板巖地區(qū)降水設(shè)計初探
——以大連地鐵星醫(yī)區(qū)間為例

田小甫，賈 雷，王小冬，鄭小燕，賈瑞燕（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100195）

板巖地區(qū)降水設(shè)計初探
——以大連地鐵星醫(yī)區(qū)間為例

田小甫，賈 雷，王小冬，鄭小燕，賈瑞燕
（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100195）

板巖地區(qū)地下水類型多以基巖裂隙水為主，其具有賦存區(qū)域不規(guī)律，補給條件復(fù)雜，徑流、滲透參數(shù)各向異性等特點。在該區(qū)域進行基坑、隧道或其他類地下工程施工時，對于地下水的控制較第四系孔隙水地區(qū)更為復(fù)雜。目前，對于該類型區(qū)域地下水控制技術(shù)的研究開展不多，還沒有形成一套較為成熟的設(shè)計方法，且在該區(qū)域提高降水井成井效率的施工工藝也在摸索之中。為此，本文以大連地鐵星醫(yī)區(qū)間為例，提出以高密度電法、三維地質(zhì)建模技術(shù)、現(xiàn)場抽水實驗相結(jié)合的降水設(shè)計思路，最后采用潛孔錘技術(shù)作為該區(qū)域降水井的主要成井工藝，大大提高了成井效率。以上的嘗試在大連地鐵的降水工程中取得了很好的應(yīng)用效果，為板巖地區(qū)地下水控制工作提供了有益的借鑒。

板巖地區(qū)；降水設(shè)計；三維地質(zhì)建模；高密度電法；地下水控制

0　前言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，地鐵、地下空間開發(fā)類項目如火如荼的開展，在地下水富集地段，需對地下水進行控制以保證工程施工的安全。目前，對第四系孔隙水的地下水控制已經(jīng)形成了一套較完善的設(shè)計和施工體系（降水、堵水和排水）（周志芳等，2014；姜清華等，2006；李再興，2008），但對于基巖地區(qū)地下水控制的研究工作不多，未形成一套成熟的設(shè)計思路，在該區(qū)域進行地下水控制較平原區(qū)更為復(fù)雜，稍有不慎則造成較嚴重的事故，例如大連地鐵在修建過程中，由于對于基巖地區(qū)地下水控制工作認識不夠，且地質(zhì)條件復(fù)雜，先后造成海事大學站、山東路站及春光街站施工現(xiàn)場地面塌陷，造成了巨大的經(jīng)濟損失。為此，在基巖地區(qū)開展地下水控制的研究工作是十分必要的，也具有重大的經(jīng)濟及現(xiàn)實意義。本文選取大連星海廣場—醫(yī)大二院區(qū)間為例，探討了大連地區(qū)板巖地層內(nèi)地下水的控制方法及設(shè)計流程，為基巖地區(qū)地下水控制提供一種新的思路。

1　地下水賦存特點及控制難點

板巖地區(qū)的地下水多為基巖裂隙水，根據(jù)賦存條件又可細分為風化裂隙水及構(gòu)造裂隙水。風化裂隙水主要賦存于風化裂隙中，此類地下水發(fā)育程度與風化裂隙的發(fā)育程度密切相關(guān)，全風化板巖遇水極易崩解，形成泥狀物，地下水在全風化帶內(nèi)滲透系數(shù)低，因此板巖全風化帶內(nèi)地下水不發(fā)育，可以等同于弱透水層；板巖中風化帶巖石較新鮮，風化裂隙不發(fā)育，風化裂隙水在該帶內(nèi)不發(fā)育；強風化帶裂隙發(fā)育規(guī)模較大，巖石又具有一定的強度，可以維持裂隙的張開，是板巖地區(qū)風化裂隙水發(fā)育的主要層位；故板巖地區(qū)風化裂隙水在發(fā)育程度上隨深度先增大后減小，與全風化帶、強風化帶及中風化帶隨深度上分布具有一致性。構(gòu)造裂隙水與地質(zhì)構(gòu)造伴生，一般延伸較長、埋深較深，可切穿不同巖層；在板巖地區(qū)，當板巖層理具有較平緩的產(chǎn)狀時，層間易構(gòu)成地下水遷移通道，板巖層理與垂直方向的基巖構(gòu)造裂隙形成聯(lián)合，又易形成地下水的富集（趙樹林，2008），此外，風化裂隙水往往與下部基巖構(gòu)造裂隙相通，接受大氣降水的入滲補，形成具有統(tǒng)一水位的基巖裂隙水系統(tǒng)。

鑒于板巖地區(qū)地下水賦存有以上特點，在工程實踐中對其進行控制主要有以下難點：①與第四系孔隙水區(qū)相比，板巖地區(qū)地下水的富集區(qū)分布不規(guī)律，在同一場地條件下，不同區(qū)段差異較大，因此，采用降水井控制措施時，其降水井的平面位置布置、降水井間距難以確定；②與松散巖類孔隙水相比，板巖地區(qū)地下水含水層頂?shù)装迤鸱^大，如風化裂隙水受強風化層的埋深控制，而構(gòu)造裂隙水受構(gòu)造切割深度的影響較大，因此，在采用降水井等控制措施時，降水井的成井深度難以確定；③由于富水區(qū)域的平面位置、豎向?qū)游痪兓^大，且含水層滲透系數(shù)各向異性，因此，對于基坑或隧道涌水量的計算，不能采用平原區(qū)基坑涌水量的等效“大井法”；④板巖地區(qū)由于巖石硬度高，破碎難度大，對成井工藝的效率要求較高。

2　降水設(shè)計思路

（1）根據(jù)勘察鉆孔資料，建立場區(qū)三維地質(zhì)模型，將場區(qū)內(nèi)強風化層進行三維上的展示，以其作為風化裂隙水的含水層，了解其平面分布及縱向的頂?shù)装迓裆?，確定風化裂隙水的賦存位置；

（2）采用高密度電法查明控水構(gòu)造的位置及產(chǎn)狀，找出構(gòu)造裂隙水的富集位置及埋藏深度，已有的工程實踐表明，高密度電法是一種相對有效、速度快的物探方法，在基巖地區(qū)地下水勘查中取得了良好的應(yīng)用效果（鮑世才等，2012）；

（3）在地下水富集地段進行現(xiàn)場抽水試驗確定滲透系數(shù)；

（4）根據(jù)基巖地下水的富集程度、含水層位頂?shù)装迓裆顚鰠^(qū)邊界分成若干的進水斷面，對每個進水斷面采用斷面法計算流入場區(qū)水量，將各個斷面的進水量疊加即為整個基坑或隧道的涌水量；

（5）在場區(qū)邊界布置降水井，降水井的布置遵循以下原則：①在構(gòu)造裂隙水富集區(qū)邊界適當加密布置降水井；②在強風化底板低洼處的邊界加密布置降水井；③在結(jié)構(gòu)底板由強風化層進入全風化層交界處加密布置降水井；

（6）根據(jù)每個斷面的降水井數(shù)量及計算得到的斷面進水量，確定每個降水井采用的泵量；

（7）根據(jù)構(gòu)造富水區(qū)埋藏范圍、強風化層底板及結(jié)構(gòu)底板深度確定降水井的深度，遵循以下原則：①對于構(gòu)造裂隙水不發(fā)育地段，降水井進入中風化基巖2m；②若基巖構(gòu)造裂隙水發(fā)育，且在結(jié)構(gòu)底板以上時，降水井井深應(yīng)以穿過構(gòu)造裂隙2m并進入中風化基巖控制；③當構(gòu)造裂隙范圍超過結(jié)構(gòu)底標高則井深應(yīng)以進入結(jié)構(gòu)底板以下2m控制。

小型農(nóng)田水利工程的管理不到位也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞的主要原因之一，施工期間加大現(xiàn)場環(huán)境的管理力度，使施工各單位嚴格按規(guī)章制度施工，對環(huán)境產(chǎn)生影響的各環(huán)節(jié)要嚴格檢查，施工標準必須符合國家標準，例如在污水處理過程中，相關(guān)管理監(jiān)督部門要嚴格監(jiān)督廢水處理達標才能進行排放，確保在建設(shè)過程中給生態(tài)壞境的傷害降到最低。在小型水利工程投入使用后，管理部門要定期對庫區(qū)水質(zhì)進行檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，對水底淤泥進行合理清理，保證生態(tài)環(huán)境的平衡。

板巖地區(qū)降水設(shè)計流程如圖1所示。

圖1　降水設(shè)計流程圖Fig.1 The dewatering design flow chart in slate area

3　工程實例

3.1工程概況

擬建大連地鐵1號線工程星海廣場站至醫(yī)大二院站區(qū)間位于中山路沿線主干道之上；區(qū)間起始里程為DK14+718.733～DK15+689.087，長約970.4m，設(shè)計范圍為DK14+718.733～DK15+150；設(shè)計結(jié)構(gòu)底板高程-8.0～-0.24m，擬采用暗挖法施工。隧道正線北側(cè)建筑主要包括醫(yī)大二院辦公樓、中科院化物所辦公樓、宿舍樓，南側(cè)為軍區(qū)大院，建筑以磚混結(jié)構(gòu)的低層建筑為主，擬建區(qū)間周邊環(huán)境示意圖見圖2。

圖2　擬建區(qū)間周邊環(huán)境示意圖Fig.2 A sketch map of the surrounding environment of the proposed range

3.2場區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

場區(qū)地層分為第四系及基巖地層。第四系主要包括全新統(tǒng)人工堆積層，上更新統(tǒng)的沖洪積卵石層、坡洪積碎石層、含碎石粉質(zhì)粘土、含角礫粉質(zhì)粘土層，底板高程0.80～24.80m。基巖地層主要包括震旦系長嶺子組（Zwhc）板巖、青白口系細河群橋頭組（Qnq）石英巖板巖互層（石英巖、板巖、石英巖夾板巖），位于第四系之下。

本場地地下水按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存在卵石層中，基巖裂隙水主要賦存于強風化及中風化板巖中，水位高程7.2～12m，由西北向東南徑流。

3.3建立隧道與地質(zhì)體三維模型

建模采用Creatar三維建模及展示系統(tǒng)。將勘察鉆孔資料導(dǎo)入建模系統(tǒng)建立星醫(yī)區(qū)間地質(zhì)體模型，如圖3所示，并將隧道模型導(dǎo)入該三維建模系統(tǒng)中，觀察隧道結(jié)構(gòu)與孔隙水含水層及基巖地層的位置關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，基巖面由SW至NE方向逐漸變低，隧道在SW方向主要位于中風化板巖巖層中，中風化板巖較完整，風化裂隙水不發(fā)育，在隧道SW方向一段范圍內(nèi)不需要考慮風化裂隙水的影響；隧道在NE方向逐漸進入至強風化板巖地層中，風化裂隙發(fā)育，與上部卵石層水力聯(lián)系密切，因此，該段地下水控制需要考慮風化裂隙水的影響，布井時降水井深度穿透強風化層進入中風化層2m。

圖3　地質(zhì)體模型Fig.3 Geologic body model

圖4　隧道與含水層聯(lián)合展示模型Fig.4 The combined display model of the tunnel and the aquifer

3.4高密度電法確定構(gòu)造裂隙水發(fā)育位置

板巖地區(qū)基巖裂隙水不僅存在于風化裂隙之中，還存在于構(gòu)造裂隙之中，因此，除了利用三維地質(zhì)模型確定風化層與隧道的相對關(guān)系外，還需要利用高密度電法確定構(gòu)造裂隙水的發(fā)育位置。通過對本區(qū)地層構(gòu)造和已知的測量與高密度電法測量視電阻率比對，建立本區(qū)地層構(gòu)造的電阻率“標定值”，依據(jù)“標定值”對視電阻率剖面進行裂隙劃分，將多個剖面劃分的初步結(jié)果與地質(zhì)及勘察鉆孔資料綜合比對，確定構(gòu)造裂隙走向和劃定，最終將高密度電法測試解譯結(jié)果與隧道左右線地質(zhì)剖面圖疊加形成隧道左右線富水裂隙分布圖，見圖5、圖6。

圖5　隧道左線富水裂隙分布圖Fig.5 Distribution of water-rich fracture in left line of tunnel

圖6　隧道右線富水裂隙分布圖Fig.6 Distribution of water-rich fracture in right line of tunnel

3.5降水段劃分及涌水量計算

由于風化裂隙、構(gòu)造裂隙分布的深度、范圍不同，因此，采用斷面法計算區(qū)間隧道涌水量。首先，根據(jù)風化裂隙、構(gòu)造裂隙分布的深度、范圍將隧道左線分為4個降水計算段，將隧道右線分為5個降水計算段，見圖5、圖6，每段采用斷面法計算隧道涌水量，計算公式如式1所示，將孔隙水與基巖裂隙水分開計算，滲透系數(shù)根據(jù)分段抽水試驗結(jié)果確定，計算結(jié)果見表1。

式中：Q為基坑涌水量（m3/d），K為含水體的滲透系數(shù)（m/d），H為潛水含水層厚度（m），h為降水后剩余含水層厚度（m），R為降水影響半徑（m），L為基坑長度（m）。

3.6降水井平面布置及豎向布置

降水井間距6～12m，在構(gòu)造裂隙水富集區(qū)、強風化底板低洼處加密布置。對于構(gòu)造裂隙水不發(fā)育地段，降水井深進入中風化基巖2m；若構(gòu)造裂隙水發(fā)育，降水井井深以穿過賦水裂隙2m并進入中風化基巖控制，當構(gòu)造裂隙水發(fā)育范圍超過結(jié)構(gòu)底標高則井深以進入結(jié)構(gòu)底板以下2m控制。

表1　洼里地區(qū)地下水特征值Tab.1 Groundwater characteristic value in Wali area

3.7降水井施工工藝

大連地區(qū)常規(guī)降水井施工工藝為沖擊鉆和正循環(huán)鉆進，成井效率低，需要更新降水井施工工藝，提高風化層及巖石地層的成井質(zhì)量及效率。因此，結(jié)合地層的情況和地鐵施工的特點，采用了氣動潛孔錘套管鉆進工藝。氣動潛孔錘成井周期短，鉆進效率高，經(jīng)過星醫(yī)區(qū)間試驗，其成井效率可達到其他工藝的3倍以上，并且由于采用氣動吹渣的工藝，成井后無需專門洗井，特別適用于基巖地區(qū)的降水井成井。

3.8降水效果

目前星海廣場站—醫(yī)大二院站區(qū)間降水段結(jié)構(gòu)施工已順利結(jié)束，降水效果得到了中鐵二十局107標項目部和大連地鐵指揮部的認可，僅局部存在殘留水，基本保證了結(jié)構(gòu)的“無水”施工。

4　結(jié)論

在大連星醫(yī)區(qū)間采用三維地質(zhì)建模技術(shù)與高密度電法物探作為設(shè)計輔助手段，根據(jù)風化裂隙水及構(gòu)造裂隙水的富集位置及富集程度進行設(shè)計分區(qū)，采用斷面法分區(qū)計算隧道涌水量，并對傳統(tǒng)的降水井平面布置及縱向布置方法進行了改進，針對板巖地區(qū)基巖裂隙水發(fā)育不均勻的情況，采用了局部密集布置及加深控制的布井方式，最后采用潛孔錘施工工藝進行了降水井施工，成功完成了地下水控制，保證了隧道施工的安全。通過以上工程實例，證明了在板巖地區(qū)采用高密度電法、三維地質(zhì)建模技術(shù)、現(xiàn)場抽水實驗相結(jié)合的降水設(shè)計思路是可行、有效的。

基巖裂隙水的發(fā)育錯綜復(fù)雜，本文僅就板巖地區(qū)地下水的控制進行了初步探討與實踐，在其他類型巖石發(fā)育地區(qū)譬如灰?guī)r地區(qū)，裂隙的發(fā)育及地下水的富集程度將比板巖地區(qū)更為強烈，局部甚至有溶洞存在，此時，地下水由沿裂隙的緩慢滲流轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉俑蟮墓艿懒鳎涞叵滤目刂茖⒏鼮閺?fù)雜，是今后降水工程研究的一個重要方向。

［1］周志芳，郭耿新，鐘建馳，等. 深基坑降水設(shè)計中幾個問題討論［J］. 勘察科學技術(shù)，2004，22（4）：16～21.

［2］姜清華，顏克誠，蔡楓，等. 淺談基坑降水發(fā)展及優(yōu)化設(shè)計［J］. 中國水運，2006，4（12）：99～101.

［3］李再興. 有關(guān)基坑降水方法的探討［J］. 地下水，2008，30（2）：72～75.

［4］趙樹林. 淺析巖質(zhì)基坑中的基巖裂隙水［J］. 西部探礦工程，2008，（5）：4～6.

［5］鮑世才，馬彪. 物探方法在基巖地下水勘查中的應(yīng)用［J］. 地下水，2012，34（6）：121～122.

Preliminary Study on Dewatering Design in Slate Area—A Case of Xing-Yi Interval Subway in Dalian

TIAN Xiaofu， JIA Lei， WANG Xiaodong， ZHENG Xiaoyan， JIA Ruiyan
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Bedrock fissure water is the main type of groundwater in slate area， which has the characteristics of irregular distribution， complex recharge conditions， as well as the anisotropy of runoff and permeability parameters. When foundation pit engineering， tunnel or other underground engineering are carried out in this area， the control of groundwater will be more complex than that in the area of Quaternary pore water. At present， there is little research on the groundwater control technology in the slate area， and it has yet not formed a set of sound design method. Therefore， Xing-Yi interval subway in Dalian is taken as an example in this paper. Furthermore， the dewatering design method combined with high density resistivity method， 3D geological modeling technique and field pumping experiment is put forward. At last， by using the technology of the potential hole hammer as the main construction technology of precipitation well， it can greatly improve the drilling efficiency. This work， with good application effect in Dalian subway dewatering project， can provide a useful reference for groundwater control in slate area.

Slate area； Dewatering design； 3D geological modeling； High density resistivity method； Groundwater control

TU463

A

1007-1903（2016）01-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.016

田小甫（1982- ），男，博士，高級工程師，主要從事地下水環(huán)評及基坑降水設(shè)計。E-mail：tianxiaofu2002@126.com。