广州地铁岩溶地段工程建设风险探讨.doc

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摘要以广州地铁 2 号线北延段三元里站至嘉禾站、5 号线大坦沙段以及草暖公园段、6 号线大坦沙站至如意坊站区间等岩溶发育地区为案例，分析了岩溶地质对地铁工程建设带来的不良影响，并就岩溶对地铁工程的影响及其处理措施进行探讨。
关键词地铁建设; 岩溶地质; 风险控制

广州地区存在较多的石灰岩地层，分布范围较广，岩溶地质比较普遍。在岩溶地区进行地铁工程建设，有的岩溶位于隧道底部，充填物松软且深，隧道基底难于处理; 有的溶洞岩质破碎、岩体顶板薄、容易引起坍塌、沉陷; 有的充满水囊和暗河，盾构掘进施工时会引起岩溶水和泥沙大量涌入隧道，产生涌水、突水工程事故。在广州因岩溶引起的工程问题也较多，有的整台施工机械沉陷，有的竖井被淹，更多的是要对岩溶处理后期投入大量的财物和人力。目前在建的地铁线路均遇到了岩溶问题，如何处理岩溶对于地铁建设具有重要意义，关系到地铁建设的成败。

1岩溶地质对广州地铁工程建设的影响
1． 1 2号线北延伸段岩溶地质对地铁建设的影响
2 号线北延段下伏二迭系栖霞组炭质灰岩和石炭系壶天群石灰岩地层，岩溶发育强烈。现有的钻探资料显示，三元里———嘉禾段均已发现一层或多层溶洞，容易产生岩溶塌陷地质灾害，对土建施工危害很大。
基岩顶面的溶蚀现象表现为溶沟和溶斗。基岩顶面标高 －3．96 ～ －19．48 m，平均为 －11．3 m。浅部基岩( 高程 －20m 之上) 存在较多洞高 0．2 ～2 m的小型溶洞。这些小型溶洞均无充填物，延伸不大( 小于 1 m) 。钻探揭示，基岩溶蚀缝、蜂窝状溶蚀等溶蚀现象非常发育，溶蚀缝宽 2 ～ 8 cm，部分未充填。深部基岩( 高程 －20 m 以下) ，会存在规模较大的大型溶洞。大的溶洞洞高 6．5 m( MBZ2-N010B地下 19．5 m) 到 14 m( MBZ2-N045B 钻孔，地下 26m) ，有些溶洞平面上延伸 7m 至 30m，在更深处可能互相连通。不少钻孔穿越多层溶洞如 MBZ3-32-14、MBZ2-N012B、MBZ2-N016B、MBZ2-N018B、MBZ2-N021B 、MBZ2-N022B 、MBZ2-N025B、MBZ2-N036B、MBZ2-N037B、MBZ2-N045B、MBZ2-N049B、MBZ2-N055B、MBZ2-N016B 等，个 别 达 到 5 层 ( MBZ2-N113B) 。其中陈田村站、上林镇车站两侧范围由钻孔发现的溶洞较密集。北延段区域发现的最浅的溶洞为钻孔 MBZ2-N055B，在地面下 11． 97 m，属新市———江夏区间。北延段区间基岩很大，有些地段存在破碎带，或为地层?5?? 6? 层与其它地层分界处，地下水丰富，流通性好，可能成为岩溶地下水通道，对岩溶处理影响较大。
与岩溶伴生的土洞对地铁建设影响也较大。土洞的形成是土、岩溶与水的活动相互作用的结果，多发育于黏性土中，土洞发育区必然是岩溶发育区。勘察报告揭示，在岩面附近多发现土洞，土建施工过程中地下水变化时其极易坍塌，同时，土洞受周边工程活动的影响较大，可在短时间内发展并扩大，对运营后隧道的行车安全构成影响。
1． 2 5号线岩溶地质对地铁建设的影响
5 号线广州火车站———小北站区间、草暖公园站———淘金站区间为石灰岩分布段，广从断裂与线路近垂直相交，断裂的两侧岩溶发育。在石灰岩分布范围内，已有多个钻孔揭示到溶洞。溶洞高 0． 22～ 12． 30 m，层数一般为 2 ～ 7 层，最多达 12 层( MEZ3-GX-25a 号钻孔) ，岩溶形态复杂且发育极不均匀，最浅的溶洞顶板标高为 5． 35 m，最深的为 －28． 60 m，溶洞变化较大，对工程施工有重大不良影响。本段区间采用盾构法施工，工程处理的主要措施是在地面进行加固和填充。
溶蚀形迹以溶洞为主，隙、孔为辅。在平面上溶洞成串状，较集中地分布于 C03 孔 ～ C35 孔以西地段和 C08 孔 ～ D22 孔以东地段。岩溶形迹的密度和规模在垂向上也有差别，从高程 － 1 m 至高程－ 14 m，呈现溶洞密度加大和洞穴规模变大。溶洞断面多椭圆状、倾斜状，洞径多 1． 5 ～3 m，部分地段呈不规则厅堂状。其中 A02 ～ B25 孔对间、C17 ～B17 ～ C33 孔三角地段、D25 孔北侧等有厅堂状溶洞，洞跨可达 3 ～6 m，最大 8 m; 垂高可达 4 ～ 8 m，局部垂高 17 m。隧道穿越石炭系灰岩地层，岩溶较发育，部分溶洞位于隧道空间范围内。在采用盾构施工时，一旦揭穿溶洞，有可能造成突水、突泥及盾构机陷落等工程事故，对盾构施工影响较大; 若隧道溶洞涌水( 或突水) 而得不到有效处理，将直接导致第四系孔隙水位下降，从而影响周边建筑物安全，严重时会造成地面塌陷。
1． 3 6号线岩溶地质对地铁建设的影响
6 号线大坦沙站———如意坊站区间属岩溶发育地段，区间石炭系岩层与白垩系岩层不整合接触带上洞穴发育，砂岩中发育有土、石洞、灰岩中溶洞发育，范围集中在里程 YCK 5 +300 ～ YCK 5 +600，详勘揭露到洞穴的钻孔有 12 个，其土、石、溶洞数据统计见表 1。

根据钻探，在区间起点( 里程 YCK 5 + 213 ～YCK 5 + 650) 存在白垩系地层与石炭系灰岩的不整合接触面，接触面经长期风化剥蚀，岩层胶结较差，局部夹灰岩岩溶发育，形成在红层中的溶洞现象，因岩溶发育主要位于隧道底部，局部离隧道底部较近，岩溶对隧道施工造成重大影响。

2应对措施
2． 1岩溶地区勘察与物探
2． 1． 1 5号线岩溶问题的地质物探案例
5 号线工程广州火车站至小北区亚哥花园段( DK7 +982 ～ DK8 + 041) 进行了跨孔电磁波法( 简称跨孔 CT 法) 探测工作，完成了与隧道交角约 70°角的 22 条 CT 剖面的探测，另外在异常复杂地段又增加了5 条剖面，共计完成27 条 CT 剖面的探测，基本查明了 CT 剖面上岩溶等不良地质现象的分布情况。
跨孔电磁波透视法又称阴影法，也称 CT 法。它以电磁波直线传播理论为基础，在一个钻孔中由电磁波发射无线电，向地层中幅射固定的高频电磁波，在另一个钻孔中接收，如图 1 所示。通过对接收到的经衰减后的剩余信号进行信息处理和综合分析，即可圈定 CT 钻孔间软土、土洞、溶洞、溶隙、破碎岩、断层等不良地质现象的空间展布位置。

CT 现场采集数据的回放或传输，CT 数据处理与物探异常解释采用“跨孔电磁波法数据处理解释工作站”软件完成。CT 异常的解释方法采用视吸收系数剖面法。视吸收系数的代数重现采用 ARTM1方法。
图 2 为地铁隧道顶面以上 3． 0 m、地铁轨道及其以下 3． 0 m 三个水平切面上 CT 异常解释成果空间效果图。

采用跨孔电磁波透视对隐伏岩溶进行探测，弥补了勘探钻孔网点少的不足，为设计与施工提供了分析依据。但物探异常的解释推断结果是数学物理模型及计算机技术与物探实测数据的迭代拟合，物探异常的解释结果难免会存在多解性和误差，故在利用探测结果时一定要用钻探进一步验证物探异常的属性。
2． 1． 2 6号线详勘岩溶及地层不整合面对工程的影响
根据钻探，在 6 号线大坦砂站———如意坊站区间起点( 里程 YCK5 + 213 ～ YCK5 + 650) 存在白垩系地层与石炭系灰岩的不整合接触面，接触面经长期风化剥蚀，岩层胶结较差，局部夹灰岩岩溶发育，形成在红层中的溶洞现象，因岩溶发育主要位于隧道底部，局部离隧道底部较近，岩溶对隧道施工造成重大影响，设计施工应考虑其影响。
钻探结果如图 3 所示。

通过采用物探与钻探综合勘察的措施，可以较好地探明地铁区间的溶洞分布情况，对工程建设起到良好的指导作用，规避工程建设风险。
2． 2岩溶地段的施工措施
2． 2． 1岩溶地段盾构施工措施
5 号 线 草 暖 公 园———淘 金 区 间 在 YDK7 +903． 505 ～ YDK8 + 052． 610 初勘和详勘钻孔揭露到有溶洞分布，勘察资料揭示本区域有 4 个较大的溶洞分布区，填充物主要为黏性土、砂和灰岩碎块等，位置多分布隧道结构底板处。
盾构掘进遭遇岩溶采取的措施有:
( 1) 针对隐伏溶沟、溶槽、漏斗等地质条件，采用地质超前预报、土体注浆加固、空洞填充等措施进行控制。
( 2) 遇地下空穴时，盾构刀盘存在空转的风险，必须提前探明地下空穴，及时停机。
( 3) 针对岩溶发育地段，需施工前查明岩溶发育情况，并在盾构施工前进行溶洞的处理，填实后再进行盾构施工。
2． 2． 2明挖车站及区间风险分析
明挖车站及区间的施工风险主要在于基坑开挖和钻孔桩施工两方面。
2 号线一期工程三元里折返线处在灰岩地区，曾发生过竖井被淹的事故: 当竖井穿过第四系覆盖层、进入白垩系与石炭系灰岩的超覆界面、离灰岩层位还有几米时突然涌水，将整个竖井淹没。竖井被淹的原因是: 在有一定连通性的岩溶地区，岩溶水多属承压水，竖井开挖时，相当于对岩溶上覆土层进行卸荷，当土压与水压的平衡点被打破时，岩溶水就会突出，造成竖井淹没。因此基坑开挖时遇到的主要风险是防止承压水顶穿底板，发生突水、涌水事故。
2 号线北延伸段远景站、白云新城站、新市站、陈田村站均为浅埋车站，基坑开挖深度约为 11 ～13 m，地下一层车站，开挖面距离岩溶顶板有一定的距离。但车站均有局部横通道下穿轨道处，深度约15 ～16 m。从勘察资料看，陈田村站、上林镇站岩层面高，车站范围内发育的溶洞较多，且岩层附近发育土洞可能性大。因此，陈田村站、上林镇站基坑开挖受岩溶影响较大，可能会产生基坑开挖突水、基坑塌陷、土洞的发展、塌陷等风险事故。
三元里站———远景站、远景站———白云新城站、白云新城站———新市站、陈田村站———上林镇站、上林镇站———嘉禾站为明挖区间，采用桩 + 土钉支护方式。从勘察资料看，白云新城站———新市站区间MBZ2-N055B 钻孔在地面下 11． 97 m 钻探到溶洞，其它均距离结构底板有一定距离，平均约 10 m 左右。区间的主要施工风险在于钻孔桩的施工，可能发生塌孔、涌水、吊钻等事故。
北延段岩溶土洞处理设计采用了如下方法:
( 1) 对洞径大于2 m 的无填充溶洞和半填充溶洞，采用先吹砂处理，后注浆加固的方法; 对于小于2 m 的无填充溶洞和半填充溶洞，可采用注浆填充。
( 2) 对于全填充溶洞采用压力注浆的方法进行填充加固，注浆压力从低到高，间歇、反复压浆。
对于地表水形成的土洞，地面水可采取截流、防渗、堵漏，阻断水流进入场地。对地下水引起的土洞，应防止地表水下渗、采取挖填、灌砂、反滤层、跨越、用桩挤密等措施。

3结语
要有效解决岩溶地质给地铁施工带来的风险，应从勘察设计阶段入手，突出工程地质研究的地位，查明岩溶形态，注重对岩溶的发育规律的工程地质分析，对测绘和物探发现的异常地段，应选择有代表性的部位布置验证性钻孔; 在选择设计方案时，应尽量采用浅埋车站及浅埋区间施工，甚至采用高架通过，以有效降低岩溶引起的风险。同时，应采用科学的施工和监测方法，在采用盾构法施工时，应尽早在地面上对溶洞进行充填加固，盾构施工中要对盾构机的阻力、姿态、水压不断监测，发现异常时应分析可能原因，及时对岩溶地段采取准备措施; 施工中应尽可能配备具有超前地质探测的设备，掌握掘进面的地质不良情况，指导设计和施工参数选择。在广州地铁的建设实践中，通过综合采取以上方法，在不同的阶段采取适当的措施，将岩溶给地铁建设带来的风险及时予以解决，取得了良好的效果。目前，文中提到的各条线路均已安全高效地完成了建设任务，顺利投入运营。

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