降、地下管线沉降、地下水水位、周边建筑物沉降、支撑轴力、桩体水平及垂直位移、墙体倾斜、土体深层水平位移。根据监测数据统计分析基坑出现涌水情况以来的周边测点变化情况，在保证基坑安全及对周边环境影响小的基础上，兼顾方案处理速度与经济性，及时调整基坑突涌应急处理方案中的相关技术。

2.2.2突涌点快速有效止水

对于承压水头高、连通性好且水量较大的岩溶区域，应在勘察阶段查清岩溶水水平渗流路径及垂向渗流路径。水文孔声呐渗流测试可测出地下水流速、流向，建议结合钻孔中投放示踪剂的方式进一步明确涌水通道[10]。若基坑内、外岩溶水存在水力联系，则基坑内部发生突涌时，流动的岩溶水会将外侧泥砂携带入基坑内，影响周边建筑物安全。另外，随着时间的增加，突涌通道在水流冲刷作用下会增大，通过导水通道流入基坑内部的岩溶水流量、压力随之增大，导致后续采用的基坑突涌导水通道注浆封堵技术无法及时、有效地实施。因此，应采用快速有效止水技术及时阻止地下岩溶水向基坑内部流动。

1)突涌点局部蓄水反压止水

若水压及流量均较大，则采用蓄水反压止水。水头差是地下水流动的驱动力，当水头差为0时，地下水停止流动。因此，如果能及时发现突涌点或确定突涌范围，可采用突涌点局部蓄水反压方法止水。本工程共建管廊6号井采用型钢冠梁局部蓄水反压止水如图9所示。

若无法确定基坑中突涌点位置，也可采用基坑内部大范围蓄水反压止水。本工程共建管廊6号井发生突涌事故，由于短时间内难以控制涌水，考虑涌水可能造成周边建(构)筑物、地表沉降，故在涌水期间回灌4 463m3水，最终基坑内涌水量<5m3/h，基坑内水位标高为38.000m，基坑中部水深18.3m，基坑内积水约9 100m3。该方法使基坑内、外水头较好地达到完全平衡状态，从而为后续治理提供了充足时间。

2)砂袋、土袋反压+混凝土封底反压+引水管引流降压

若水流压力及流量相对较小，则在突涌点首先采用砂袋反压或采用吨袋装填黏土进行反压，防止基底土层在水流作用下扰动。采用砂袋、土袋反压时，在涌水部位设置1根引流管。引流管采用钢管或PVC管，管径需与涌水量相匹配，配合挖掘设备，将引流管插入突涌点土层内，插入深度为3～5m，最后在管顶设置阀门。引水管设置完成后，在引水管周围采用混凝土对土层表面进行封底、反压。混凝土浇筑厚度根据涌水量及水压确定，混凝土封底范围为以突涌点为中心的15～20m。基坑内反压混凝土减小了基坑内、外的水头差，并起增加基坑稳定性的作用，有利于增强基坑外注浆效果，且反压混凝土对控制基坑内涌水量起一定作用。引水管汇集出水点水流，方便集中钻孔注浆。

2.2.3基坑外部截水

基坑外部截水措施是指截断基坑外部岩溶水流入基坑内部的渗流路径，即截断岩溶水水平渗流路径，以降低基坑突涌对周边环境的影响，同时为基坑内部封堵岩溶水创造条件。

若能查明地下水流向，可在迎水面一侧的基坑外部设置局部截水帷幕。局部截水帷幕可采用素桩，也可采用注浆帷幕。若未查明地下水流向或基坑内存在多点多次涌水事故，应在基坑外侧周边设置截水帷幕。本工程共建管廊6号井基坑突涌由38～53m深度处隐伏大溶洞内的承压水通过溶蚀裂隙涌入基坑内所致。为封堵基坑周边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排袖阀管注浆孔形成，注浆孔间距2m，距地下连续墙1.5m，钻孔深度为41.8m，超过地下连续墙深度10m。注浆孔布置如图10所示。

2.2.4基坑内部封堵

基坑内部封堵措施是指将基坑内部的岩溶涌水导水通道进行封堵，即封堵岩溶水垂向渗流路径。基坑内部的岩溶涌水导水通道封堵措施主要包括应急封堵+注浆封堵。

应急封堵主要采用棉被、原木对涌水孔位进行堵塞，使用挖掘机配合人工将棉被塞入涌水孔洞内，分多次塞入，直至塞满，最后将原木钉入孔洞顶部，完成初步应急封堵，防止涌水快速扩大，为下步处置争取时间。

基坑内部涌水通道注浆封堵可采用后退式注浆工艺[8]，当反压完成后，以出水点为中心，设置内、外多层注浆孔。首先在外层布置注浆机进行注浆，根据返浆情况确定水力通道，同时调整浆液凝结时间并进行封堵。当水流量大、流速快，浆液无法快速凝结时，在内层增设注浆机对水力通道周边土体进行挤密，同时在突涌点周边堆码砂袋，分散水流，减缓水流速度。

3 结语

通过对深圳地铁16号线车站明挖法施工过程中发生突涌风险的基坑进行分析，得出以下结论。

1)进行基坑突涌风险分析时，需综合考虑车站区域范围内岩溶总体发育程度、溶洞分布特征及岩溶涌水量、基坑底板以下溶蚀裂隙发育特征、基坑底板以下串珠状溶洞发育特征等因素。

2)进行岩溶区地铁车站基坑岩溶预处理时，应按照岩溶塌陷、基坑突涌确定的最不利条件选择最终的处理范围。预处理技术处理对象除溶洞外，还应包括基坑底部溶蚀裂隙。对基坑底部岩土体进行注浆加固，可有效降低溶蚀裂隙导致的基坑突涌风险。

3)岩溶区基坑突涌应急处理技术包括突涌点反压快速有效止水、基坑外部设置截水帷幕截断岩溶水水平渗流路径、基坑内部设置封堵措施封堵岩溶水垂向渗流路径。

4)应根据岩溶地下水流向、基坑突涌点涌水规律，客观、科学地进行基坑内、外截水封堵设计，并结合基坑内、外监测点响应，对岩溶区基坑突涌应急处理方案进行动态调整。