中心城区灰岩区地铁车站基坑开挖前降水试验分析

曾照发，李 钊，李浩朋，陈国威

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510308；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610）

1 工程概况

广州市轨道交通8号线北延段16.46km，共设13座车站，地下线经过广州市荔湾区和白云区，沿线地表多为城市道路、老城区居民区，人流、车流密集，建筑物稠密，地下管线复杂。线路整体处于广花凹陷盆地的南西部和三水断陷盆地的东延部，沿线发育的不良地质主要作用在增埗河以北大部分地段，均发育有岩溶、土洞，石炭系中上统壶天群地层岩溶发育强烈，为岩溶地面塌陷危险性大区。

2 抽水试验的主要目的及方法

（1）通过选择合适的方法进行群井或单井抽水试验，观测围护结构内外水位与基坑内抽水井水位下降的水位变化关系，据此判断地下连续墙的隔水效果、围护结构底部位于岩溶地层溶洞填充处理的效果、围护结构下是否存在绕流、岩层裂隙水的丰富度等。（2）检验降水方案是否满足基坑开挖要求，给出下阶段施工的建议，保证岩溶区施工安全。（3）了解场地地下水位分布情况，为下一步施工提出指导意见。文章对广州8号线北延段几个位于灰岩区范围的车站抽水试验作比较说明。

3 车站抽水试验

3.1 小坪站抽水试验

小坪站为明挖顺作的地下两层岛式车站（见图1），车站高度范围内的地层主要为<3-3>、<2-1A>、<4N-2>、<5C-1A>、<5C-2>、<9C-2>，底板主要位于<9C-2>。该车站溶洞平均见洞率为53.57%，存在深厚淤泥、淤泥质土，岩面倾斜起伏大等地质特性（见图2）。车站型式采用现浇箱型钢筋混凝土框架结构，围护结构采用连续墙加内支撑支护体系。围护结构采用800mm厚地下连续墙，连续墙嵌固深度要求：进入微风化岩层不少于1.5m，中风化岩不少于2.5m，强风化岩不少于4.5m，全风化岩不少于6.0m。

图1 小坪站总平面图

图2 小坪站地质纵剖面

抽水试验情况：第一次经过15d的连续降水，水位降至13.58m，在10min内降至水井底部，进入岩层，降幅较大，且下降较迅速，水泵间断出水，出水量变小，观测孔水位下降速率降低（见图3）。在降水过程中对周围的水位监测孔及周边地面、建筑物进行监测，数据均无明显变化，说明基坑内降水对周边没有太大影响。第二次降水实际涌水量约410.37m3/d，占到预测涌水量（Q=830.61m3/d）的50%（见图4）。过程中对周围的水位监测孔及周边地面、建筑物进行监测，数据均无明显变化，说明基坑内降水对周边没有太大影响；且受第一次抽水的影响，上层滞水、土层潜水补充有所减弱，证明该车站围护结构实施良好。

图3 第一次降水坑内水位变化曲线

图4 第二次降水坑内水位变化曲线

以小坪站为例，基坑内群井抽水试验表明：微风化灰岩层与含水层交界面受地下连续墙切断，地下水补给较少。但在抽水过程中发现南北端头的抽水量明显大于中部，初步判断南北端头因深度大于中部，可能存在岩溶裂隙的水力通道。

3.2 石井站抽水试验

石井站车站为全明挖地下两层岛式站台车站，车站扩大端埋深17.60～18.14m，车站高度范围内的地层主要为<3-3>、<4N-2>、<2-1B>、<7>、<9C-2>，底板主要位于<9C-2>。溶洞见洞率约为40.0%，且该车站受石井断裂束影响，岩面起伏大，存在风化深槽。

石井站南端头井第二道支撑以下2m在基坑开挖过程发生涌水，为查明出水原因，在基坑周边内外进行钻孔并对钻孔进行注浆。注浆完成后出水量有所降低。南端头范围基底均位于岩层，围护结构嵌固深度等计算满足相关规范要求。根据施工补充的钻孔、出水水质情况、一墙两钻地质报告并结合对比孔芯照片，该范围的连续墙的墙底已入岩，但墙底基岩存在岩石较破碎或破碎的情况（岩石质量指标RQD参考值20%～55%），基本判断水源是基岩裂隙水渗透导致。

处理措施：根据一墙两钻结果并结合开挖情况、连续墙嵌固深度、周边环境等考虑，对部分连续墙的墙底基岩破碎的范围进行处理，采用坑内袖阀管注浆，对墙底基岩破碎的范围进行封堵、填充处理。墙底基岩破碎带经注浆封堵处理后，基坑涌水量明显减弱，有效确保了基坑施工安全，并降低了对周边环境的影响。

在处理完成后，对基坑内进行降水试验。试验过程降水井都能抽水至井底，满足基坑开挖过程中的降水要求，其中停抽后的水位回升速度快（见图5），分析其主要原因为该井较深，施工至基底以下5m，且该处为断裂带。

图5 石井站内降水井抽水试验水位与时间关系图

坑外水位变化情况：在坑内降水试验过程中，每隔1h对坑外水位进行一次观测，整个观测过程中（见图6），水位变化除了DSW14有一次单次变化为15cm，其他变化均在10cm以内，考虑到测量过程中可能存在误差的原因，证明基坑内降水对基坑外影响较小，连续墙施工质量基本可有效阻断基底绕流。

图6 石井站坑外水位埋深与时间关系图

3.3 同德围站抽水试验

同德围站周边环境复杂，岩溶发育，分布深厚中粗砂层，工程地质条件、水文地质条件复杂（见图7）。原位于基坑东北角位置的勘察钻孔MHBZ3-TDW-B46钻至56.3m仍为砂层，该区段围护结构连续墙最深的插入深度约为37.0m，存在绕流的风险性相对较高。为进一步查清溶蚀凹槽段地下水情况，为车站基底处理方案提供参考依据，在同德围站（北端）溶蚀凹槽范围进行围护结构封闭情况下的抽水试验及地下水位观测（见图8）。

图7 试验区典型地质剖面图

图8 同德围站抽水试验位置图

试验区主要含水层为砂层，其沉积物多呈二元或多元结构，上层多为上粗下细，由砾砂（3-3）、中粗砂（3-2）、粉细砂（3-1）组成，下层则主要为上细下粗，由粉细砂（3-1）、砾砂（3-3）组成（见图7）。上部砂层孔隙微承压水与覆盖其上面的潜水层具水力联系，统一为潜水层，下部砂层孔隙承压水与下伏基岩的岩溶裂隙水统一为承压水层，承压水位比潜水水位稍低，平均高程为5.27m（原溶蚀凹槽专题勘察报告给出的承压水头高度标高为4.11～5.33m，两次水位高度基本一致）。据试验成果判断砂层之间的粉质黏土层（4N-2）应为连续隔水层，砂层之间的水力联系不明显。从观测孔的Q-s曲线可以看出，基坑内围护结构完成后抽水量仍较大（见图9、图10）。随着基坑内抽水井的水位下降，基坑外的S4和S5的观测井水位仅有较小幅度的下降，最大降深为S4的0.115m。虽然抽水试验区连续墙底板残积土层无明显直接绕流，但因砂层直接覆盖基岩之上，可能存在基岩裂隙水的连通绕流情况，如基岩裂隙水通道延伸较远，或其与观测井间受残积土及完整基岩的有效隔离，导致存在基坑内外俱绕流的情况，但观测井水位下降幅度仍较小。

图9 CS1抽水试验时主井Q-s、q-s曲线

图10 CS2抽水试验时主井Q-s、q-s曲线

因试验区为灰岩地区，地质条件和水文条件均较复杂，单从抽水试验时坑外观测井水位变化较小的情况，不能完全排除基坑内外无绕流的情况，因为在基坑内抽水时，结合试验场地岩溶发育、水文地质条件复杂等因素分析认为，影响坑外观测井水位下降的因素有多种可能。特别是结合周边建筑沉降物监测数据成果及溶蚀凹槽段揭露的地质条件，认为基坑内外仍具绕流的可能性。试验结果推断基坑底下部砂层含水层为承压水，水头较高，基坑开挖施工时存在较大的突涌风险。

4 灰岩区抽水试验特点

与非灰岩区车站的抽水试验相比，灰岩区范围车站的抽水试验结果有如下特点：

（1）抽水试验结果表明，灰岩区岩溶裂隙水含水层径流条件和富水性不均匀，突水范围内径流条件和富水性均较好。

（2）岩溶含水层不仅发育有大的溶洞，还有许多小的裂隙分布，非均匀性和各向异性特征明显，岩溶系统空隙结构非常复杂，含水层结构和渗透规律及地下水补给来源等艰难掌握。

（3）灰岩地区地质条件和水文条件均较复杂，从抽水试验时坑外观测井水位变化较小的情况，并不能完全排除基坑内外无绕流的可能性。以同德围站为例，抽水试验结果表明，车站基坑底下部砂层含水层为承压水，水头较高，下部砂层含水层与岩溶裂隙水连通，在溶蚀凹槽边缘附近岩面起伏较大，岩溶发育基坑开挖施工时存在较大的突涌风险。

（4）在灰岩区，抽水量增大，岩溶裂隙中的填充物承受较多冲刷从而加大了水的运移通道，有可能导致抽水点和补给区的水头差增大，水压增加，导致更大涌水。

5 结束语

（1）考虑到灰岩区部分站点位于城区的特殊性，且部分灰岩区上部潜水、砂层承压水和底部溶洞存在水力联系，对灰岩区基坑进行的抽水试验，可验证围护结构隔水效果、岩溶地层溶洞填充处理的效果、围护结构下是否存在绕流。如小坪站连续墙未完全插入溶洞底板，但抽水实验验证地下水内外联系已隔断，说明溶洞处理后能有效隔断内外水联系。

（2）通过几个灰岩区车站抽水试验的水位变化及恢复情况表明：一般基坑内含水层淤泥层的滞水补给能力差，岩层的补给能力较弱；底部含水层砂层渗透能力好、补给能力强、补给速率快、导水能力强。当砂层底部存在串通溶洞时，相应补给最强。建议重视灰岩区基坑开挖的抽水试验，对相应风险进行预判，降水过程需密切关注周边观测井水头下降情况、土体沉降数据、周边建构物、管线等沉降情况，发现异常及时采取相应措施。

（3）若车站结构底板位于承压水隔水层附近，基坑施工时应针对具体地质、水文等条件对地下水进行有效控制，以免处理不当造成基坑突涌等灾害。基坑降水建议降至基坑底板以下1m，降水井均匀分布，防止降水不均匀带来的土体失稳等事故发生。施工时应注意基坑侧壁渗水、涌砂情况，加强基坑外水位及邻近建筑物的沉降监测，必要时进行注浆封堵，对基坑底部砂层及岩溶进行加固，防止因承压水造成的突涌等事故的发生。

（4）发现存在多层渗流通道时，建议对砂层直接采用注浆方式进行加固处理，降低砂层的渗透系数，封堵承压水的地下通道。当场地内承压水顶板（粉质黏土，4N-2）厚度变化较大时，注浆应根据地层情况分区确定加固深度，必要时采取格栅分割分区，各分区加固深度根据水头高度进行验算确定。若下部砂层含水层与岩溶裂隙水连通，在溶蚀凹槽边缘附近岩面起伏较大，岩溶发育，可根据工程需要对截水帷幕进行加长，对于基坑内距离结构底板较近的溶洞进行充填注浆处理。