李钊1 蔡定淮2 傅雪玲2 孙克国2
1，广州地铁集团有限公司，广东广州；2，广东华隧建设集团股份有限公司，广东广州
摘要：在岩溶区地铁车站基坑施工过程中，地下水的处理措施不当，极易导致基坑险情不断，注浆止水、堵水是目前对基坑地下水的主要处理方式之一。文章结合实际工程地下水的处理流程，采用现场试验的手段对灰岩地区车站基底溶蚀凹槽处理施工措施展开研究。研究结果表明：对于基底存在溶蚀凹槽的情况，应采用竖向止水帷幕和基底水平加固措施以切断基坑水平和竖向水力联系，确保基坑内部的水处于“桶中水”状态；止水帷幕嵌固深度不应受常规止水帷幕插入比限制，以切断水平水力联系为准；基坑地下水的治理应采用边处理边验证的动态处理方法实现动态施工。研究成果与经验可为类似工程的设计与施工提供思路与借鉴。
关键词：溶蚀凹槽，三轴搅拌桩，MJS桩止水帷幕，动态施工
0引言
地铁具有客运量大、效率高、能耗底、集约化、乘坐方便、安全舒适等诸多优点，是解决城市交通拥堵问题、实现城市空间布局及城市均衡发展的重要途径，近年来，我国城市地铁建设取得了引人注目的成就[1]。与此同时，我国幅员辽阔，地质条件复杂，地铁建设过程中面临的断层、溶洞、暗河等不良地质条件及其诱发的突水、涌砂等大型地质灾害，无疑增加了我国地铁尤其是地铁车站安全建设的难度[2~7]。近年来，针对基坑地下水处治问题已引起国内外学者的关注：章兆熊等[8]对工程中遇到的超深三轴水泥搅拌桩的施工工艺、关键控制点及监测要求等，进行了分析表明，在深度超过25m基坑中，三轴搅拌桩对于承压水问题能够较好的解决。柳军[10]依托具体工程，采用了溶蚀深槽地区深基坑地下水防控施工技术，安全、高效、稳定地保证了车站基坑开挖，降低了施工风险，缩短了施工工期，采取了合理的施工方案。张洪峰[11]研究了依据在车站基坑范围内,地质和水文条件极其复杂，砂卵石和板岩地层深厚、地下水丰富、地下水位高,且车站紧邻大桥的工程问题，介绍了高水压下车站周边注浆堵水关键技术，并根据监测结果验证了关键技术的安全性与合理性。
上述研究中大多针对常规地层、地质条件下的基坑堵水研究[12~19]，而对于灰岩地区，尤其是溶蚀凹槽复杂地质条件下的基坑堵水策略研究较少。本文依托广州地铁同德围站具体工程，详细介绍同德围站基坑地下水处理流程，提出适用于复杂地质条件下的基坑处治思路，可为类似工程提供借鉴。
1工程概况
广州市轨道交通八号线北延段同德围站，位于广州市西槎路高架桥东侧地块内，为地下两层岛式车站，车站设计起点里程为YDK20+896.550，有效站台中心里程为YDK20+990.00，设计终点里程为YDK21+078.150。车站总长约181.6m，标准段宽20.1m，外挂段宽36.4m，深约18.1m。车站采用明挖法施工，围护结构为1000mm地下连续墙。车站主体结构基坑东侧为仓库及侨德花园建筑群，距离基坑最小净距约13.1m；车站主体结构基坑西北侧为西槎路跨线桥，距离基坑最小距离约18m。车站基坑及周边现场环境如图 1~图 3所示。
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同德围站地处冲积平原地貌单元，地下岩溶发育，地下水丰富。上覆盖第四系土层主要有：人工填土<1>、淤泥质土<4-2B>、粗砂<3-2>、砾砂<3-3>、粉质黏土<4N-2>，下伏基岩为石炭系石蹬子组地层，主要岩性为灰岩<9C-2>，在勘察揭露深度内，按风化程度有强风化岩带中风化岩带和微风化岩带。
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第四系松散层孔隙水主要赋存于冲洪积粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>和砾砂<3-3>中，其含水性能与砂的形状、大小、颗粒级配及粘粒含量等有密切关系。<3-1>、<3-2>、<3-3>具中～强透水性。第四系其它土层中的人工填土透水性一般，风化残积土层主要由粘粒组成，但其多夹有较多的灰岩角砾，其透水性一般到较弱，局部呈散体状处具中等透水性，河湖相淤泥质土层及冲洪积粉质粘土透水性最弱。勘察范围内所有钻孔均遇见地下水。本次勘察时测得钻孔中初见水位埋深为1.80～3.20m，初见水位标高为3.89～5.91m；混合稳定水位埋深为1.80～3.40m，稳定水位标高为4.11～5.33m。
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图 4 纵剖面图
同德围站地质情况复杂，岩溶发育，南北基坑地质情况差异大，北基坑岩面起伏大，砂层深厚，南基坑岩面较浅，岩面上有一层粘土层不透水层，岩溶发育情况较北基坑少，故本文只研究车站北基坑。
1.1溶蚀凹槽的分布状况
从2012年开始，历经2013年、2014年、2015年、2016年，5年期间完成了多次的勘察工作，勘察过程中，发现同德围基坑岩溶发育，如下表所示。
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同德围站初勘、详勘（含补勘等）共计完成了104个钻孔（全部钻孔，包括未揭露基岩的钻孔），其中有41个钻孔揭露到59个溶（土）洞，总体见洞率41.3%，有土洞发育。大部分溶洞呈串珠状，洞体大小不一，揭露到的最大洞体达20.0m（MHBZ3-TDW-B07）。其中垂直洞体高度大于5m的有16个，大于10m的有7个，大于15m的有4个。根据上表发现北部基坑溶洞明显比南部基坑发育，在西侧、北端、东侧和北基坑中部均有溶洞发育。如下图所示。
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图5 同德围站岩溶发育示意图
并根据对勘察资料探明的溶洞分析，初步圈定同德围站存在几个较大的溶洞分布区，根据充填物的性质，溶洞充填物黏土、砂等，部分为开口式鹰嘴岩区，具体岩溶发育范围见下图。
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图6 推测大溶洞分布示意图
图中红色标示的钻孔为揭露溶洞的钻孔，绿色的未为揭露溶洞钻孔，从图中可以看出：
1、北部基坑溶洞发育程度明显比南部基坑强烈，北部岩溶的见洞率高于同德围站岩溶发育平均见洞率；
2、西侧、北端、东侧、及基坑中部地段存在连续钻孔揭露溶洞，连续钻探揭露到的溶洞的贯通的可能性大；上图共粗略划分了6个大的洞体分布区域，其中西侧、东侧、北端的洞体范围大致为溶蚀深槽范围。
1.2风险分析
同德围站地质情况复杂，岩溶发育，南北基坑地质情况差异大，根据详勘地质情况，北基坑岩面起伏大，砂层深厚，南基坑岩面较浅，岩面上有一层粘土层不透水层，岩溶发育情况较北基坑少，且连续墙可有效的入不透水层，可有效的截断基坑内外水力联系，因此北基坑施工将是该车站施工风险控制重点。北基坑施工风险点主要有：
（1）北基坑存在大范围的溶蚀凹槽；
（2）北基坑部分连续墙未入岩；
（3）地下连续墙底部有联通性溶洞存在。
（4）溶岩地区存在强透水与上覆盖地层直接强水联系。
（5）在没有隔断基坑内外水力联系的情况下，基坑抽水会导致周边建筑物沉降。
2地下水处治原则及处治流程
2.1地下水处治原则
在基坑施工过程中，地下水的处理措施不当，可能会导致基坑险情不断，还会严重影响基坑的施工安全和进度。地下水对基坑施工的危害主要表现为地下水突涌、基坑围护结构失稳、基面侵蚀、污染严重、地基承载力降低。降低地下水位引起的地面沉降和周围建筑物倾斜、开裂，基坑开裂、坍塌等现象，会造成人员伤亡和财产损失等。必须对基坑地下水进行有效防治，其治理的原则主要为降、疏、堵相结合。
各地基坑施工过程中，地下水防治原则基本统一，但具体的处治方案展现出了极强的地域性，因此，对于车站基坑地下水的治理，不能照搬照抄，而应根据项目特点，有针对性的展开防治。同德围站周边交通、住宅等建筑物密集，所处溶蚀凹槽面积大、埋深浅，溶洞发育、地下水力联系十分复杂，疏水、降水导致地下水运移，势必会造成周边建筑物造成开裂倾斜、地表沉陷等不良影响。结合溶蚀凹槽特征及车站周边环境特点，应采用堵水的防治原则，采用竖向阻断和水平封底的处治方法。竖向阻断具体可采用地连墙、深层搅拌桩等止水帷幕穿透含水层。水平封底则采用三轴搅拌桩等对坑内溶洞较为发育的区域进行阻水。
2.2依托工程地下水处治流程
同德围站周边交通、住宅等建筑物密集，所处溶蚀凹槽面积大、埋深浅，溶洞发育、地下水力联系十分复杂，疏水、降水导致地下水运移，势必会造成周边建筑物造成开裂倾斜、地表沉陷等不良影响。结合溶蚀凹槽特征及车站周边环境特点，本工程结合“堵水”的防治原则，采用竖向阻断和水平封底的处治方法。竖向阻断具体可采用地连墙、深层搅拌桩等止水帷幕穿透含水层。水平封底则采用三轴搅拌桩等对坑内溶洞较为发育的区域进行阻水[18]~[19]。处理流程如下图所示：
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图 7 基坑降水流程图
2.3三轴搅拌桩加固
1、第一次三轴搅拌桩加固
施作地连墙后采用三轴搅拌桩对基底下20米深度范围内的砂层进行固结，降低基底下砂层的渗透系数、封堵基底下砂层中的地下水通道，故对溶蚀凹槽重点分布的400m2范围内进行了三轴搅拌桩加固，共1155根桩，采用注浆加固，加固区域见图 8。
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图 8 三轴搅拌桩重点分布区域加固范围图
2、第二次三轴搅拌桩补强加固
由第二次抽水结论可以看出，整个基坑隔水效果评价为不理想，可能加固周边区域或基坑其他地方还有地下水补给通道，基坑内、外仍具水力联系，可能是连续墙下岩溶通道或墙底地下水绕流。为保证基坑顺利施工，需要在补强区三轴搅拌桩加固（241m2），加固至基底以下20米或到基岩，加固范围如图 9所示。
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图 9 三轴搅拌桩补强区加固范围图
2.4MJS桩止水帷幕
为全面切断基坑内外的水力联系，保证基坑顺利施工，在补强区施作三轴搅拌桩的同时，根据一槽两钻资料初步确定了绕流风险较大的区域，并在风险槽段外侧，布置一排φ2000@1700MJS咬合桩+基坑连续墙边内外注浆，以接长连续墙。具体如图 10 ~图 11所示
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3止水效果验证
为验证基底水平止水的效果，现场采取抽水试验，试验结果如下：北基坑第一次抽水试验涌水量为9046.3m3，表明连续墙未能止水。加固后进行第二次抽水试验，试验结果显示涌水量为5096m3，加固体实施后北基坑涌水量降低了约43.7%，由于在两次抽水实验之间进行了三轴搅拌桩加固试验：表明加固体后对基坑地下水起到了一定的隔水作用，从整个基坑隔水效果评价为较差，可能加固周边区域或基坑其他地方还有地下水补给通道。在东侧连续墙采用MJS桩止水帷幕。
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图 12 两次抽水试验时CS1主井Q-s、q-s曲线对比图
同德围地铁车站基坑所处的溶蚀凹槽面积较大，岩溶发育，涌水量大，处理难度较大，经过一系列的处理措施后，基坑地下水得到了有效治理。
4结论
同德围地铁站基坑地下水经过一系列处理措施进行治理后，止水效果明显，在地下水处理过程中，存在成功和不足之处，具体结论如下：
（1）在灰岩地区基坑底部溶蚀凹糟埋深相对较浅、用水量很大，水力联系复杂，基坑周边交通繁忙、建筑物密集，降水、疏水的处理措施对周边建筑影响较大时，应使用竖向止水帷幕和基底水平加固措施，切断基坑水平和竖向水力联系，确保基坑内部的水处于“桶中水”状态。
（2）针对面积广、分布复杂、岩溶发育深度大的溶蚀凹槽治理，止水深度不应受常规止水帷幕插入比限制，以完全切断水平水力联系为准，正如该工程中在地连墙外侧部分区域施作的高压旋喷桩（MJS桩）止水帷幕，止水帷幕最深超过58m。
（3）复杂地区基坑地下水治理必须采用边处理边验证的动态处理方法实现动态施工，通过现场抽水实验等方法以摸清基坑内外侧水力联系和验证坑底水平加固效果。
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