北京地鐵下穿運(yùn)河區(qū)間地下水流速流向測(cè)試*

張 昊 敖 松 劉俊洋

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤礦山工程有限公司,100013,北京;3.中鐵六局集團(tuán)有限公司,100036,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

北京地鐵下穿運(yùn)河區(qū)間地下水流速流向測(cè)試*

張 昊1敖 松2劉俊洋3

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤礦山工程有限公司,100013,北京;3.中鐵六局集團(tuán)有限公司,100036,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

地下水流速和流向會(huì)影響凍結(jié)工程施工效果。以北京地鐵6號(hào)線下穿運(yùn)河區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為背景,針對(duì)地層滲透性強(qiáng)、地層擾動(dòng)大、河水補(bǔ)給充足，以及周邊基坑降水平行施工等復(fù)雜條件,采用鉆孔勘察和AquaVISION測(cè)試儀測(cè)試的方法,開(kāi)展了地下水流速流向現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,得到了聯(lián)絡(luò)通道處地層地下水流特征數(shù)據(jù)：流速為11.00～14.00 m/d,流向?yàn)楸逼罇|46°。給出了該聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工時(shí)的注意事項(xiàng)。

地鐵區(qū)間; 凍結(jié)法施工; 地下水流速流向；測(cè)試

First-author′s address Beijing Urban Rail Transit Construction Management Co.,Ltd.,100068,Beijing,China

人工地層凍結(jié)施工技術(shù)以其對(duì)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件較強(qiáng)的適應(yīng)性在地下工程中備受重視,尤其是針對(duì)城市地下工程中的松軟含水層,具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[1]。一般情況下,地下水的自然流速在5 m/d以下,對(duì)凍結(jié)效果影響甚微,所以在進(jìn)行凍結(jié)時(shí)通常不予考慮[2]。但在實(shí)際工程中,由于河水補(bǔ)給和人為抽水等原因。使得地下水水力梯度增大,地下水流速加快。動(dòng)水將加速冷量的耗散并會(huì)沖刷凍結(jié)壁,導(dǎo)致凍結(jié)壁長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)厚度或凍結(jié)壁長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法交圈,影響工程安全[3]。

1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線下穿北運(yùn)河區(qū)間線路西起玉帶河?xùn)|街北濱河北路西側(cè)的玉帶河大街站,線路出站后自西向東下穿濱河中路、北運(yùn)河、北運(yùn)河熱力隧道以及京哈鐵路到達(dá)楊坨村中的會(huì)展中心站,在通過(guò)會(huì)展中心站(會(huì)展中心站主體基坑后期再建)后,繼續(xù)下穿楊坨村民房區(qū)、東六環(huán)路，到達(dá)東六環(huán)路東側(cè)運(yùn)河?xùn)|大街北側(cè)的郝家府站。線路全長(zhǎng)2 209.12 m,埋深8.74～19.40 m。區(qū)間共設(shè)2座聯(lián)絡(luò)通道,其中2#聯(lián)絡(luò)通道兼做集水泵房。該處隧道中心線間距為15 m,擬采用“隧道內(nèi)水平凍結(jié)法加固土體,礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方法。

2#聯(lián)絡(luò)通道所處場(chǎng)地主要坐落在溫榆河沖積扇下部,地形基本平坦。聯(lián)絡(luò)通道所處位置距京哈鐵路約280 m,距正在施工的會(huì)展中心站約540 m,距北運(yùn)河約335 m。值得一提的是,車站基坑降水將與2#聯(lián)絡(luò)通道同時(shí)施工。聯(lián)絡(luò)通道與周邊環(huán)境位置關(guān)系如圖1所示[4]。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1工程地質(zhì)條件

2#聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)中心標(biāo)高為-4.98 m,地面標(biāo)高為+20.45 m,所處地層以砂層為主,滲透系數(shù)較大。聯(lián)絡(luò)通道所處地層情況如表1所示。

圖1 2#聯(lián)絡(luò)通道平面位置

2.2 水文地質(zhì)條件

北運(yùn)河與該區(qū)間線路斜交,河寬約400 m,河底高程15.43 m,河水面平均標(biāo)高為17.06 m,河底未

襯砌且含一定厚度流塑～軟塑狀態(tài)淤泥質(zhì)土。地層主要賦存上層滯水(一)及潛水(二)兩層地下水。其中，潛水(二)層水位標(biāo)高為12.60～14.13 m,水位埋深為5.80～11.40 m。該含水層為中等透水層,連續(xù)分布,局部因黏土、粉質(zhì)黏土等透鏡體存在而具有一定承壓性,主要接受降水入滲及北運(yùn)河河水側(cè)向徑流補(bǔ)給,側(cè)向徑流及人工開(kāi)采方式排泄。

北運(yùn)河與地下水之間存在水力聯(lián)系,河水對(duì)潛水(二)層具有一定的補(bǔ)給作用。北運(yùn)河河底下部的細(xì)粉砂②3層及聯(lián)絡(luò)通道所處的中粗砂⑤1層、細(xì)中砂⑦層均屬于潛水(二)含水層。

表1 2#聯(lián)絡(luò)通道所處地層情況

3 地下水流速流向測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

測(cè)試包含鉆孔勘察和AquaVISION地下水流速流向測(cè)定儀測(cè)試兩部分。鉆孔勘察的目的是查明區(qū)間的地下水類型、水位及埋深。AquaVISION地下水流速流向測(cè)定儀測(cè)試的目的是測(cè)定2#聯(lián)絡(luò)通道位置附近地下水的流速和流向。

(1) 鉆孔勘察。采用DPP-100型汽車鉆機(jī)套管護(hù)壁鉆設(shè)3個(gè)孔,呈三角形分布,鉆孔深度為35 m；鉆孔施工完成后,現(xiàn)場(chǎng)制作水文觀測(cè)孔,井管采用PVC(聚氯乙烯)管,在指定深度范圍內(nèi)設(shè)置花管,在井管與孔壁之間回填2～4 mm豆石濾料；最后沖洗水文觀測(cè)孔,使地下水滲流渠道通暢。根據(jù)水文觀測(cè)孔測(cè)得的穩(wěn)定水位埋深和穩(wěn)定水位標(biāo)高繪制場(chǎng)地的地下水等水位線圖。

(2)AquaVISION地下水流速流向測(cè)定儀測(cè)試。該測(cè)定儀采用專有的視頻管道顯微照相技術(shù)和軟件技術(shù),實(shí)時(shí)測(cè)量地下水的流速、流向及粒子大小。它融合了高分辨率磁通量閥門羅盤和高放大率膠質(zhì)顆粒追蹤攝像機(jī),不僅能拍攝到懸浮在鉆孔攝像機(jī)鏡頭內(nèi)膠質(zhì)顆粒的高放大率圖片,而且可提供精確的磁航向信息。攝像頭拍攝到的圖像通過(guò)AquaLITE軟件以數(shù)字化的形式表現(xiàn)出來(lái)并進(jìn)行分析,通過(guò)點(diǎn)線關(guān)系,該軟件可以確定每個(gè)膠質(zhì)粒子的流速及相應(yīng)的流向,軟件的羅盤則會(huì)確定捕獲的圖像所示的磁向,從而確定實(shí)際的膠質(zhì)粒子的運(yùn)行軌跡,而粒子的流速可由軟件自動(dòng)運(yùn)算得出。

3.2 鉆孔勘察結(jié)果

區(qū)間3個(gè)水文觀測(cè)孔測(cè)得的地下水水位及埋深情況如表2所示,地下水類型為潛水。根據(jù)3個(gè)水文觀測(cè)孔的穩(wěn)定水位埋深和穩(wěn)定水位標(biāo)高,繪制出地下水等水位線圖,如圖2所示。由圖2[4]可得區(qū)間地下水流向?yàn)楸逼珫|46°。

表2 地下水水位埋深及標(biāo)高

圖2 地下水等水位線圖

3.3 AquaVISION地下水流速流向測(cè)定結(jié)果

采用Colloidal Borescope型AquaVISION地下水流速流向測(cè)定儀在2#聯(lián)絡(luò)通道場(chǎng)地內(nèi)的1#、2#、3#、4#水文觀測(cè)孔內(nèi)測(cè)定地下水流速及流向。其中,1#和2#水文觀測(cè)孔分別在21 m和27 m處布設(shè)測(cè)試點(diǎn),3#和4#水文觀測(cè)孔在15 m處布設(shè)測(cè)試點(diǎn)。

2#水文觀測(cè)孔在21 m處的地下水流速流向測(cè)試結(jié)果如圖3所示。圖中方位角是以正北為0°,順時(shí)針?lè)较虻膴A角。

圖3 2#水文觀測(cè)孔在21 m處的測(cè)試結(jié)果

AquaVISION地下水流速流向測(cè)定儀測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。部分水文觀測(cè)孔受孔內(nèi)局部地層條件、花管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)、濾網(wǎng)及已建地鐵隧道等因素影響,測(cè)試所得的地下水流向圖較為離散,參考價(jià)值不高,但地下水流速圖較為穩(wěn)定連續(xù),客觀地反映了孔內(nèi)不同深度處的地下水流速情況。

表3 地下水流速流向測(cè)試結(jié)果匯總

4 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)鉆孔勘察所測(cè)得的地下水等水位線圖,并參考AquaVISION測(cè)試儀測(cè)得的地下水流向,聯(lián)絡(luò)通道所處地層地下水流向按北偏東46°考慮。

AquaVISION測(cè)試儀測(cè)得區(qū)間水文觀測(cè)孔測(cè)試點(diǎn)處地下水流速在6.96～18.20 m/d范圍內(nèi),而地下水流速沿水力梯度方向(北偏東46°)逐漸減小,考慮到場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水主要為潛水,地層主要為砂層,因此,場(chǎng)地內(nèi)同一點(diǎn)不同深度位置水力梯度基本相同。根據(jù)測(cè)試點(diǎn)與2#聯(lián)絡(luò)通道的位置關(guān)系,2#聯(lián)絡(luò)通道位置地層的地下水流速在11.00～14.00 m/d范圍內(nèi)。

(1) 由地下水等水位線圖可以看出,地下水流方向大致為由北運(yùn)河途徑2#聯(lián)絡(luò)通道向正在進(jìn)行基坑降水施工的會(huì)展中心車站方向。根據(jù)DG/TJ 08-902—2006《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，凍結(jié)壁形成期間,凍結(jié)區(qū)域200 m范圍內(nèi)的透水砂層中不宜采取降水措施[5]。但根據(jù)地下水流向測(cè)試結(jié)果,同時(shí)考慮地層滲透性較強(qiáng),距離聯(lián)絡(luò)通道540 m處的基坑降水施工對(duì)聯(lián)絡(luò)通道處地層的地下水活動(dòng)產(chǎn)生了一定的影響。

(2) 由AquaVISION測(cè)試儀測(cè)得的地下水流速可知,聯(lián)絡(luò)通道位置地層的地下水流速達(dá)11.00 m/d以上。據(jù)DG/TJ 08-902—2006《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定,當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道周邊地層地下水活動(dòng)頻繁、有集中水流、地下水水位有明顯波動(dòng)(≥2 m/d)或地下水流速大于5 m/d時(shí),應(yīng)進(jìn)行深入分析并采取針對(duì)性措施[6]?？梢?jiàn),該聯(lián)絡(luò)通道處地層地下水流速過(guò)大,在凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)引起高度重視。

(3) 結(jié)合地質(zhì)勘查資料,2#聯(lián)絡(luò)通道與北運(yùn)河距離為335 m,與京哈鐵路距離為280 m,聯(lián)絡(luò)通道所處地層屬于受北運(yùn)河水流補(bǔ)給的潛水(二)層,因此,在凍結(jié)施工時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注由水分遷移作用引起的凍脹對(duì)周圍環(huán)境(尤其是京哈鐵路)的影響。

5 建議

在滲透性較強(qiáng)的地層中進(jìn)行凍結(jié)施工,應(yīng)充分了解工程與周邊環(huán)境的聯(lián)系,并采取相應(yīng)的措施排查影響凍結(jié)施工安全質(zhì)量的各種因素。通過(guò)對(duì)該區(qū)間地下水流速流向的測(cè)試,建議在進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工時(shí)注意以下幾點(diǎn)。

(1) 盡量降低基坑降水施工對(duì)凍結(jié)的影響,如有條件,將基坑降水施工與凍結(jié)施工錯(cuò)開(kāi),聯(lián)絡(luò)通道施工宜在降水施工結(jié)束之后進(jìn)行,且凍結(jié)壁形成期間不應(yīng)進(jìn)行降水施工。

(2) 應(yīng)采取針對(duì)性的措施應(yīng)對(duì)地層地下水流速過(guò)大的問(wèn)題,可采取注漿等措施降低地層滲透性,同時(shí)采取多排凍結(jié)孔凍結(jié)的方式強(qiáng)化凍結(jié)，以保證凍結(jié)效果。

(3) 進(jìn)一步分析凍脹效應(yīng)對(duì)京哈鐵路等周邊環(huán)境的影響,并采取措施(如切斷水源、減小地層滲透系數(shù)等)減小水分遷移作用引起的分凝凍脹。

[1] 李方政.人工地層凍結(jié)的環(huán)境效應(yīng)及工程對(duì)策研究[J].公路交通科技,2004,21(3):67.

[2] 楊平,皮愛(ài)如.高流速地下水流地層凍結(jié)壁形成的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001(2):167.

[3] 周曉敏,王夢(mèng)恕,張緒忠.滲流作用下地層凍結(jié)壁形成的模型試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2005(2):196.

[4] 李方政,羅富榮,韓玉福,等.復(fù)雜條件下地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁不交圈原因分析及對(duì)策[J].工業(yè)建筑,2015(11):187.

[5] 上海市建設(shè)和交通委員會(huì).旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程:DG/TJ 08-902—2006[S].上海：上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，2006：7-8.

[6] 李銳志.高承壓、大流速地下水對(duì)立井凍結(jié)的影響及處理[J].建井技術(shù),2015(3):27

Test of Groundwater Velocity and Flow Direction in River-crossing Section of Beijing Metro

ZHANG Hao, AO Song, LIU Junyang

Metro freezing construction could be affected by ground water velocity and flow direction.Based on the freezing construction of 2# connecting passage in river-bed crossing section of Beijing metro Line 6,by using borehole investigation and AquaVISION testing device,the groundwater velocity and flow direction test is conducted in complex conditions, including the highly disturbed stratum with strong permeability,sufficient river water recharge and nearby parallel pumping construction of foundation pit. Test result shows that the velocity of the stratum varies from 11 to 14 m/d,and the flow direction is 46 degrees north by east. On this basis, suggestions are put forward for the related design and construction.

metro section; freezing method; groundwater velocity and flow direction; test

*北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z151100002815023)

TU 472.9； P641.74

10.16037/j.1007-869x.2016.07.006

2015-10-12)