臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法研究

王洪波， 張慶松， 劉人太， 李術(shù)才， 張樂文， 姜 鵬， 鄭 卓

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

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臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法研究

王洪波， 張慶松， 劉人太， 李術(shù)才， 張樂文， 姜 鵬， 鄭 卓

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南 250061)

巖溶破碎地層是地鐵基坑水害的常見地質(zhì)條件，復(fù)雜的水文地質(zhì)條件是災(zāi)害頻發(fā)的主要原因。以南京上元門車站為例，運用水文地質(zhì)資料、地球物理探測及連通試驗手段對南京上元門車站基坑巖性、巖溶裂隙發(fā)育特征及相對富水性進(jìn)行深入研究。根據(jù)薄弱地層圍巖及裂隙類型，可將基坑劃分為4個區(qū)域，并提出針對性的治理措施，形成臨江破碎地層基坑涌水綜合分析方法。最后通過選擇適當(dāng)?shù)淖{材料和配套工藝對臨江破碎帶進(jìn)行綜合治理，取得較好的治理效果，驗證了此方法的可行性，同時實現(xiàn)了臨江破碎地層治理的信息化施工。實踐表明，該方法能有效減少注漿治理的盲目性，大大降低治理成本，保證注漿治理的效果。

地鐵車站； 基坑； 巖溶破碎地層； 涌水災(zāi)害； 探查手段； 注漿治理

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，我國迎來土木工程建設(shè)高峰。地下工程建設(shè)規(guī)模大、發(fā)展快的客觀事實以及地下工程嚴(yán)峻的安全形勢決定了我國地下工程安全風(fēng)險管理的必要性和緊迫性。地鐵基坑工程項目的大量涌現(xiàn)以及規(guī)模的不斷加大，使得基坑的安全風(fēng)險變得越來越大。同時，基坑水文地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及不同地質(zhì)富水條件的不均一性，使得基坑工程地下水控制的難度也越來越大。

魯光銀等[1]探討了高精度地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道坍塌災(zāi)害整治效果檢測中的應(yīng)用情況；劉人太等[2]通過示蹤試驗分析方法，提出了基于水文示蹤試驗的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出了注漿治理中注漿材料的選擇依據(jù)和注漿參數(shù)的確定方法；張鐵樁等[3]利用高密度電法探明了礦區(qū)地下災(zāi)害的原因、范圍和深度，為地質(zhì)災(zāi)害治理提供了較為詳實科學(xué)的地質(zhì)資料和水文地球化學(xué)方法；牛建立等[4]研究了肥城西部礦區(qū)不同含水層的水化學(xué)特征,分析其相互水力聯(lián)系方式與聯(lián)系程度；陳建生等[5]采用環(huán)境同位素和水化學(xué)的方法對地下水、河水和降水進(jìn)行標(biāo)記,判別地下水補(bǔ)給源和滲漏區(qū)的位置、范圍以及地層性質(zhì)。

目前對于地下災(zāi)害的探查基本都是采用單一的探查手段，缺少針對性的綜合治理措施，遠(yuǎn)不能滿足基坑工程地下水控制的要求，尤其對于復(fù)雜地層的含導(dǎo)水構(gòu)造探查以及注漿治理精確控制的研究甚少，盲目注漿造成的工程成本增加問題突出。針對以上問題，結(jié)合南京上元門地鐵基坑工程實際，通過基坑水文地質(zhì)資料，先從宏觀上確定臨江破碎帶地層的薄弱性，然后利用現(xiàn)場連通試驗檢查基坑地層的薄弱性，并得到基坑內(nèi)外水力連通性和滲流路徑等信息；然后采用地質(zhì)雷達(dá)探測確定薄弱地層相關(guān)區(qū)域，結(jié)合鉆孔資料與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果進(jìn)行相互驗證，確定基坑薄弱地層規(guī)模及關(guān)鍵薄弱點，最終形成一套完整的基坑涌水綜合分析方法；最后對臨江破碎帶采取針對性治理措施，治理工程成本不到傳統(tǒng)方法的1/3，效果顯著，可為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

南京地鐵3號線工程上元門車站(原濱江路站)位于上元門，地理位置特殊，兩面臨山，地處山谷地區(qū)，北側(cè)距離長江僅400 m。圖1為上元門車站與長江相對位置關(guān)系。上元門車站主體基坑長度208.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度24.4 m，基坑開挖深度24～25 m。本標(biāo)段主要位于長江漫灘平原區(qū)，為受長江汛期影響的易澇區(qū)。區(qū)段土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溶洞、圍巖破碎，裂隙發(fā)育縱橫交錯，地下水豐富，且江水與地下水水力聯(lián)系密切。地質(zhì)勘探資料顯示，基坑底板標(biāo)高以上地層縱向上有3種巖性： 粉細(xì)砂、軟塑—流塑狀粉質(zhì)黏土及中等風(fēng)化白云巖，地基均勻性很差，工程巖體具有一定的典型性和復(fù)雜性，屬于臨江富水破碎地層。同時，南京—湖熟斷裂、幕府山—鎮(zhèn)江焦山斷裂2條斷裂帶分別橫向和縱向穿越基坑?？傊?，區(qū)域內(nèi)斷裂交縱、溶洞遍布、巖溶破碎和裂隙發(fā)育區(qū)錯綜復(fù)雜。2014年4月20日車站基坑開挖至埋深18 m處時，基坑格構(gòu)柱附近及西側(cè)出現(xiàn)8處泉眼狀涌水，涌水量約3 000 m3/d,現(xiàn)場涌水情況見圖2。

2 臨江基坑水害探查思路

2.1 臨江基坑水害探查難點

南京地鐵3號線工程上元門車站由于區(qū)段土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地下水豐富、基坑所處位置偏僻、相關(guān)地質(zhì)資料較少，導(dǎo)致基坑水害探查困難。其難點主要為： 1)基坑周邊基礎(chǔ)勘察數(shù)據(jù)缺失； 2)基坑涌水區(qū)域面積大，且地層軟弱、成孔困難，難以大規(guī)模進(jìn)行鉆探； 3)區(qū)域內(nèi)斷層、構(gòu)造、巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件極為復(fù)雜； 4)現(xiàn)有資料過于繁冗，亟需系統(tǒng)有效的分析方法整合。

圖1 上元門車站位置圖

圖2 基坑涌水圖

2.2 臨江基坑水害綜合探查技術(shù)路線

針對上述難點，在充分利用現(xiàn)有水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，開展了水文連通試驗、地質(zhì)雷達(dá)補(bǔ)充物探和鉆孔取芯驗證等工作，系統(tǒng)分析了基坑涌水的來源和通道，為后續(xù)工程治理奠定了基礎(chǔ)。綜合探查技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 綜合探查技術(shù)路線

3 臨江基坑綜合分析

3.1 臨江基坑水文地質(zhì)分析

基坑所在區(qū)域的溶洞、破碎帶、裂隙發(fā)育分布不均勻，治理基坑水害的重點在于明確各個地層的地質(zhì)情況、導(dǎo)水通道及其水力聯(lián)系。通過對基坑水文資料的整理分析，得到如下結(jié)論：

1)地下水水源應(yīng)當(dāng)來源于第四系潛水層和淺層巖溶水，并表現(xiàn)出微承壓的特征。

2)基巖主要為中風(fēng)化白云巖。本標(biāo)段地質(zhì)構(gòu)造處于揚子準(zhǔn)地臺下?lián)P子凹陷褶皺帶的次級構(gòu)造——寧蕪斷陷盆地西北緣的江浦坳陷內(nèi)。同時沿江斷裂(F5)，又稱幕府山—鎮(zhèn)江焦山斷裂，沿寧鎮(zhèn)斷塊隆起北緣的長江河谷或長江南岸分布，其在長江南岸與本標(biāo)段近似垂直相交。2個斷層的存在，對基坑的地質(zhì)情況影響巨大。

3)南京上元門車站距離長江近，地理位置特殊，風(fēng)化白云巖巖溶裂隙發(fā)育，多見溶孔，溶洞及蜂窩狀、網(wǎng)格狀溶蝕現(xiàn)象，且具有嚴(yán)重的不均一性，極易形成含導(dǎo)水體。

4)地下水徑流通道，可能為F5斷裂的次生構(gòu)造，或者為連續(xù)的巖溶含導(dǎo)水空間。

3.2 現(xiàn)場連通試驗及結(jié)果分析

連通試驗是查明含水體水力聯(lián)系最直接的方法。分析連通試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以獲得更多的有效信息。為此，在基坑處開展了連通試驗[2，6-7]，如圖4所示。

在出水點附近、基坑周圍兩邊，每間隔3 m鉆1個孔，鉆孔深度為35 m，鉆孔數(shù)量為16個,鉆孔布置具體位置見圖4。通過這些鉆孔進(jìn)行示蹤劑的投放，選用高錳酸鉀作為示蹤劑。將高錳酸鉀配制成一定濃度的溶液，然后采用注漿泵通過各個鉆孔將高錳酸鉀壓入導(dǎo)水裂隙，泵送高錳酸鉀溶液的時間為2 min；示蹤劑投放之后，觀察涌水點水的顏色變化，并在涌水點每隔1 min進(jìn)行1次取樣，確保第一時間測得高錳酸鉀的擴(kuò)散情況，同時保證示蹤劑濃度分析的準(zhǔn)確性。具體試驗結(jié)果如表1所示。

圖4 連通試驗(單位： mm)

孔號出水點距離/mm開始連通時間/min持續(xù)時間/min4287136.6524703.355.65640263.64.6

試驗結(jié)束后采用光譜分析法對采集樣本的示蹤劑濃度進(jìn)行測定。首先配制已知高錳酸鉀濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測定其濃度與吸光度的關(guān)系曲線，曲線擬合度為0.998 8，如圖5所示； 然后對樣本進(jìn)行光譜掃描，將樣本光譜數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溶液光譜曲線進(jìn)行對照，以確定樣本溶液的高錳酸鉀濃度； 數(shù)據(jù)整理后得到接收點高錳酸鉀溶液濃度與時間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與吸光度的關(guān)系曲線

Fig. 5 Curve of relationship between concentration and spectrum of standard solution

圖6 溶液濃度-時間曲線圖

根據(jù)涌水點接收的樣本濃度測試結(jié)果，4、5、6號孔出現(xiàn)高錳酸鉀，且從注入到第1次接收到高錳酸鉀的時間較短，為3～3.5 min。由連通試驗可以說明，涌水點西側(cè)附近存在含導(dǎo)水構(gòu)造，是基坑水力來源的主要通道。根據(jù)示蹤試驗理論，連通試驗濃度-時間曲線只有1個峰值，可以推斷投放點和接收點之間連通性相對較好，徑流路徑比較簡單且較短。通過連通試驗結(jié)果確定的基坑涌水水力來源，可劃定基坑補(bǔ)給徑流帶，確定水力來源方向，同時為下一步地質(zhì)雷達(dá)探測[8]縮小范圍。

3.3 物探及鉆探現(xiàn)場試驗

連通試驗完成后，為查明基坑內(nèi)部的富水區(qū)域，采用天線頻率為 100 MHz的SIR3000 型地質(zhì)雷達(dá)在涌水點附近探測，探測深度為14 m，測線共6條(測線1、2、3、4、5、6)，測線4和測線5的探測結(jié)果見圖7。

(a) 測線4

(b) 測線5

由雷達(dá)探測結(jié)果可知： 涌水點所在區(qū)域附近反射強(qiáng)烈，反射主頻率最低；測線1和測線2中間位置反射主頻率稍次之；測線3和測線4上側(cè)反射主頻率再次之；測線4下側(cè)裂隙界面較為清晰，反射頻率較低。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)狀況以及相關(guān)地質(zhì)資料對基坑涌水區(qū)域進(jìn)行劃分，暫劃分為a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎帶以及d基巖裂隙區(qū)4個區(qū)域，具體劃分如圖8所示。

圖8 基坑涌水區(qū)域分區(qū)圖

根據(jù)前面的水文地質(zhì)分析以及地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果，在圖8中的4個區(qū)域分別鉆孔進(jìn)行鉆探取樣,取樣結(jié)果如圖9所示。

(a) 溶洞內(nèi)的粉質(zhì)黏土充填巖樣

(b) 溶洞內(nèi)無充填巖樣

(c) 破碎帶巖樣

(d) 基巖裂隙巖樣

取樣分析如下：

1)a處鉆孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直徑約1 m，最小溶洞直徑約0.1 m。從鉆進(jìn)情況來看，施工過程中基本不掉鉆，或有輕微漏漿，充填物為可塑狀的灰黃色粉質(zhì)黏土。但溶洞上下表面有較厚的溶蝕帶，其巖芯呈碎塊狀，裂隙發(fā)育，是基巖裂隙水連通的通道，鉆進(jìn)中一般都在溶蝕帶中漏漿、卡鉆，稱為充填溶洞帶。

2)在涌水點附近的b處鉆孔揭露有大小不一的溶洞，最大溶洞直徑約2 m，最小溶洞直徑約0.2 m。由于涌水的存在，充填物被沖出，基本沒有殘留，取芯極為困難，故稱為富水溶洞帶。

3)c處鉆孔主要是破碎成粗砂狀的破碎白云巖，巖性為白云巖，呈粗砂或礫砂狀(局部呈碎塊狀)，透水性較好，稱為破碎帶。

4)d處鉆孔有大量的裂隙，利用模糊信息分配法[9]統(tǒng)計得出該處的裂隙密度為3條/m，裂隙極為發(fā)育，同時地下水通道密集，一旦揭露，必然成為下一個涌水點，稱為基巖裂隙區(qū)。

通過對4個區(qū)域分別取芯鉆探，繪制了鉆孔橫向剖面圖(見圖10)，并驗證了地質(zhì)雷達(dá)探測劃分區(qū)域的正確性。根據(jù)鉆探結(jié)果得知，a區(qū)域為黏土充填溶洞，不能形成過水通道，對基坑危害甚小，綜合考慮各個因素，決定不予治理。

圖10 鉆孔橫向剖面圖

Fig. 10 Horizontal cross-section of geological conditions explored by bore-hole drilling

3.4 臨江破碎帶綜合分析

根據(jù)車站的地質(zhì)分析以及地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果，初步確定了臨江破碎地層的規(guī)模，并將基坑劃分為充填溶洞、富水溶洞、破碎帶以及基巖裂隙區(qū)4個區(qū)域。通過連通試驗發(fā)現(xiàn)，基坑靠近出水點側(cè)存在含導(dǎo)水構(gòu)造，與基坑內(nèi)水力聯(lián)系密切。通過鉆探分析驗證了物探結(jié)果以及分區(qū)的正確性，并明確了各個薄弱地層的具體位置。

總體看來，本段巖層地質(zhì)情況較為復(fù)雜，巖溶破碎帶復(fù)雜交錯，地下含水層水量豐富，白云巖屬可溶性巖，風(fēng)化后導(dǎo)水能力強(qiáng)，導(dǎo)致地下水沿溶洞及風(fēng)化白云巖軟弱帶流出； 而地下水破碎帶和巖溶發(fā)育是構(gòu)成帷幕基坑內(nèi)外水力聯(lián)系的主要原因，同時基巖裂隙也是小的水力通道，故需要治理的區(qū)域分別為富水溶洞、破碎帶以及基巖裂隙區(qū)。

4 臨江破碎帶綜合治理建議與效益

針對臨江破碎地層注漿改造工程，為確?；尤珘勖踩┕?，制定了相應(yīng)的注漿治理方案。

由于注漿工程具有隱蔽性以及含水層地質(zhì)條件具有復(fù)雜性等特點，根據(jù)注漿改造深度判定依據(jù)、注漿設(shè)計原則、注漿過程控制標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果檢驗等多方面進(jìn)行綜合治理，提出了“物探劃定，鉆探驗證；循序漸進(jìn)，分區(qū)治理；減少盲目，科學(xué)合理”的理念。

根據(jù)臨江破碎地層綜合分析得出的a充填溶洞、b富水溶洞、c破碎帶以及d基巖裂隙區(qū)，為避免直接封堵涌水點導(dǎo)致基坑全面涌水，采取以涌水點為基準(zhǔn)先遠(yuǎn)后近的加固原則，即先加固涌水點周圍，后封堵涌水點，加固順序為c—d—a—b。

由于上層仍有第四系黏土層，所以全部采用膜袋注漿工藝[10]，既能合理的隔斷第四系黏土層，又能為注漿起壓提供基礎(chǔ)，保證注漿效果。對于a區(qū)充填溶洞區(qū)，由于充填物為黏土，不具有導(dǎo)水性，對地層危害甚微，綜合考慮不予加固； 對b區(qū)富水溶洞區(qū)，對其主要涌水點進(jìn)行封堵，首先沿基坑邊緣設(shè)置一排鉆孔，封堵水力來源，采用劉人太等[11-12]研究的GT-1新型速凝類動水注漿材料進(jìn)行直接封堵，然后采用水泥單液直接填充溶洞； 對于c區(qū)破碎帶，先采用水泥漿單液滲透，后采用水泥-水玻璃雙液注漿封堵； 對于d區(qū)裂隙發(fā)育區(qū)，直接采用水泥-水玻璃雙液注漿加固[13-15]。傳統(tǒng)注漿設(shè)計和綜合分析鉆孔設(shè)計方法如圖11所示。

(a) 傳統(tǒng)鉆孔設(shè)計方法

(b) 綜合分析鉆孔設(shè)計方法

Fig. 11 Comparison between conventional bore-hole drilling design method and comprehensive analysis method

根據(jù)比較可知，通過對臨江破碎地層注漿加固綜合分析方法進(jìn)行的治理方案設(shè)計，能明確各個地層的地質(zhì)情況，對于基坑的軟弱地層、涌水點的封堵更加具有針對性，可避免注漿的盲目性。同時，通過采用該方法進(jìn)行的地鐵基坑注漿治理，完全封堵了基坑8處泉眼狀涌水，并無二次水害發(fā)生，取得了良好的效果，驗證了臨江破碎帶綜合分析方法的可靠性,現(xiàn)場實際開挖如圖12所示。采用該方法后鉆孔數(shù)量由132個減少為36個；單孔平均注漿量按3 t計算，注漿量由396 t減少為108 t； 每天注漿孔數(shù)按照5孔計算，工期由26.4 d減少為7.2 d；工程成本不到傳統(tǒng)方法的1/3。這些數(shù)據(jù)充分說明了臨江破碎地層治理的信息化施工的科學(xué)性,即通過水文地質(zhì)分析、地質(zhì)雷達(dá)探測、現(xiàn)場連通試驗和鉆孔資料分析有機(jī)結(jié)合的信息化施工,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖12 現(xiàn)場開挖

5 結(jié)論與討論

1)通過原始基坑資料中的水文地質(zhì)信息可以宏觀確定臨江破碎帶地層的薄弱性，而現(xiàn)場連通試驗是驗證基坑地層薄弱性最直接的方法，同時通過現(xiàn)場連通試驗可得到基坑內(nèi)外水力連通性和滲流路徑等關(guān)鍵信息。

2)根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測和水文地質(zhì)資料確定的不同薄弱地層，對確定不同地層劃分具有重大的指導(dǎo)意義。

3)臨江巖溶破碎地層的水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，基坑內(nèi)涌水點涌水壓力和涌水量分布極不均一，采用鉆孔資料和地質(zhì)雷達(dá)探測相互驗證的方法確定基坑薄弱地層規(guī)模及關(guān)鍵薄弱點十分必要。

4)基于水文地質(zhì)分析、地質(zhì)雷達(dá)探測、現(xiàn)場連通試驗和鉆孔資料分析多種方法有機(jī)結(jié)合的臨江破碎帶綜合分析方法，能夠?qū)ζ扑閹醇八νǖ雷龀鲚^為準(zhǔn)確和可靠的評價，為注漿治理提供科學(xué)依據(jù)，能有效減少注漿的盲目性，節(jié)約治理成本，保證注漿治理效果。

5)根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測確定不同薄弱地層的精度，以及針對基坑開挖造成的基坑側(cè)壁變形，有待進(jìn)一步研究。

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Study of Comprehensive Analysis Method of Water Gushing of Foundation Pit Near River in Fractured Ground

WANG Hongbo, ZHANG Qingsong, LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Lewen, JIANG Peng, ZHENG Zhuo
(GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China)

The karst and fractured ground are common geological conditions during construction of foundation pit of Metro; and the complex hydrogeological environment is the main cause of disasters. The lithology, characteristics of karst fracture and relative water content of foundation pit of Shangyuanmen Metro Station in Nanjing are studied by analysis of hydrogeological data, geophysical exploration and connectivity test method. The foundation pit can be divided into 4 areas according to the types of surrounding rocks and fractures; and then relevant countermeasures are proposed. Good effects have been achieved by selecting proper grouting materials and construction technology. The practice shows that the comprehensive analysis method of water gushing of foundation pit near river in fractured ground used in case study is feasible and rational, so as to reduce the cost and achieve good effects.

Metro station; foundation pit; karst and fractured ground; water gushing; detection method; grouting treatment

2016-07-21;

2017-03-31

國家自然科學(xué)基金(41272385)； 山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2015YQ002)

王洪波(1990—)，男，山東諸城人，山東大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)在讀博士，研究方向為地下工程防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)。E-mail： hongbo_wangsdu@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.011

U 455

A

1672-741X(2017)04-0455-07