巖溶發育區地鐵車站基坑突水涌泥應急處理技術研究

黃嘉恒，張鵬飛，涂文博

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

1 引言

巖溶地質對地鐵車站基坑的設計施工及運營維護安全性具有較大影響【1】。當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害【2】。同時，突涌水引起的地下水位下降可能會進一步引發地面塌陷或沉降，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害。

相關學者針對巖溶發育區地鐵建設溶（土）洞預處理技術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的影響并提出了相應的溶（土）洞處理整治原則。但相比于預處理技術而言，由于巖溶發育區地鐵施工過程中建（構）筑物變形控制標準的嚴格性及突涌水的不確定性，如何有效處理施工過程中產生的突發風險是工程師及學者更為關注的難題。黃輝【7】以廣州地鐵9號線為例，著重分析了巖溶地區深基坑開挖引發的地面塌陷及突涌風險，并提出了相對應的防控措施，但并未詳細介紹相關處理技術的實施過程。周紅波等【8】以巖溶區南京地鐵3號線車站施工為例，總結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急處理技術。王壽昌【9】則基于廣西賀州市某基坑工程實例提出了防水混凝土封堵巖溶區基坑滲涌水風險的處理措施。整體而言，基坑突涌水與工程所在地質條件密切相關，而巖溶發育區基坑突水涌泥風險處理技術相關研究仍較少，處于初步認識階段。

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

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、粉細砂、淤泥質粉細砂、中粗砂、淤泥質中粗砂、礫砂、粉質黏土和灰巖微風化地層。穩定水位標高為1.3～3.8m，工程范圍內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巖灰巖上，溶洞、溶蝕溝槽發育。初步勘察鉆孔34個，揭露有溶洞鉆孔4個，見洞率11.76%；詳細勘察鉆孔54個，揭露有溶洞鉆孔13個，見洞率24.07%。

基坑支護采用800mm厚地下連續墻+3道混凝土支撐+1道鋼支撐支護結構，連續墻深度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

采用靜態鉆孔爆破開挖基坑底部微風化灰巖層，開挖至深度約19.5m處時，基坑中部位置出現涌水涌泥現象，涌水點位置如圖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，基坑西側水位監測孔冒泡返漿2min，1h后，在基坑外側東北方向距涌水點約50m處的施工圍墻正下方出現地面下沉塌陷，2d后，站前東側施工便道出現開裂下沉。

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

初步勘察與詳細勘察揭露的溶（土）洞已全部按工程要求進行處理。為進一步揭示基坑突水涌泥原因，對涌水點位置附近及基坑周邊進行補充勘察作業。補充勘察鉆孔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28%。根據補充勘察結果初步總結事故可能發生原因如下。

1）灰巖不規則性：基坑底部基巖為石炭系中上統壺天群灰巖，溶（土）洞發育強烈，突水涌泥點處溶洞見洞率最高達28.07%，是導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。勘察階段連續墻“一墻兩鉆”勘探深度為墻底3m，墻側范圍為3m，溶洞探邊深度基坑內為基底以下2m，但補充勘察反映基底以下5m與基底突水涌泥有一定聯系。

3）溶（土）洞連通性及富水性難以預測：溶洞發育強烈，相應的溶蝕溝、槽及裂隙發育，地質勘察難以捕捉。在坍塌區域，鉆孔揭示該處地下存在大溶洞并繞地下連續墻底發育連通至基坑。由于巖層的涌水量和透水性主要由其裂隙發育程度所控制，存在明顯的不均勻性，裂隙通道發育導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巖之上，當承壓水大量涌出后，形成的水位下降漏斗是引起富水砂層沉降并進一步導致地表塌陷等次生災害的首要原因。

4 基坑突水涌泥應急處理技術

4.1 初步應急處理技術

基底突水涌泥發生時，應立即采取應急措施控制突水量。本工程第一時間對出水點位埋設3根φ200mm PVC管標示，采取引流管導流混凝土反壓，觀測顯示基坑每小時突涌水量基本被穩定控制。

4.2 基坑內四階段填充式注漿

基坑外地面沉陷情況突發時由于溶（土）洞發育程度等情況未知，為防止塌陷情況進一步擴大甚至誘發其他未知風險，緊急調配地質鉆機、注漿機搶險機械設備，分4階段同步填充式注漿。第一階段：穩定沉陷區外圍未塌陷土體，進行雙液注漿固結，隔斷塌陷區；第二階段：穩定塌陷區域土體，從下至上注水泥漿，以填充固結為主；第三階段：塌陷土體基本穩定后，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：填充密實沉陷區中心松散土體，并根據補充勘察地質資料及現場鉆孔注漿過程中涌水反應變化，在塌陷區及涌水點區域針對性布設溶洞封邊堵截防線路，即塌陷區西側、基坑東連續墻外側、基坑西連續墻外側及基坑東連續墻內側4道截水防線。后利用地質鉆機引孔，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-涌水點區域注漿處理平面圖如圖3所示。

同時，布設地面沉降點、土體測斜孔、水位孔及基坑特征點進行實時監測，并對基坑周邊100m范圍內建筑物進行巡視，根據監測數據反饋開展信息化施工。

圖3塌陷-涌水點區域注漿處理平面圖

基坑外側溶洞鉆孔注漿過程中，基坑涌水間斷地出現水泥漿等注漿材料，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，涌水量統計為25m3/h。為盡快止住基坑涌水，以防未知風險，采用基坑內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育情況，注漿填充封堵止水。同時，為預防后期運營產生風險，該處基底下2m以下個別孔溶洞再次注漿填充處理密實。經過以上處理后，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 基坑內垂直分層注漿

涌水點塌陷區域鉆孔注漿完成后，監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密，且存在多個水源，溶（土）洞未完全探明。為化解后續基坑開挖沖毀混凝土反壓體而再次出現突水涌泥險情，采取以涌水點為中心的垂直分層二重管無收縮雙液（WSS）注漿法進行止水。垂直分層WSS注漿可防止漿液隨巖溶地下水突涌流失，確保漿液填充巖溶裂隙效果，并提供由淺至深穩定蓋板，隔開外界水源，同時增加基底止水注漿壓力及擴散范圍，達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）依據注漿擴散半徑經驗數據，確定鉆孔間距；

3）確定分層注漿順序；

4）選定注漿設備、注漿材料及配比；

5）試驗確定注漿壓力及提升速度。

施工中采用地質鉆機引孔，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為中心，在基坑內半徑4m的圓形范圍實施雙液注漿，垂直分層鉆孔深度分別定義為基底下2m、7m和11.5m。孔口上方2m為密實混凝土回填層，在2m范圍內加設孔口管及PVC塑料套管，套管孔口安裝閘閥和注漿預留管，防止鉆入裂隙發生噴涌，并采用早強水泥封孔埋管，套管孔口安裝閘閥。注漿過程中如遇見冒漿現象及時關閉閥門，防止漿液從孔口噴涌，將漿液有效控制在處理范圍內。

圖4垂直分層注漿施工工藝流程圖

灰巖地區漿液擴散半徑為0.75m，布設梅花型等間距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沖突時，做適當調整以便于現場施工，共計布置28個注漿孔。漏水點基坑內處理采取“由外向內，分層鉆孔，低壓慢速，逐步深入”的原則進行施工，開孔順序由外向內，由圓周往漏水點中心依次鉆孔，鉆孔完成后進行注漿，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算表如表1所示，試驗綜合選定雙液漿方法進行漏水封堵，其中雙液漿配比（質量比）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。注漿終止壓力根據地下水位及壓力可做調整，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 應急處理技術小結

巖溶發育區基坑突水涌泥應急處理整體思路可總結如下：判明涌水點在基坑中的具體位置；立即采取初步壓堵應急處理措施，控制坑底涌水量；啟動各應急小組，合理安排組成人員，展開現場處理、監測數據采集等工作；分析數據以查清出現問題的真正原因，必要時進行補充勘測涌水點周邊地質情況，著重勘探溶（土）洞的分布，梳理涌水點附近基坑圍護結構連續墻狀況；制定針對性技術處理方案，含初步處理和后期加強處理技術方案；處理過程中對基坑進行連續監測，包含水位、變形監測等，并根據監測數據反饋及時指導施工和處理技術方案的修正。

應急處理注漿施工技術要求：

表1漿液配合比選定及計算表

1）初期涌水速度不大的情況下，應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附近及引流管密切關注，一旦發生冒漿現象立即停止注漿并對冒漿點進行封堵處理，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行控制，當發現壓力過大時及時提管。

3）打開注漿孔鄰孔，實時觀察出漿、出水情況。第一層孔位注漿完畢后再進行第二層孔位注漿，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，以注漿面出現明顯滲透漿液或出現隆起現象時停止注漿。

4）過水通道未完全封堵前，注漿量要根據用水通道大小以及用水速度的緩急進行估算，確保灌入的漿液量遠大于涌出的流水量，使漿液最大速度地占領涌水通道。

5）施工過程中應時刻關注漏水點水量變化和水質變化，分析判斷該部位巖溶地區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行填充檢測，結果顯示注漿填充段鉆孔巖芯完整連續，并已經膠結固化，注漿填充段均勻性較好，強度達到設計要求。通過布設的地面沉降點、土體測斜孔、水位孔及基坑主體結構變形監測點數據反饋可知，基坑開挖工程影響范圍內變形已趨于穩定，圍墻和道路沉陷區域未進一步產生沉降。

后續進行二次開挖未出現突涌水問題，變形、強度等指標均滿足規范要求，確定了基坑外填充式注漿及基坑內垂直分層注漿發揮的良好止水效果，側面印證了溶（土）洞發育強烈，溶（土）洞未完全探明且溶洞裂隙繞地下連續墻底連通基坑內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 結語

巖溶發育區基坑開挖引起的突水涌泥險情處理一直是業界難題。地鐵車站建設多為城區，其建筑物密集，交通極其繁忙，施工作業需注意周邊建（構）筑物的保護。若車站處于巖溶發育區，無疑增加了施工作業的難度及風險。本工程以國內某巖溶發育區車站基坑突水涌泥的事故應急治理為例，介紹了巖溶發育區基坑突水涌泥應急處理技術，總結經驗如下：

1）巖溶發育區基坑開挖時，必須對溶（土）洞探明的范圍、地下連續墻入巖深度和基坑開挖工程影響范圍內工程地質概況3方面預控到位。

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

3）基坑外尋找巖溶裂隙水通道進行注漿封堵，結合基坑內垂直分層注漿填充裂隙隔斷水源的聯合注漿方法適用于巖溶發育區外界水通過巖溶裂隙帶與開挖基坑相連通的情況。本工法對巖溶地區裂隙水的封堵效果較好，時效性及穩定性較強，可有效制止二次開挖時基坑的再次涌水現象發生，保證基坑開挖施工作業安全。