覆蓋型巖溶區城市地下軌道交通建設引發地質災害風險與對策

鄧忠 李珊 高武振 康志強

摘 ?要：興建城市地下軌道交通是緩解城市交通壓力的主要手段。在覆蓋型巖溶區工程施工過程中，不可避免的會遇到諸如區域地下水位下降、突水、突泥、圍巖變形失穩和地面塌陷、地面變形等一系列地質災害。本文對覆蓋型巖溶區地下工程建設過程中的致災自然因素與人為因素進行了分析。對比不同地質條件下可能會出現的地質災害類型，認為降低地質災害風險較有效的方法是微擾動施工控制法。尤其是在超前探測預報施工過程中，對掌子面前方不良地質體部位及其成災可能性做出預報。進而選擇修訂穿越不良地質體地段的有效施工方法、輔助加固工法、工藝參數。在采用盾構法施工時，應根據具體的探測預報任務和現場條件恰當選擇地質超前探測預報方法。

關鍵詞： 覆蓋型巖溶區;地下軌道交通;盾構法;實施對策

Abstract： The construction of urban underground rail traffic has become the main means to relieve the urban traffic pressure. In the process of engineering construction in covered karst area， it is inevitable to encounter a series of geological disasters such as regional groundwater level decline， water inrush， mud burst， rock deformation and instability， collapse and deformation of ground and so on. The natural or human factors in the construction of underground engineering in covered karst area are analyzed in this paper. By comparing the types of geological hazards that may occur under different geological conditions， it is considered that the micro-disturbance construction control method is more effectively to reduce the risk of geological hazards. Especially in the process of advance detection and prediction of construction， the unfavorable geological body in front of the working platform and its disaster possibility are predicted. Then the effective construction method， auxiliary reinforcement method and technological parameters are selected to revise the unfavorable geological body area. In the process of shield tunneling， the geological advance detection and prediction method should be selected according to the specific exploration and prediction task and site conditions.

Keywords： Covered karst area; Underground rail traffic; Shield method; Control countermeasures.

0 引言

我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，面積達346萬km2，占全球巖溶面積2200萬km2的15.73%（袁道先，2014）。西南巖溶石山地區以貴州為中心，跨越云南、廣西、四川、重慶以及湖南、湖北、廣東西部一帶，面積達76萬km2（袁丙華等，2007）。我國有眾多城市分布于巖溶區，省會城市如濟南、貴陽等。有些城市人口超過100萬人，甚至達300～500萬人，人均GDP超過5000～10000美元，遠遠超過了國際通行100萬人口，人均GDP1000～2000美元就達到地下空間開發利用高潮的數值（歐孝奪等，2015）。廣西的諸多城市，如柳州、桂林、河池、賀州等均分布于巖溶區內，地下空間的有效利用對城市高質量發展至關重要。

2015年5月，國務院就批準了南寧市在2021年要建成5條線路地下軌道交通網絡，南寧市軌道交通規劃整體包括“四橫四縱”8條線，總長度約252km。其中1號線、2號線、3號線已建成通車;4號線、5號線及2號線東延在建;機場線、武鳴線及3號線南延等前期工作已在開展中。由此可見，我國大中城市已經進入了建設城市地下軌道交通的新高潮，其中也包括許多處于覆蓋型巖溶區的城市，如貴州貴陽城市地鐵建設、廣西南寧軌道交通3號、4號線，廣西柳州市城市公共交通配套工程1、2號線建設均穿越覆蓋型巖溶區（廣西水文地質工程地質勘察院，2016;2017a）。但是，在覆蓋型巖溶區建設地下軌道交通采用盾構法施工過程中，往往遇到許多復雜環境水文地質問題，對地下工程建設影響非常極大，嚴重威脅施工人員、設備和地表建筑、道路、管網等建（構）筑安全（程光華等，2013;李胡生等， 2005）。因此，分析施工可能引發地質災害的原因，預測其可能造成的影響范圍、危害程度和危險性，并提出設計施工需采取的對策措施，具有比較現實的意義。

1 引發地質災害的原因

覆蓋型巖溶區采用盾構法施工城市地下軌道交通過程中，可能遇到地下水位下降、突水、突泥、圍巖變形失穩和引發地面塌陷、地面變形等地質災害的原因有很多（劉廣潤，2001），其中地下巖溶發育、豐富的巖溶地下水和一定厚度的土層是最主要的因素之一。

1.1 巖溶的發育情況

由于長期的地質作用，無論是易溶、純度較高的灰巖、白云質灰巖覆蓋型巖溶地區，還是不易溶、純度較低的白云巖、泥灰巖或者泥質碳質灰巖覆蓋型巖溶地區，近地表地下巖溶一般均較發育。如桂林市臨桂新區，鉆孔遇洞率高達20%～53%，平均線巖溶率為0.68%～5.05%，平均洞高0.88～3.64m;80%～90%的溶洞發育在深度20～40m之間，這正是地下軌道交通主要設置位置。深度40～90m以下溶洞數量逐漸減少，規模也變小，甚至變為巖溶裂隙。另外，基巖面上還發育有大量溶溝溶槽，且充填著流塑狀、軟塑狀黏土，并與覆蓋層黏土相互聯系。

1.2 巖溶水動力條件

覆蓋型巖溶區地下一般都儲存有較豐富的地下水，并且具有微承壓性。地下水位處于土層中間，不僅受降雨、灌溉和排泄的影響發生上下變動，而且還隨著排泄和人工開采、排水產生變動。水位劇烈變化是引發地面塌陷、地面變形等地質災害的主要因素。地下軌道交通等工程施工穿越巖溶地下水豐富的地段時，引起坑道大涌水或突水，伴隨的涌泥、涌沙將增加施工、運營困難。又因水位、水量變幅大，致使一般排水工程不易湊效，從而引發地面塌陷，危及地面工程建筑安全（李胡生，2008）。分析其原因：一是，地下水活動加快溶蝕侵蝕作用，促進溶洞裂隙發育;二是，地下水水位頻繁波動對土體產生潛蝕作用，并把潛蝕物質搬運帶走，地下水運移更加通暢;三是，地下水活動改變土體的塑性狀態和強度;四是，地下水活動引起浮托力改變，以及在巖溶空腔、土洞的正負壓力，產生潛蝕或吸蝕作用等（廣西水文地質工程地質勘察院，2017b）。

1.3 可溶巖上覆土層的情況

覆蓋層的厚度和土層的性質也是發生地面塌陷有關的一項重要環境因素。一般情況下，覆蓋的土厚較厚，塌陷發生的強度較弱。相反，土層較薄，塌陷數增多。土層厚度在30m以上者，一般不發生或很少發生塌陷（袁道先，1988）。松散土層的厚度、巖性、顆粒成分、結構構造、物理力學性質、水理性質主要與地質環境條件有關。如桂林市西城區的沖洪積含礫粉質黏土，厚度一般3～10m，局部達20余米。土層的底部普遍存在有強度低、易被水流動帶走的軟土，鉆孔軟土遇見率42.2%，線軟土率18.7%。其中流塑土遇見率10.6%，線流塑土率4.9%。這些流塑狀、軟塑狀黏土多與溶洞和基巖面上的溶溝溶槽黏土關系密切。

盡管土壓水壓平衡盾構掘進施工工法可提前精準設定盾構機土壓力，但在覆蓋型巖溶區采用盾構法施工城市地下軌道時，由于巖溶發育的不均勻性，巖溶發育部位難于精準預測。加上溶洞裂隙和溶溝溶槽中充填的黏土及地下水作用，要做到盾構機的艙壓與周圍環境的巖土水壓力都平衡比較困難。另外，有時盾構機設備發生故障或者外部環境出現問題，例如需要更換刀片、外部停電等等，就會引起盾構機艙壓發生變化。當盾構開挖掌子面周圍的土壓、地下水壓力與艙壓差值較大時，就可能引起巖洞裂隙中的充填黏土、地下水大量涌出，導致周圍土體、地下水被擾動，導致覆蓋層土體結構破壞、地下水快速流動。當施工擾動引起的周圍地質環境變化達到一定程度時，就會造成地下水位下降、突水、突泥、圍巖變形失穩和引發地面塌陷、地面變形等城市地質災害。進而引起建（構）筑物產生附加應力、出現沉降、傾斜、變形增大、管線開裂、甚至破壞坍塌等嚴重后果，造成重大經濟損失和不良社會影響（朱合華等， 2014）。城市建設需要在覆蓋型巖溶環境區進行工程活動，特別是地下工程活動，引發巖溶塌陷、地面變形也就不可避免。但是，目前還缺乏有效的預測手段，隨著城市地下空間開發利用的程度不斷加大，這一環境地質問題也會相應增加（楊洋等，2019;鄭淑芬等，2010;陳志龍等，2005）。因此，針對在覆蓋型巖溶區采用盾構法施工地下軌道交通過程中可能引發的地質災害問題而研究的施工方法和防范措施就顯得十分重要和緊迫。

2 超前預測預報技術

要使在覆蓋型巖溶區采用盾構法施工地下軌道交通過程中可能引發的地質災害風險降到較低，目前最有效的方法就是采用微擾動施工控制法。該法是基于現場監測的信息化動態反饋施工技術的應用，關鍵技術就是準確超前探測預報施工掌子面前方和洞壁周圍的巖土體、地下水情況、溶洞裂隙、溶溝溶槽等不良地質體部位，并對成災可能性做出預報。以便及時合理地提前調整施工進度，選擇、修訂穿越不良地質體地段的施工方法、確定輔助加固工法、施工工藝參數和事故預案等（朱合華等，2014）。

盾構法施工地質超前探測預報技術方法、手段多種多樣。如何選擇取決于具體探測預報任務和現場條件。對盾構開挖掌子面前方的地質環境情況進行探測預報應結合地形地貌情況、地面建（構）筑物、圍巖地質環境、不良地質體及其物性差異等，并應詳細了解各種物理探測方法、地質方法、化探方法等外業布置要求，盡可能滿足布置條件，保證獲得第一手資料的可靠性。現今采用比較多的超前探測預報方法有如下幾種：

2.1 地面地質調查與預報技術

盾構微擾動施工控制法施工期間的地面地質調查，是針對設計單位的勘察設計資料進行施工完善的過程。由于巖土工程勘察精度所限，勘察設計資料常常遺漏很多影響施工的地質構造、不良地質體，有時還可能導致出現設計和施工失誤。地下軌道交通施工地質技術人員必須通過地質填圖法對勘察設計資料進行地面地質調查、復查和核實，并通過地表地質體界面和地質體影射法對施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充。

2.2 地質雷達探測技術

探測雷達在覆蓋型巖溶區盾構施工地下軌道交通過程超前探測預報中，主要用于基巖探測，即第四系土層劃分、土洞、溶洞、裂隙和溶溝溶槽探測，掌子面地質災害預報、管片與灌漿工程質量檢測、水底沉積和地下管線埋藏物等。其探測深度一般小于50m、探測距離約30m，可通過超前反映的土洞、溶洞、裂隙和溶溝溶槽等地質體情況，進行施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充。

2.3 高密度電阻率探測技術

在覆蓋型巖溶區盾構施工地下軌道交通過程超前探測預報中，高密度電阻率法主要運用于溶洞、裂隙和溶溝溶槽的探測。與常規方法相比，高密度電阻率法的電極布置一次性完成，減少了因電極設置引起的干擾和測量誤差，能有效進行多種電極排列方式測量，從而獲得較豐富的關于地電結構狀態的地質信息，成本低、效率高、信息豐富、解釋方便。因此，可采用高密度電阻率探測技術超前反映的溶洞、裂隙和溶溝溶槽等不良地質體情況，進行施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充。

2.4 TSP超前探測預報技術

TSP超前地質預報系統是由瑞士安伯格測量技術公司專門為地下工程超前地質預報研制開發的先進設備。在覆蓋型巖溶區盾構施工地下軌道交通過程超前探測預報中，主要用于探測掌子面前方的斷層破碎帶、溶洞、裂隙和溶溝溶槽等不良地質體的性質、位置、規模，富含地下水的地質體，預報各種不良地質體發生塌方、突水、突泥等地質災害的概率。其預測距離一般為掌子面前300～500m，分辨率0.5m，預報距離誤差小于10%。因此，可采用TSP超前探測預報技術超前反映的溶洞、裂隙、溶溝溶槽、地下水富水地段等不良地質體情況，進行施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充。

2.5 聚焦層析激化法

聚焦層析激發極化法定量超前預報理論與方法，是由山東大學李術才教授帶領的研究團隊專門為隧道工程超前地質預報研制開發的先進儀器設備和方法。該方法在掌子面前方通過充電建立激發電場，當存在含水體時會產生較強的二次極化電場;激發電場關閉后，通過測量分析二次極化電場的電壓衰減時間來反映掌子面前方的含水情況（李術才，2012）。GEI綜合電法儀可實現多路供電以及多路采集，抗干擾能力強，為聚焦層析激發極化法探測提供了專用設備;并已經研制出將測量電極搭載在盾構機刀盤和護盾及其后方圍巖安裝部位，依靠液壓控制系統實現電極伸縮。同時研發出了聯合反演與解譯系統，建立了典型含水體的解譯準則，實現了含水構造40m近距離的三維定位，突破了含水體水量估算的技術難題（李術才，2012）。在TBM法施工隧洞和地下軌道交通過程中，可以有效進行不良地質體超前探測預報。為施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充提供可靠的依據。

2.6 紅外線探測技術

在覆蓋型巖溶區盾構施工地下軌道交通過程超前探測預報中，紅外線探測方法主要運用于確定掌子面前方或者洞壁四周是否存在豐富的地下水體，以便進行施工設計和施工方法、工藝參數、輔助加固措施進行修改、完善和補充。

除上述外，還有平導超前預報法、掌子面地質編錄法和超前水平鉆探等方法，都可以用在盾構施工地下軌道交通過程超前探測預報。

3 施工對策分析

在覆蓋型巖溶區采用盾構法施工地下軌道交通過程中，要使引發的地質災害風險降到最低，宜采用微擾動施工控制法。通過利用上述超前探測預報技術方法、手段，獲得準確的現場監測信息，如盾構開挖施工掌子面前方的巖土體、地下水情況、溶洞裂隙、溶溝溶槽等不良地質體部位，并進行成災可能性做出預報，及時合理地提前調整施工進度，選擇、修訂穿越不良地質體地段的施工方法、確定輔助加固工法、施工工藝參數和事故預案等（朱合華等，2014）。

3.1 富水地帶施工措施

（1）加強超前地質預報、紅外探水和聚焦層析激發極化法超前探水工作，準確判定突水、突泥位置、規模和可能涌水量。

（2）采用注漿、凍結等方法超前止水、治水，隔截巖溶水系統中物質的透移通道，改變局部地表水文網等。

（3）加強監控測量和預警預報體系建設。

3.2 建（構）筑物地基加固措施

（1）加強超前探測，準確探明溶洞裂隙、溶溝溶槽等地下巖溶微地貌發育的位置、規模及其地下水賦存地帶，做好地下水流量、水位下降范圍、降深的預測預報，引起地面塌陷、路面變形的范圍和程度，選擇合適的加固范圍和正確的施工方法。

（2）采用雙液注漿、深層攪拌樁、高壓噴射注漿帷幕等方法，隔截施工引起地下水位下降的區域與建（構）筑物地基基礎影響范圍，防止地表水或地下水側向補給。

（3）加固有可能受巖溶地下水位漲落影響區域的建（構）物地基基礎。

3.3 巖溶強發育地段施工措施

（1）加強超前探測，準確探明溶洞裂隙、溶溝溶槽、斷層破碎帶等巖溶的位置、規模，做好預測預報、超前探水工作，選擇正確的施工方法，如土壓平衡式掘進方式，盡可能使盾構掘進過程中產生的水土壓力保持平衡，防止開挖面穩定和地下水大量滲入。

（2）采用徑向注漿或者超前預注漿封堵進行止水、止泥，并對圍巖進行預加固后，再掘進施工，同時調整盾構主要施工參數，減少施工對地質環境的擾動。加大管片結構強度、施工進度，以及盾尾同步注漿和管片壁后的二次注漿，加大預留變形量，加強各種監測、預警工作。

（3）在遇到巖溶強發育、地下水豐富存在引發地質災害風險的地段時，可采用凍結法超前加固圍巖，達到止水、止泥的要求。

（4）盡量維持圍巖影響帶以外的溶洞、溶蝕裂隙、暗河的排水通道，嚴禁隨意封堵。

4 結論

（1）隨著施工材料、工藝、工法和設備不斷發展，尤其是可掘進硬質巖石的盾構機設備日趨成熟，在覆蓋型巖溶區施工地下軌道交通工程漸漸變得可行。但在施工過程中，可能遇到的地下水位下降、突水、突泥、圍巖變形失穩和引發地面塌陷、地面變形等城市地質災害風險，應高度重視，研究其施工方法和防范措施意義重大。

（2）降低地質災害風險較有效的方法是采用微擾動施工控制法，在超前探測預報施工掌子面前方不良地質體部位及其成災可能性做出預報的基礎上，選擇修訂穿越不良地質體地段的有效施工方法、輔助加固工法、工藝參數。

（3）盾構法施工地質超前探測預報技術方法、手段多種多樣，應根據具體的探測預報任務和現場條件恰當選擇。

（4）常見的處理措施包括巖溶發育地段施工措施、富水地帶施工措施和建（構）筑物加固施工措施等方面。

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