軌道交通工程中承壓水影響的探討

劉建章，李連營

(天津市勘察院，天津 300191)

軌道交通工程中承壓水影響的探討

劉建章，李連營

(天津市勘察院，天津 300191)

城市軌道交通工程具有基坑深度大、基坑面積大、對周圍環(huán)境影響大的特點。天津市區(qū)地下水位普遍較淺，承壓含水層分布較普遍，對軌道基坑勘察、支護及降水設(shè)計、施工及監(jiān)測等提出更高要求。針對軌道基坑中涉及到承壓水時對巖土工程勘察、支護及降水設(shè)計、監(jiān)測中存在的一些難點進行分析，并提出措施建議，為軌道基坑的監(jiān)管提供參考。

軌道交通工程；承壓水；抽水試驗；防滲漏

城市軌道交通工程具有規(guī)模大、投資大、社會關(guān)注程度高、建設(shè)周期長等特點。由于軌道交通工程多為地下工程，具有基坑深度大、基坑面積大、對周圍環(huán)境影響也很大的特點，隨著天津市城市軌道交通工程的迅速建設(shè)，特別是換乘站越來越多導致基坑開挖深度也越來越深，涉及承壓水影響的問題更加明顯，對基坑的支護和止水方案要求也較高[1]，特別是由于承壓水具有較高的水壓力，基坑降水涉及到承壓水時，稍有不慎即會發(fā)生工程事故[2]，因此，對軌道基坑巖土工程勘察、支護及降水設(shè)計、監(jiān)測的要求越來越高。勘察對承壓水評價是否準確、基坑設(shè)計、施工及監(jiān)測對承壓水處理的成功與否直接影響工程建設(shè)的效益與成敗，據(jù)統(tǒng)計資料顯示，約70%以上的基坑事故與地下水有關(guān)，所以承壓水的防治是事關(guān)軌道基坑成敗的關(guān)鍵因素[3]。

1 巖土工程勘察要求

《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307-2012)明確要求：在地下水勘察時，查明地下水的類型和賦存條件、含水層的分布規(guī)律，分層量測對工程有影響的各含水層水位，分析地下水對工程的作用[4]。因此，在進行巖土工程勘察時，必須查清楚對工程有影響的承壓含水層層位埋深及分布規(guī)律、水頭標高及相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑降水、防水設(shè)計提供依據(jù)。

1.1 承壓含水層簡介

承壓水是指充滿于兩個隔水層之間的含水層，其水頭高度應(yīng)明顯高于頂板高度。當基坑底板下有承壓含水層存在時，開挖基坑減少了含水層上覆不透水層厚度，當它減少到一定程度，與承壓水的水頭壓力不能平衡時就很有可能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象[5]。

1.2 場地地下水類型及特征

根據(jù)地基土的巖性分層、室內(nèi)滲透試驗結(jié)果，天津市區(qū)軌道基坑涉及到的含水層主要有3層[6]：

1.2.1 潛水含水層

主要指人工填土(Qml)、新進沉積層(Q43Nal)、上組陸相沖積層(Q43al)及海相沉積層(Q42m)粉質(zhì)粘土和粉土，含水介質(zhì)顆粒較細，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。排泄方式主要有蒸發(fā)、人工開采和向下部承壓水、地表水體滲透?？辈炱陂g可測得場地地下潛水初見水位、靜止水位埋深和標高。

沼澤相沉積層(Q41h)粉質(zhì)粘土(⑦)及下組陸相沖積層(Q41al)粉質(zhì)粘土(⑧1)屬不透水～微透水層，可視為潛水含水層與承壓含水層的相對隔水層。

1.2.2 第一承壓含水層

1.2.3 第二承壓含水層

1.3 水文地質(zhì)參數(shù)

水文地質(zhì)參數(shù)是反映含水層或透水層水文地質(zhì)性能的指標。常用的水文地質(zhì)參數(shù)有滲透系數(shù)、承壓水頭、導水系數(shù)、水位傳導系數(shù)、壓力傳導系數(shù)、給水度、釋水系數(shù)、越流系數(shù)等，對于深基坑工程來說最重要的水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、承壓水頭、影響半徑等。

確定水文地質(zhì)參數(shù)的方法一般分為經(jīng)驗數(shù)據(jù)法、經(jīng)驗公式法、室內(nèi)試驗法和現(xiàn)場試驗法四種。在深大基坑設(shè)計中，對含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的求取是一項重要的工作，一般采用帶觀測井的穩(wěn)定流抽水試驗來獲得。

抽水試驗抽水井和觀測井一般布置一條觀測線，其方向應(yīng)垂直地下水流向，對于流量較大的含水層一般進行三次降深的抽水試驗，且最大降深接近設(shè)計動水位，其余兩次分別約為最大下降值的1/3和2/3。抽水試驗均為完整井抽水時，可以在水文地質(zhì)概念模型的概化條件下，建立承壓含水層中地下水向完整井穩(wěn)定運動的數(shù)學模型：

(1)

rw

hw

式中：r為該點與抽水孔井軸的徑向距離；K為承壓含水層的滲透系數(shù)；M為含水層厚度；Qr為過水斷面的流量，Q為抽水流量，且Qr=Q。rw為抽水井的半徑，R為影響半徑。

Dupuit等人曾對上述數(shù)學模型進行過求解，得出了承壓含水層中的完整井流公式：

(2)

(3)

利用這些公式，便可根據(jù)抽水試驗的相關(guān)資料，采用不同的方法來確定承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

通過對天津市大量抽水試驗數(shù)據(jù)的整理、分析，第一承壓含水層滲透系數(shù)一般為1.5～6.0 m/d，平均滲透系數(shù)值在3.2 m/d左右，影響半徑為60～150 m左右；第二承壓含水層滲透系數(shù)一般為2.0～4.5 m/d，平均滲透系數(shù)值在2.9 m/d左右，影響半徑為90～200 m左右。

1.4 承壓水頭觀測

承壓水水頭，是隔水層頂界面到測壓水位面的垂直距離。承壓水有上下兩個穩(wěn)定的隔水層，上面的稱為隔水頂板，下面的稱為隔水底板。頂、底板之間的垂直距離為含水層的厚度。穩(wěn)定水位高出含水層頂板底面的距離稱承壓水頭。在深基坑工程中，承壓水頭是一個特別重要的水位地質(zhì)參數(shù)。當基坑底部到承壓含水層土層厚度不大于承壓水頭頂托力時基坑底部就會產(chǎn)生突涌，造成基坑工程破壞同時對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響或破壞。

承壓水頭一般通過抽水試驗或水文觀測井來確定。通過對天津市大量抽水試驗數(shù)據(jù)的整理、分析，第一承壓含水層靜止水位標高一般為0.50～-0.50 m，且水位標高不隨場地標高的變化而變化；第二承壓含水層靜止水位標高一般為0.00～-1.00 m，水位標高不隨場地標高的變化而變化，且一般較第一承壓含水層標高低0.30～0.50 m左右。但承壓含水層水頭標高受周圍工程深基坑施工影響較大。

1.5 越流補給

承壓含水層與相鄰?fù)翆又g的水力聯(lián)系一般用越流系數(shù)的大小來反映。越流補給是指多層含水層，當在某一含水層抽水時，其上、下相鄰含水層通過弱透水層向該含水層補給。對于基坑周圍環(huán)境很復(fù)雜的場地，應(yīng)通過抽水試驗查明各土層之間的越流補給關(guān)系。

2 基坑設(shè)計要求

2.1 基坑支護及止水措施的確定

軌道基坑工程一般采用既擋土又止水的地下連續(xù)墻支護體系，是由地面施工機械沿著導槽溝，采用間隔施工向下開挖至設(shè)計深度，然后將鋼筋網(wǎng)下入槽內(nèi)，再澆注混凝土形成一個鋼筋混凝土單面墻體。當間隔的兩幅墻體施工完畢再施工中間幅，這樣在地下形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土圍墻[7]。

2.2 墻縫防滲漏措施

基坑地下連續(xù)墻在施工過程中因為墻縫接頭形式、施工成槽質(zhì)量、槽內(nèi)泥漿等原因造成墻縫夾泥、劈叉形成瑕疵和縫隙，當基坑開挖后墻外高壓水頭通過這些縫隙瑕疵涌入坑內(nèi)，很容易造成惡性事故。為防止墻縫滲漏問題，現(xiàn)行施工中需對墻縫外側(cè)重新設(shè)計一排防滲漏的攪拌樁進行封縫施工。連續(xù)墻縫防滲漏高壓旋噴樁(攪拌樁)的設(shè)計[7]見圖1：

圖1 高壓旋噴樁封堵墻縫示意圖

近幾年，天津市區(qū)在民用建筑深基坑采用地連墻進行基坑支護止水設(shè)計中，部分采用墻縫防滲漏預(yù)埋管注水檢測、注漿封堵技術(shù)，即是在兩墻澆砼閉合前，預(yù)先將注漿管插入墻縫間，待砼體固結(jié)后，通過預(yù)埋管進行分段注水加壓檢測墻縫是否滲漏及滲漏部位。通過試驗和工程應(yīng)用，當注水壓力小于4 MPa且有水量流失時，表明墻縫存在明顯滲漏點或滲漏縫隙，并通過預(yù)埋管對滲漏墻縫進行注漿封堵；當注水壓力瞬間大于8 MPa且水量基本無流失時，表明墻縫混凝土膠結(jié)密實，無滲漏點或滲漏縫隙存在。該工法可減少墻縫外二次防滲漏施工。

2.3 抗突涌計算

基坑底板下分布承壓含水層時，為防止承壓水頂裂或沖毀基坑底板，應(yīng)進行抗突涌計算。基坑底不透水層厚度與承壓水頭壓力的平衡條件是：

Fs=rw·h/rs·H

(4)

式中：Fs為安全系數(shù),一般取1.05～1.10；H為基坑底至承壓含水層頂板間距離(m)；rs為基坑底至承壓含水層頂板間的土的重度(kN/m3)；h為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離(m)；rw為水的重度(kN/m3)，取10 kN/m3。

2.4 隔水層的確定

根據(jù)基坑底板下承壓含水層抗突涌計算結(jié)果，地下連續(xù)墻應(yīng)穿透對基坑底板穩(wěn)定有影響的含水層，進入其下部相對隔水層不少于1.0m。當相對隔水層分布不穩(wěn)定時，可分段設(shè)計地下連續(xù)墻的深度。

2.5 基坑降水對周圍環(huán)境的影響分析

對于周圍環(huán)境較復(fù)雜的基坑，應(yīng)采用水力學理論計算及大型數(shù)值模擬軟件Processing Modflow建立地下水—地面沉降耦合模型，預(yù)測在基坑降水的條件下的地面沉降量及地下水位變化。其基本原理是在掌握工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件前提下，建立適合于降水工程所在地區(qū)的水流模型和土力學模型。通過對施工區(qū)域的網(wǎng)格剖分，設(shè)定邊界條件，源匯項、水文參數(shù)、力學參數(shù)處理，建立合適的數(shù)學模型對降水引起的地面沉降進行計算預(yù)測。由于該模型計算出的地面沉降量與現(xiàn)實情況高度相似，故而用Processing Modflow模型對地面沉降量進行預(yù)測的方法已得到廣泛應(yīng)用。

3 基坑監(jiān)測要求

施工過程中的承壓水監(jiān)測主要采用孔隙水壓力監(jiān)測和觀測井監(jiān)測。

3.1 孔隙水壓力監(jiān)測

為觀測各層土(特別是承壓含水層)的水位變化，可在不同部位埋設(shè)孔隙水壓力計，來測定抽水過程中各層位土孔隙水的壓力值變化。通過試驗研究，孔隙水壓力值的減小與各觀測井的水位降深幅度基本同步，但同一時間段通過孔隙水壓力值的減小確定的水位降深普遍略小于由各觀測井觀測到的水位降深幅度，一般小1.00～2.00 m左右，分析原因主要是孔隙水壓力值有一定的滯后現(xiàn)象。

3.2 觀測井布設(shè)

為了保證工程降水效果，控制降水引起的對環(huán)境的負面影響，在基坑內(nèi)、外需布置一定數(shù)量的觀測井，隨時監(jiān)測地下水動態(tài)變化，確保工程安全、順利施工。

4 結(jié)語

(1)天津市區(qū)存在多層承壓含水層，對承壓水的分析和研究對于城市軌道基坑工程的安全和順利實施是非常必要的。

(2)軌道基坑巖土工程勘察必須查清楚對工程有影響的承壓含水層層位埋深及分布規(guī)律、水頭標高及相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑降水、防水設(shè)計提供依據(jù)。

(3)可將預(yù)埋管注水檢測、注漿堵漏技術(shù)引入軌道基坑地下連續(xù)墻止水設(shè)計中，既可檢測墻縫是否存在滲漏點或滲漏縫隙及滲漏部位，又可對滲漏點或滲漏縫隙部位進行注漿封堵。

(4)承壓水水位變化的監(jiān)測對于地下連續(xù)墻墻縫漏水的預(yù)防和及時處理具有非常重要的意義。

(5)對于周圍環(huán)境較復(fù)雜的基坑，應(yīng)采用大型數(shù)值模擬軟件Processing Modflow建立地下水—地面沉降耦合模型，預(yù)測在基坑降水的條件下的地面沉降量及地下水位變化。

[1]林波，丁月雙，王冬平.天津某深基坑工程群井抽水試驗研究[J].北京：施工技術(shù).2013,8：82-84.

[2]姚天強，石振華.基坑降水手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2006.

[3]王建國.淺談地下水對地基基礎(chǔ)的影響[J].山西：山西建筑.2002，4：30-31.

[4]國標.城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范(GB50307-2012)[S].北京：中國計劃出版社.2012.

[5]常士驃.工程地質(zhì)手冊(第三版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1992.

[6]李連營，林波，王秀賀.天津地區(qū)承壓水對深基坑開挖的影響分析[J].北京：巖土工程界.2009,1：57-58.

[7]李連營，張學飛，王永強.基坑地連墻墻縫防滲漏預(yù)埋管注漿技術(shù)[J].北京：工程勘察.2014，增刊1：574-581.

2016-10-17

劉建章(1984-)，男，河北冀州人，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。

TD823.83

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1004-1184(2017)01-0042-02