随着城市建设发展需求，城市地下空间开发日趋重要，地铁隧道作为城市交通基础设施的重要组成部分，具有极高的重要性。广州是一个岩溶发育广泛的地区，特别是在广州向花都方向发展过程中面临的岩溶地质问题。岩溶地质环境问题不仅是工程建设初期面临的隧道围岩变形失稳、涌水、突泥等地质问题，也包括地铁隧道运行期间周边工程活动导致的隧道周边地下水下降导致的结构变形问题以及地面不均匀沉降、隧道周边岩溶塌陷引发的公共安全问题[1-3]。这些问题不仅严重影响施工安全和工程质量，还会增加地铁运营成本和维修难度。因此，针对上述问题开展岩溶地下水气压力监测技术在地铁隧道中的应用研究，对于保障地铁隧道工程的安全和质量具有重要意义。本文在广州花都地区应用岩溶地下水气动力条件监测技术，探索岩溶区地铁隧道全周期中的岩溶地质环境安全监测预警问题。1岩溶地下水气压力监测技术概述岩溶地下水气压力监测技术最早由中国地质科学院岩溶地质研究所提出，利用岩溶塌陷物理模型进行试验，试验揭露了岩溶塌陷的重要触发因素，岩溶地下水气压力的变幅和变频达到一定值，即临界破坏值，第四系土层中土洞逐渐形成并随着岩溶地下水气压力的不断波动，导致土颗粒进入基岩管道裂隙中，土洞在不断扩展直至地表形成岩溶塌陷[4]。岩溶地下水气压力检监测原理如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.015.F001图1岩溶地下水气压力监测原理2研究区地质背景条件研究区位于广州花都凤凰南路地铁站北，花都湖国家湿地公园与汇沣水产市场商住楼之间，属于广州东至花都天贵城际工程凤马盾构井区域，设计起点里程YDK95+877.408（ZDK95+879.043），终点里程YDK95+937.408（ZDK95+939.043）。2.1工程地质条件研究区地势较为平坦，属于广花冲洪积平原地貌，高程在4.38~16.49 m。2.1.1地层岩性研究区地层主要为第四系土层、二叠系栖霞组（P2q）粉砂岩及石炭系壶天组（C2ht）、曲江组（C1q）、测水组（C1c）灰岩组成。第四系土层由人工填土（Q4ml）、河湖相沉积淤泥质土层（Q4al）、洪积~冲积砂层组成。第四系土层呈可塑状~硬塑，局部含淤泥层为流塑状。凤马盾构井周边基岩主要为石炭系壶天组（C2ht）和曲江组（C1q）微风化灰岩，中厚层至厚层状构造，节理裂隙发育，裂隙面可见方解石发育，岩芯岩石质量指数（RQD）为65%~95%，发育岩溶。天然状态岩石抗压强度范围为35.07~108.00 MPa，标准值为71.10 MPa，饱和状态岩石抗压强度范围值为24.80~100.80 MPa，标准值为61.24 MPa2.1.2地质构造研究区位于广花复式向斜，断裂以北东向为主，大部分断裂被第四系覆盖。根据区域地质资料及本次初勘钻探揭露情况，线路自南向北先后相交的断层总共有2条，分别为F5（推测隐伏断裂）、F4（白坭塘断裂）。研究区主要断层如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.015.F002图2研究区主要断层白坭塘断裂（F105）走向10°~35°，倾向南东，为一逆断层，其特征为壶天群灰岩覆盖在二叠系栖霞组砂岩之上。2.1.3水文地质（1）地下水类型。勘察范围内的地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水、构造裂隙水。第四系松散层孔隙水主要赋存于冲洪积的砂层。基岩裂隙水主要赋存于强风化、中风化的风化裂隙，含水层无明确界限，埋深和厚度很不稳定。基岩上覆地层主要为残积土，部分地段为第四系砂层、碎石土，其中残积土为相对隔水层，场地部分地段基岩风化裂隙水与第四系孔隙水存在较强的水力联系。岩溶水主要赋存于石炭系灰岩，以裂隙岩溶水、溶洞水为主，由大气降水通过岩溶溶道、基岩裂隙补给。本次勘察揭露了断裂破碎带，岩芯呈灰黑色，受构造及风化影响严重，碎裂结构，裂隙发育，岩芯破碎，呈碎块状、扁平状，局部短柱状，采取率低。总体上，构造裂隙水沿着构造通道补给，上覆第四系黏性土，为承压水。（2）地下水位。本场地属于冲洪积平原地貌，地下水水位埋藏浅。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年5—10月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降，水位年变化幅度为1.5~2.0 m。（3）地下水的补给、径流与排泄。本场地第四系松散层孔隙水的主要补给来源为大气降水和地表水补给，地下水位受季节的影响明显，岩溶裂隙水发育于中等风化~微风化带中，主要接受越层孔隙裂隙水补给。地下水的排泄主要表现为大气蒸发、干旱季节向河流补给、人工开采为主，地下水位受季节的影响明显。砂层发育且分布较浅，地表水与地下水存在水力联系。2.2岩溶发育程度研究区勘察揭露可溶岩（灰岩）的钻孔565个，256个钻孔揭露到溶洞或溶隙，见洞率为45.31%。其中27个钻孔揭露土洞27个，229个钻孔揭露溶洞422个。栖霞组地层中，6个钻孔揭露8个溶洞，岩溶弱发育；壶天群地层中，243个钻孔揭露27个土洞以及378个溶洞，岩溶强发育；曲江组地层中，11个钻孔揭露35个溶洞，岩溶强发育；测水组地层中，1个钻孔揭露1个溶洞，岩溶弱发育。凤马盾构井（YDK95+877.408~YDK95+937.408）揭露可溶岩（灰岩）的钻孔24个，共14个钻孔揭露到溶洞或溶隙，见洞率为58.33%，钻孔穿过可溶岩总进尺为542.00 m，溶洞累计垂高45.70 m，浅岩溶率为7.78%。溶洞高度范围为0.20~32.20 m，平均洞高3.22 m。揭露溶洞主要为全充填状态，部分为半充填或无充填。3监测点的构建3.1监测工作原理监测工作原理如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.015.F003图3监测工作原理周边工程活动如基坑施工、桩基施工导致岩溶管道裂隙中的岩溶水气压力急剧波动，诱发地铁隧道周边岩溶地面塌陷或地铁隧道地下水波动导致沉降超出安全值，引发地铁隧道沉降或结构变形等问题。通过在地铁隧道岩溶发育区地保范围外侧布设岩溶水气压力监测装置，监测周边工程活动触发的岩溶水气压力变化，如果超出预警值启动相应的分级响应机制，实现岩溶发育的地铁安全运营管理。3.2监测点的布设3.2.1监测点位置岩溶地下水气压力监测原理核心在于合理布设监测点，能够灵敏地捕获工程活动扰动导致的岩溶地下水气压力变化。监测点不仅要通过前期的工程地质条件和岩溶发育程度进行综合分析，判断岩溶发育平面及垂向情况及岩溶水文地质条件，还需要结合场地的工程规划合理布局，达到长期利用的目的。岩溶地下水系统会受到岩溶空间发育的不均匀性影响明显，为了保证监测的有效性，一般在岩溶水主径流带及工程活动影响范围对地下水流垂直向上和水平向上的方向，分别布设1~2条观测线[4]。本次监测点主要布设在凤马盾构井西侧，沿着F5（隐形推测断裂）间隔30 m布设3组监测孔，在盾构井与汇沣水产市场商住楼布设1组。3.2.2监测深度监测孔深度宜穿过岩溶管道裂隙发育层，监测层位为岩溶溶洞及裂隙强发育层，周边主要为工程施工导致岩溶地下水扰动，监测孔深度超越施工层一定深度。本次监测孔深度为26~32 m，主要监测岩溶层位壶天组（C2ht）和曲江组（C1q）灰岩区。3.2.3间距岩溶塌陷地下水气压力监测技术只能分析监测孔所处岩溶管道裂隙影响范围的土体变形破坏，岩溶塌陷监测孔的监测范围有限。根据统计资料，金沙洲高铁隧道施工引发的塌陷主要分布在排水点附近200 m范围，最远距离为500 m[5]。因此，结合城建规划在岩溶地下管道裂隙带上监测距离在200 m范围内。3.3监测点的建设监测孔参照水文孔要求进行施工并要求钻孔垂直，钻孔直径内径大于Φ75 mm，便于安装护管及钻孔雷达等物探工作，护管采用滤水管保证孔内与基岩的连通性。渗压传感器的安装严格按照说明书执行，此外还需要在监测孔孔口进行密封，采用泡沫剂封堵，用于捕捉岩溶水气压力的细微变化过程。3.4监测频率根据《城市地下水动态观测规程》（CJJ 76—2012）[5]，监测频次为6 次/d。广州金沙洲塌陷采用1 h间隔采集，捕获两次岩溶塌陷发生。岩溶所在广西来宾吉利、湖南宁乡大成桥监测数据统计分析表明当采集间隔大于20 min时，难以获取完整的地下水气压力峰值，大于1 h间隔，部分异常变化难以获取，提出了5~20 min采集间隔。本项目初设岩溶地下水气压力监测间隔为20 min，可根据现场工程活动情况，远程控制采样间隔为5 min。4监测预警响应机制的建立4.1岩溶区地铁隧道安全运营响应机制基于岩溶水气压力监测技术的岩溶发育区地铁隧道安全运营管理响应机制流程如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.015.F004图4地铁安全运营响应流程平台采用基康公司开发的G云平台。G云平台具有数据汇集、视频监测、数据展示、数据预警、远程控制、数据共享、自定义参数、定制复杂报表等功能，已成功运用于水电站安全监测、尾矿库安全监测、城市防汛监测、地灾监测等多解决方案[6]。本项目通过室内外试验及分析确定的监测预警阈值，建立地铁安全运营响应机制。当监测数据超出设定的预警值，根据流程和数据的综合对比，开展数据异常点的现场踏勘核查；根据现场核查周边人类工程活动是否有异常，有异常情况应启动应急预案，找到隐患进行排除，消除隐患，记录备案，监测正常工作；如果现场排除人类工程活动异常，二次复核综合监测数据，修正干扰，恢复正常监测工作。4.2岩溶地下水气压力监测预警针对广州凤凰南路盾构井开展岩溶地下水气压力监测预警，于2022年10月1日完成JC01、JC02、JC03、JC04共4个点的建设，JC01~JC03采用20 min监测间隔，JC04采用5 min监测间隔。通过室内渗透变形试验及地铁隧道沉降安全建议值2 m，综合考虑该点为岩溶水位变幅1.24 m/d为安全监测预警值。岩水位瞬时变动频率，结合各典型区[7-9]塌陷发生时实例统计的岩溶地下水气压力瞬时变化速率不同，最大20 cm/min，最小7 cm/min，采用最小值为安全监测预警值。为了更好地进行数据分析，本文采用Grapher软件进行分析。Grapher是一个功能齐全的科学绘图包，适合地质、水文、环境、建筑等多个行业，利用Grapher分析图表、工具和统计功能，可以识别趋势、发现新见解。盾构井周边监测点的岩溶地下水与降雨对比如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.01.015.F005图5盾构井周边监测点岩溶地下水与降雨对比2022年10月1日——2023年6月23日监测数据分析，JC01、JC02、JC03岩溶地下水位高程变化基本一致，与降雨量呈正相关，波动幅度在1.16~1.25 m范围内，瞬间岩溶地下水气压力变化速率分别在-0.66~0.65、-1.01~0.79、-0.17~0.77 cm/min范围内，季节变幅1.16~1.25 m，属于受降雨影响的自然波动范围，均在安全范围。JC04岩溶地下水气压力监测点波动范围1.92 m，瞬时岩溶地下水气压力变化范围-3.55~3.38 cm/min，远高于岩溶地下水自然波动范围，与其他监测点存在明显差异。JC04岩溶地下水气压力值在2023年2月16日的波动幅度超过1.24 m/d，达到1.92 m。启动地铁安全运营响应流程，开展现场核查。核查表明当日为地连墙施工导致岩溶地下水气压力剧烈波动，监测点周边未发现岩溶地面塌陷地质灾害迹象，记录备案，恢复正常监测，加强该点的监测和现场管理。5结语本文通过研究岩溶发育区地铁隧道施工运营遇到的岩溶地质环境问题，结合岩溶水文地质条件，基于岩溶地下水气压力监测技术，实现广州地铁凤马盾构井周边岩溶地质环境敏感触发因子岩溶地下水的实时高精度监测，提出了岩溶发育区地铁隧道安全运营管理监测预警响应机制。监测数据表明，监测点能够实时对凤马盾构井施工导致的岩溶地下水气压力异常进行高精度监测，实现岩溶发育区地铁隧道安全运营管理监测预警响应。岩溶发育区地质条件复杂，增加监测点，优化布局，提高监测频率和覆盖面积，有利于岩溶发育地铁隧道周边岩溶水气压力异常值捕获能力。在实践中，应结合其他监测技术手段进行综合监测，提高地铁隧道监测数据的综合分析准确性和灵敏度，优化监测预警响应机制。