覆盖型岩溶区城市地下轨道交通建设引发地质灾害风险与对策

邓忠 李珊 高武振 康志强

摘  要：兴建城市地下轨道交通是缓解城市交通压力的主要手段。在覆盖型岩溶区工程施工过程中，不可避免的会遇到诸如区域地下水位下降、突水、突泥、围岩变形失稳和地面塌陷、地面变形等一系列地质灾害。本文对覆盖型岩溶区地下工程建设过程中的致灾自然因素与人为因素进行了分析。对比不同地质条件下可能会出现的地质灾害类型，认为降低地质灾害风险较有效的方法是微扰动施工控制法。尤其是在超前探测预报施工过程中，对掌子面前方不良地质体部位及其成灾可能性做出预报。进而选择修订穿越不良地质体地段的有效施工方法、辅助加固工法、工艺参数。在采用盾构法施工时，应根据具体的探测预报任务和现场条件恰当选择地质超前探测预报方法。

关键词： 覆盖型岩溶区;地下轨道交通;盾构法;实施对策

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

我國是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，面积达346万km2，占全球岩溶面积2200万km2的15.73%（袁道先，2014）。西南岩溶石山地区以贵州为中心，跨越云南、广西、四川、重庆以及湖南、湖北、广东西部一带，面积达76万km2（袁丙华等，2007）。我国有众多城市分布于岩溶区，省会城市如济南、贵阳等。有些城市人口超过100万人，甚至达300～500万人，人均GDP超过5000～10000美元，远远超过了国际通行100万人口，人均GDP1000～2000美元就达到地下空间开发利用高潮的数值（欧孝夺等，2015）。广西的诸多城市，如柳州、桂林、河池、贺州等均分布于岩溶区内，地下空间的有效利用对城市高质量发展至关重要。

2015年5月，国务院就批准了南宁市在2021年要建成5条线路地下轨道交通网络，南宁市轨道交通规划整体包括“四横四纵”8条线，总长度约252km。其中1号线、2号线、3号线已建成通车;4号线、5号线及2号线东延在建;机场线、武鸣线及3号线南延等前期工作已在开展中。由此可见，我国大中城市已经进入了建设城市地下轨道交通的新高潮，其中也包括许多处于覆盖型岩溶区的城市，如贵州贵阳城市地铁建设、广西南宁轨道交通3号、4号线，广西柳州市城市公共交通配套工程1、2号线建设均穿越覆盖型岩溶区（广西水文地质工程地质勘察院，2016;2017a）。但是，在覆盖型岩溶区建设地下轨道交通采用盾构法施工过程中，往往遇到许多复杂环境水文地质问题，对地下工程建设影响非常极大，严重威胁施工人员、设备和地表建筑、道路、管网等建（构）筑安全（程光华等，2013;李胡生等， 2005）。因此，分析施工可能引发地质灾害的原因，预测其可能造成的影响范围、危害程度和危险性，并提出设计施工需采取的对策措施，具有比较现实的意义。

1 引发地质灾害的原因

覆盖型岩溶区采用盾构法施工城市地下轨道交通过程中，可能遇到地下水位下降、突水、突泥、围岩变形失稳和引发地面塌陷、地面变形等地质灾害的原因有很多（刘广润，2001），其中地下岩溶发育、丰富的岩溶地下水和一定厚度的土层是最主要的因素之一。

1.1 岩溶的发育情况

由于长期的地质作用，无论是易溶、纯度较高的灰岩、白云质灰岩覆盖型岩溶地区，还是不易溶、纯度较低的白云岩、泥灰岩或者泥质碳质灰岩覆盖型岩溶地区，近地表地下岩溶一般均较发育。如桂林市临桂新区，钻孔遇洞率高达20%～53%，平均线岩溶率为0.68%～5.05%，平均洞高0.88～3.64m;80%～90%的溶洞发育在深度20～40m之间，这正是地下轨道交通主要设置位置。深度40～90m以下溶洞数量逐渐减少，规模也变小，甚至变为岩溶裂隙。另外，基岩面上还发育有大量溶沟溶槽，且充填着流塑状、软塑状黏土，并与覆盖层黏土相互联系。

1.2 岩溶水动力条件

覆盖型岩溶区地下一般都储存有较丰富的地下水，并且具有微承压性。地下水位处于土层中间，不仅受降雨、灌溉和排泄的影响发生上下变动，而且还随着排泄和人工开采、排水产生变动。水位剧烈变化是引发地面塌陷、地面变形等地质灾害的主要因素。地下轨道交通等工程施工穿越岩溶地下水丰富的地段时，引起坑道大涌水或突水，伴随的涌泥、涌沙将增加施工、运营困难。又因水位、水量变幅大，致使一般排水工程不易凑效，从而引发地面塌陷，危及地面工程建筑安全（李胡生，2008）。分析其原因：一是，地下水活动加快溶蚀侵蚀作用，促进溶洞裂隙发育;二是，地下水水位频繁波动对土体产生潜蚀作用，并把潜蚀物质搬运带走，地下水运移更加通畅;三是，地下水活动改变土体的塑性状态和强度;四是，地下水活动引起浮托力改变，以及在岩溶空腔、土洞的正负压力，产生潜蚀或吸蚀作用等（广西水文地质工程地质勘察院，2017b）。

1.3 可溶岩上覆土层的情况

覆盖层的厚度和土层的性质也是发生地面塌陷有关的一项重要环境因素。一般情况下，覆盖的土厚较厚，塌陷发生的强度较弱。相反，土层较薄，塌陷数增多。土层厚度在30m以上者，一般不发生或很少发生塌陷（袁道先，1988）。松散土层的厚度、岩性、颗粒成分、结构构造、物理力学性质、水理性质主要与地质环境条件有关。如桂林市西城区的冲洪积含砾粉质黏土，厚度一般3～10m，局部达20余米。土层的底部普遍存在有强度低、易被水流动带走的软土，钻孔软土遇见率42.2%，线软土率18.7%。其中流塑土遇见率10.6%，线流塑土率4.9%。这些流塑状、软塑状黏土多与溶洞和基岩面上的溶溝溶槽黏土关系密切。

尽管土压水压平衡盾构掘进施工工法可提前精准设定盾构机土压力，但在覆盖型岩溶区采用盾构法施工城市地下轨道时，由于岩溶发育的不均匀性，岩溶发育部位难于精准预测。加上溶洞裂隙和溶沟溶槽中充填的黏土及地下水作用，要做到盾构机的舱压与周围环境的岩土水压力都平衡比较困难。另外，有时盾构机设备发生故障或者外部环境出现问题，例如需要更换刀片、外部停电等等，就会引起盾构机舱压发生变化。当盾构开挖掌子面周围的土压、地下水压力与舱压差值较大时，就可能引起岩洞裂隙中的充填黏土、地下水大量涌出，导致周围土体、地下水被扰动，导致覆盖层土体结构破坏、地下水快速流动。当施工扰动引起的周围地质环境变化达到一定程度时，就会造成地下水位下降、突水、突泥、围岩变形失稳和引发地面塌陷、地面变形等城市地质灾害。进而引起建（构）筑物产生附加应力、出现沉降、倾斜、变形增大、管线开裂、甚至破坏坍塌等严重后果，造成重大经济损失和不良社会影响（朱合华等， 2014）。城市建设需要在覆盖型岩溶环境区进行工程活动，特别是地下工程活动，引发岩溶塌陷、地面变形也就不可避免。但是，目前还缺乏有效的预测手段，随着城市地下空间开发利用的程度不断加大，这一环境地质问题也会相应增加（杨洋等，2019;郑淑芬等，2010;陈志龙等，2005）。因此，针对在覆盖型岩溶区采用盾构法施工地下轨道交通过程中可能引发的地质灾害问题而研究的施工方法和防范措施就显得十分重要和紧迫。

2 超前预测预报技术

要使在覆盖型岩溶区采用盾构法施工地下轨道交通过程中可能引发的地质灾害风险降到较低，目前最有效的方法就是采用微扰动施工控制法。该法是基于现场监测的信息化动态反馈施工技术的应用，关键技术就是准确超前探测预报施工掌子面前方和洞壁周围的岩土体、地下水情况、溶洞裂隙、溶沟溶槽等不良地质体部位，并对成灾可能性做出预报。以便及时合理地提前调整施工进度，选择、修订穿越不良地质体地段的施工方法、确定辅助加固工法、施工工艺参数和事故预案等（朱合华等，2014）。

盾构法施工地质超前探测预报技术方法、手段多种多样。如何选择取决于具体探测预报任务和现场条件。对盾构开挖掌子面前方的地质环境情况进行探测预报应结合地形地貌情况、地面建（构）筑物、围岩地质环境、不良地质体及其物性差异等，并应详细了解各种物理探测方法、地质方法、化探方法等外业布置要求，尽可能满足布置条件，保证获得第一手资料的可靠性。现今采用比较多的超前探测预报方法有如下几种：

2.1 地面地质调查与预报技术

盾构微扰动施工控制法施工期间的地面地质调查，是针对设计单位的勘察设计资料进行施工完善的过程。由于岩土工程勘察精度所限，勘察设计资料常常遗漏很多影响施工的地质构造、不良地质体，有时还可能导致出现设计和施工失误。地下轨道交通施工地质技术人员必须通过地质填图法对勘察设计资料进行地面地质调查、复查和核实，并通过地表地质体界面和地质体影射法对施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充。

2.2 地质雷达探测技术

探测雷达在覆盖型岩溶区盾构施工地下轨道交通过程超前探测预报中，主要用于基岩探测，即第四系土层划分、土洞、溶洞、裂隙和溶沟溶槽探测，掌子面地质灾害预报、管片与灌浆工程质量检测、水底沉积和地下管线埋藏物等。其探测深度一般小于50m、探测距离约30m，可通过超前反映的土洞、溶洞、裂隙和溶沟溶槽等地质体情况，进行施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充。

2.3 高密度电阻率探测技术

在覆盖型岩溶区盾构施工地下轨道交通过程超前探测预报中，高密度电阻率法主要运用于溶洞、裂隙和溶沟溶槽的探测。与常规方法相比，高密度电阻率法的电极布置一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和测量误差，能有效进行多种电极排列方式测量，从而获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息，成本低、效率高、信息丰富、解释方便。因此，可采用高密度电阻率探测技术超前反映的溶洞、裂隙和溶沟溶槽等不良地质体情况，进行施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充。

2.4 TSP超前探测预报技术

TSP超前地质预报系统是由瑞士安伯格测量技术公司专门为地下工程超前地质预报研制开发的先进设备。在覆盖型岩溶区盾构施工地下轨道交通过程超前探测预报中，主要用于探测掌子面前方的断层破碎带、溶洞、裂隙和溶沟溶槽等不良地质体的性质、位置、规模，富含地下水的地质体，预报各种不良地质体发生塌方、突水、突泥等地质灾害的概率。其预测距离一般为掌子面前300～500m，分辨率0.5m，预报距离误差小于10%。因此，可采用TSP超前探测预报技术超前反映的溶洞、裂隙、溶沟溶槽、地下水富水地段等不良地质体情况，进行施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充。

2.5 聚焦层析激化法

聚焦层析激发极化法定量超前预报理论与方法，是由山东大学李术才教授带领的研究团队专门为隧道工程超前地质预报研制开发的先进仪器设备和方法。该方法在掌子面前方通過充电建立激发电场，当存在含水体时会产生较强的二次极化电场;激发电场关闭后，通过测量分析二次极化电场的电压衰减时间来反映掌子面前方的含水情况（李术才，2012）。GEI综合电法仪可实现多路供电以及多路采集，抗干扰能力强，为聚焦层析激发极化法探测提供了专用设备;并已经研制出将测量电极搭载在盾构机刀盘和护盾及其后方围岩安装部位，依靠液压控制系统实现电极伸缩。同时研发出了联合反演与解译系统，建立了典型含水体的解译准则，实现了含水构造40m近距离的三维定位，突破了含水体水量估算的技术难题（李术才，2012）。在TBM法施工隧洞和地下轨道交通过程中，可以有效进行不良地质体超前探测预报。为施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充提供可靠的依据。

2.6 红外线探测技术

在覆盖型岩溶区盾构施工地下轨道交通过程超前探测预报中，红外线探测方法主要运用于确定掌子面前方或者洞壁四周是否存在丰富的地下水体，以便进行施工设计和施工方法、工艺参数、辅助加固措施进行修改、完善和补充。

除上述外，还有平导超前预报法、掌子面地质编录法和超前水平钻探等方法，都可以用在盾构施工地下轨道交通过程超前探测预报。

3 施工对策分析

在覆盖型岩溶区采用盾构法施工地下轨道交通过程中，要使引发的地质灾害风险降到最低，宜采用微扰动施工控制法。通过利用上述超前探测预报技术方法、手段，获得准确的现场监测信息，如盾构开挖施工掌子面前方的岩土体、地下水情况、溶洞裂隙、溶沟溶槽等不良地质体部位，并进行成灾可能性做出预报，及时合理地提前调整施工进度，选择、修订穿越不良地质体地段的施工方法、确定辅助加固工法、施工工艺参数和事故预案等（朱合华等，2014）。

3.1 富水地带施工措施

（1）加强超前地质预报、红外探水和聚焦层析激发极化法超前探水工作，准确判定突水、突泥位置、规模和可能涌水量。

（2）采用注浆、冻结等方法超前止水、治水，隔截岩溶水系统中物质的透移通道，改变局部地表水文网等。

（3）加强监控测量和预警预报体系建设。

3.2 建（构）筑物地基加固措施

（1）加强超前探测，准确探明溶洞裂隙、溶沟溶槽等地下岩溶微地貌发育的位置、规模及其地下水赋存地带，做好地下水流量、水位下降范围、降深的预测预报，引起地面塌陷、路面变形的范围和程度，选择合适的加固范围和正确的施工方法。

（2）采用双液注浆、深层搅拌桩、高压喷射注浆帷幕等方法，隔截施工引起地下水位下降的区域与建（构）筑物地基基础影响范围，防止地表水或地下水侧向补给。

（3）加固有可能受岩溶地下水位涨落影响区域的建（构）物地基基础。

3.3 岩溶强发育地段施工措施

（1）加强超前探测，准确探明溶洞裂隙、溶沟溶槽、断层破碎带等岩溶的位置、规模，做好预测预报、超前探水工作，选择正确的施工方法，如土压平衡式掘进方式，尽可能使盾构掘进过程中产生的水土压力保持平衡，防止开挖面稳定和地下水大量渗入。

（2）采用径向注浆或者超前预注浆封堵进行止水、止泥，并对围岩进行预加固后，再掘进施工，同时调整盾构主要施工参数，减少施工对地质环境的扰动。加大管片结构强度、施工进度，以及盾尾同步注浆和管片壁后的二次注浆，加大预留变形量，加强各种监测、预警工作。

（3）在遇到岩溶强发育、地下水丰富存在引发地质灾害风险的地段时，可采用冻结法超前加固围岩，达到止水、止泥的要求。

（4）尽量维持围岩影响带以外的溶洞、溶蚀裂隙、暗河的排水通道，严禁随意封堵。

4 结论

（1）随着施工材料、工艺、工法和设备不断发展，尤其是可掘进硬质岩石的盾构机设备日趋成熟，在覆盖型岩溶区施工地下轨道交通工程渐渐变得可行。但在施工过程中，可能遇到的地下水位下降、突水、突泥、围岩变形失稳和引发地面塌陷、地面变形等城市地质灾害风险，应高度重视，研究其施工方法和防范措施意义重大。

（2）降低地质灾害风险较有效的方法是采用微扰动施工控制法，在超前探测预报施工掌子面前方不良地质体部位及其成灾可能性做出预报的基础上，选择修订穿越不良地质体地段的有效施工方法、辅助加固工法、工艺参数。

（3）盾构法施工地质超前探测预报技术方法、手段多种多样，应根据具体的探测预报任务和现场条件恰当选择。

（4）常见的处理措施包括岩溶发育地段施工措施、富水地带施工措施和建（构）筑物加固施工措施等方面。

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