淺談城市地下空間開(kāi)發(fā)中的地下水控制問(wèn)題

鄭小燕，張志林

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，這種形勢(shì)迫使越來(lái)越多的建筑物往深的方向發(fā)展，地下停車場(chǎng)、商業(yè)綜合體等建、構(gòu)筑如雨后春筍般出現(xiàn)，地鐵、地下交通隧道也在城市中大量出現(xiàn)，我國(guó)許多城市進(jìn)入了地下空間開(kāi)發(fā)利用的“黃金”時(shí)期（錢七虎，1998；劉景礦等，2009）。地下空間開(kāi)發(fā)利用的深度越來(lái)越大，而伴之而來(lái)的是在地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中受地下水影響也越來(lái)越嚴(yán)重，如國(guó)家大劇院工程的深基坑，最大埋深為32.5m, 受到二層承壓水影響（張志林等，2005）；北京地鐵7號(hào)線雙井站，結(jié)構(gòu)最大埋深達(dá)33.73m，受到二層承壓水影響。與此同時(shí)，權(quán)威的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量事故和安全事故80%以上的事故原因都是由于地下水影響造成的，比如北京東三環(huán)附近某基坑，開(kāi)挖至槽底后，已做完CFG樁復(fù)合地基處理，遭遇承壓水突涌，基坑內(nèi)積水深達(dá)4m，只能采用排水量100m3/h水泵抽水來(lái)維持現(xiàn)狀，造成經(jīng)濟(jì)損失不可謂不大，教訓(xùn)不可謂不慘痛，因此，如何控制好地下水是城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中的重中之重。雖然人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到地下水控制在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的重要作用，但在現(xiàn)實(shí)工程中，由于對(duì)地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不清，對(duì)地下水控制理論、方法把握不好，在地下結(jié)構(gòu)施工中盲目采用不適當(dāng)?shù)姆椒ǎ斐傻墓こ淌鹿驶蚓薮筘?cái)產(chǎn)損失的情況還是屢見(jiàn)不鮮。基于此，本文探討了城市地下空間中地下水控制的難點(diǎn)，通過(guò)多個(gè)成功的地下水控制案例展現(xiàn)了地下水控制的方案方法，為城市地下空間的開(kāi)發(fā)及利用提供了有益的借鑒。

1 地下水控制存在的主要問(wèn)題

（1）認(rèn)識(shí)不深。認(rèn)識(shí)不到城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中由于地下水控制不當(dāng)所帶來(lái)的各種問(wèn)題其嚴(yán)重性遠(yuǎn)大于城市以外地區(qū)，因此在地下水控制方面要考慮的因素更多，所涉用的范圍更廣。

（2）措施不當(dāng)。盲目降水，對(duì)城市供水造成影響。在富水較好地區(qū)，一個(gè)地鐵車站施工時(shí)的日排水量相當(dāng)于一個(gè)大型水源地日供水量，若工程降水區(qū)域處于水源地補(bǔ)給區(qū)時(shí)，將造成水源井開(kāi)采能力下降，對(duì)城市供水造成影響。

（3）后果嚴(yán)重。引起地面沉降，對(duì)工業(yè)民用建筑及市政設(shè)施造成影響。在工業(yè)民用建筑及市政設(shè)施密集的城市，若地下水控制措施不當(dāng)將產(chǎn)生較大沉降或不均勻沉降，造成建筑物傾斜、橋梁沉降、地下管線破裂等破壞，對(duì)城市安全影響極大。

（4）影響較大。設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)，對(duì)城市環(huán)境影響極大。地下水控制施工場(chǎng)區(qū)一般在繁華市區(qū)和交通要道，對(duì)交通影響極大；噪聲和場(chǎng)地排污將影響周邊居民正常生活，特殊情況下需拆遷民房建筑或占用主要干道、河渠等，造成工程成本巨額增加。

（5）難以處置。設(shè)計(jì)、施工受環(huán)境條件所限，對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)度影響很大。城市中各種地下管線和地下建筑物密布，空中設(shè)施也較多，并且還受到交通要道、地表水體、既有建(構(gòu))筑等各種條件限制，使地下水控制設(shè)計(jì)、施工困難重重，這使地下結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量、進(jìn)度受到很大影響。

（6）污染環(huán)境。當(dāng)?shù)叵滤刂撇捎米{堵水時(shí)，將參有化學(xué)物質(zhì)的水泥漿(雙液或多液漿)注入地下含水層，漿液在注漿壓力下在含水層中擴(kuò)散，絕大部分在地層中形成結(jié)石體，但仍有污染物質(zhì)殘留在含水層中，若控制不好易對(duì)地下水環(huán)境造成污染。

2 新技術(shù)及新方法介紹

2.1 降水-回灌技術(shù)

在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中，為確保地下結(jié)構(gòu)施工而采用降水措施時(shí)，若遇到對(duì)城市供水產(chǎn)生影響或?qū)Φ孛娉两捣浅Ｃ舾械貐^(qū)，可采用降水-回灌技術(shù)來(lái)解決。

（1）當(dāng)采用降水-回灌技術(shù)是為了解決資源性問(wèn)題時(shí)，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件，采用“淺抽深灌”或“近抽遠(yuǎn)灌”方法，這樣既不影響降水區(qū)域，又不影響水源地地下水補(bǔ)給（侯景巖等，1997）。

應(yīng)用實(shí)例：在北京地鐵復(fù)—八線施工時(shí)，降水量巨大，為保護(hù)水資源，采用降水-回灌的方法對(duì)地下水進(jìn)行回補(bǔ)，具體采用“淺抽深灌”方式（圖1），其回灌量達(dá)6500m3/d,回灌率達(dá)到55%左右，單井回灌量最高可達(dá)900m3/d（圖2），回灌水經(jīng)沉沙過(guò)濾等措施的處理，水質(zhì)均符合北京地區(qū)回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了保護(hù)水資源，回補(bǔ)地下水的目的，符合北京市“最嚴(yán)格水資源管理制度”的規(guī)定。

圖1 復(fù)—八線降水—回灌示意圖Fig.1 Relation between recharge wells and dewatering wells in fu-ba line

圖2 復(fù)—八線單井回灌量與回灌水頭關(guān)系圖Fig.2 Relation between recharge rate of single well and water head in fu-ba line

（2）當(dāng)采用降水-回灌技術(shù)是為了解決地面沉降問(wèn)題時(shí)，回灌應(yīng)選擇同一含水層，回灌區(qū)應(yīng)布設(shè)在降水區(qū)和預(yù)防沉降區(qū)之間。

應(yīng)用實(shí)例：北京地鐵5號(hào)線雍和宮站緊鄰古建筑雍和宮，降水井距離雍和宮約20m，由于降水時(shí)產(chǎn)生的沉降較大，對(duì)雍和宮古建筑將造成危害性影響。為此，采用了防止沉降的降水-回灌措施，采用同層回灌的方式，回灌井平面布置圖見(jiàn)圖3。通過(guò)在降水井與古建筑之間布置回灌井，提高了降水水位線，有效的降低了降落漏斗的的影響范圍（圖4）。通過(guò)施工期間的沉降監(jiān)測(cè)表明，由于采取了降水-回灌措施，雍和宮院內(nèi)的所有古建筑物都沒(méi)有發(fā)生沉降變化。

圖3 雍和站降水井與回灌井布置關(guān)系圖Fig.3 Relation between recharge wells and dewatering wells in Lama Temple station

圖4 雍和宮站降水—回灌示意圖Fig.4 Schematic diagram of recharge wells and dewatering wells in Lama Temple station

2.2 輻射井降水技術(shù)

國(guó)內(nèi)外輻射井技術(shù)主要用于供水井，其深度一般不超過(guò)20m，井徑也較大。為了解決地鐵暗挖隧道穿越鐵路、高速公路、護(hù)城河、立交橋、高層建筑物、重要交通路口及民房集居區(qū)等路段時(shí)，常規(guī)降水方法無(wú)法施工問(wèn)題，輻射井技術(shù)越來(lái)越多的引入到城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中（何運(yùn)晏等，2005；葉峰等，2005）。但采用該技術(shù)首先要解決以下問(wèn)題。

（1）輻射井成井問(wèn)題：①豎井深度較大，施工場(chǎng)地狹窄，豎井施工很困難；②水平井長(zhǎng)度要達(dá)到50～80m，在砂卵石地層中施工難度很大；③在流砂地層中易?？?，尤其是水平井施工，會(huì)產(chǎn)生較大地面沉降；④沒(méi)有成熟的施工水平井設(shè)備（在豎井里施工）。

（2）輻射井計(jì)算理論問(wèn)題：采用供水井的輻射井水量計(jì)算方法，與降水工程的計(jì)算方法相差很大，在實(shí)際工程中也相差很大，必須對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行修正。

關(guān)于輻射井的施工，通過(guò)在北京地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用及實(shí)踐，漂浮法、沉井法和倒掛井壁法是可用于城市內(nèi)部輻射井豎井施工的適宜方法，可根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境來(lái)選擇，而水平井施工可采用三級(jí)套管潛孔錘成孔、雙壁水力反循環(huán)成孔以及高壓水沖頂進(jìn)成孔的方式，適用條件見(jiàn)表1，表2。

對(duì)于輻射井降水計(jì)算方法，通過(guò)各種水文地質(zhì)條件下的試驗(yàn)，總結(jié)出3種比較有效的水量計(jì)算方法，以此作為輻射井設(shè)計(jì)依據(jù)。這3種方法分別是：①等效替代法，傳統(tǒng)方法計(jì)算其控制范圍的涌水量，分配管井井點(diǎn)數(shù)量及排水量，將受制約不能布管井的部位用輻射井替代，再用自然管道流方法計(jì)算水平井?dāng)?shù)去匹配所替代部位的流量。②過(guò)水?dāng)嗝娣?，將輻射井要控制的斷面長(zhǎng)作為計(jì)算長(zhǎng)度，用斷面法計(jì)算其斷面出水量，再用自然管道流方法計(jì)算所需水平井?dāng)?shù)。當(dāng)?shù)貙訛槎鄬雍畬訒r(shí)，必須分層計(jì)算，分層匹配水平井點(diǎn)數(shù)。③經(jīng)驗(yàn)公式法，在原輻射井水量計(jì)算公式中加入折減系數(shù)ζ和干擾系數(shù)α，根據(jù)在各種水文地質(zhì)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了ζ范圍值，根據(jù)不同出水量和水平井?dāng)?shù)量關(guān)系確定了α 取值范圍，水平井單孔出水量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）、式（2）。

當(dāng)hr＞h時(shí):

式中：R為影響半徑（m），一般取 5～10m；L為水平井長(zhǎng)度（m）；hr為水平井距以下含水層厚度；m為含水層厚度(m)；h為動(dòng)水位以下含水層厚度(m)。

表1 輻射井豎井施工方法比較表Tab.1 Comparison of construction methods for shaft in radial well

表2 三種水平井施工工藝比較表Tab.2 Comparison of construction technology of three horizontal wells

應(yīng)用實(shí)例：北京地鐵5號(hào)線東四站建筑物林立，部分地段普通管井難以實(shí)施，最后在管井難以布設(shè)的地段采用輻射井進(jìn)行降水（圖5），豎井采用沉井法施工，水平井采用雙臂反循環(huán)法施工，水量計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算，該輻射井于2003年4月開(kāi)工， 2003年8月完工，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)際豎井深度為28.45m，分別在潛水和承壓水卵石地層中施工了8眼長(zhǎng)40～45m的水平井，出水量達(dá)到50m3/h，解決了東四車站暗挖穿過(guò)朝內(nèi)菜市場(chǎng)的潛水和承壓水降水難題，為輻射井降水技術(shù)在地鐵施工中廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的開(kāi)端，也驗(yàn)證了以上施工方法和計(jì)算方法的可行性。

圖5 東四站降水平面布置圖Fig.5 The Plan of Dewatering of Dongshi Subway Station

2.3 大直徑潛孔錘套管成井技術(shù)

當(dāng)城市地下空間開(kāi)發(fā)地區(qū)位于地層條件為漂石、卵石或風(fēng)化巖石富水區(qū)時(shí)，地下水控制遇到注漿堵水難度大、效果差，降水成井條件差、排水量較大等困難，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種地質(zhì)條件下地下水控制成本高于其它地質(zhì)條件下幾倍，并且效果較差，大直徑潛孔錘套管成井工藝成井速度快，主要應(yīng)用于基巖地區(qū)的飲水井的成井，將其應(yīng)用于降水井的施工需要解決井參數(shù)的匹配問(wèn)題。經(jīng)過(guò)在大連、北京地鐵的多次試驗(yàn)，針對(duì)潛孔錘常見(jiàn)設(shè)備，與之匹配了相應(yīng)的降水井的結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖6），使之可應(yīng)用于降水井的施工。

應(yīng)用實(shí)例：大連地鐵1號(hào)線星醫(yī)區(qū)間屬于板巖發(fā)育地區(qū)，地下水主要為基巖裂隙水，降水井施工困難，成井效率低，將以上井結(jié)構(gòu)參數(shù)的降水井施工采用大直徑潛孔錘套管成井，成井速度快。降水井深度為25m，基本上可保證一臺(tái)鉆機(jī)一天可實(shí)施一眼降水井，其成井效率可達(dá)到其他工藝的3倍以上，并且由于采用氣動(dòng)吹渣的工藝，成井后無(wú)需專門洗井，特別適用于基巖地區(qū)的降水井成井。

圖6 大直徑潛孔錘應(yīng)用于降水施工時(shí)的井參數(shù)設(shè)置Fig.6 Parameter setting of large diameter DTH hammer used in dewatering construction

2.4 水泥土咬合樁帷幕堵水技術(shù)

傳統(tǒng)的堵水方法一般采用高壓注漿、高壓噴射（旋噴、擺噴或定噴）注漿、地下連續(xù)墻等方法，但施工成本較高，在一些特殊地質(zhì)條件下不宜采用。通過(guò)在北京地區(qū)試驗(yàn)水泥土樁相互咬合，或水泥土樁和支護(hù)樁相互咬合形成阻水帷幕的阻水方法，發(fā)現(xiàn)其阻水效果好，施工成本低，適宜條件廣，可作為現(xiàn)有止水技術(shù)的有效補(bǔ)充。

應(yīng)用實(shí)例：李家?guī)Z村循環(huán)水務(wù)示范工程需要在北京山前特殊地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)截潛流而形成人造濕地，采用人工挖孔實(shí)現(xiàn)咬合水泥土樁形成地下帷幕結(jié)構(gòu)。樁體材料由素水泥漿按試驗(yàn)的配比與素土或地層中原狀土拌合而成，樁體強(qiáng)度3～5Mpa，樁體滲透系數(shù)K≤1×10-6cm/s。施工方法采用跳樁法施工，即先施工1#、3#、5#......樁，再施工2#、4#、6#......樁，若和支護(hù)樁結(jié)合形成帷幕時(shí)，應(yīng)先施工水泥土樁，再施工支護(hù)樁，樁端應(yīng)進(jìn)入含水層底板以下弱透水層2m左右。成樁精度要求，垂直度誤差≤1%，交圈厚度≥300mm，樁位偏差≤50mm，樁體壓水試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)為透水率＜ 0.1 Lu 。其施工順序及布置見(jiàn)圖7。工程實(shí)施后，帷幕截流壩上游水位抬升1.5m，攔蓄地下水效果顯著，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

圖7 水泥土咬合樁帷幕堵水布置及施工順序示意圖Fig.7 Water blocking arrangement and construction sequence diagram of cement soil occlusive pile curtain

2.5 利用綜合技術(shù)解決復(fù)雜地質(zhì)條件下地下水控制問(wèn)題

沿海城市地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜（海水倒灌、巖溶裂隙、風(fēng)化裂隙發(fā)育等），給地下水控制帶來(lái)很大困難，這種情況下往往不能用傳統(tǒng)的地下水控制方法來(lái)解決問(wèn)題，而需要采用綜合技術(shù)方法來(lái)輔助進(jìn)行做地下水控制設(shè)計(jì)和施工。由于沿海城市的基巖裂隙水分布不均勻，需要確定其賦存的主要位置，來(lái)進(jìn)行有的放矢的控制，目前，可考慮使用高密度電法，地震波法進(jìn)行探明基巖裂隙水的分布（田小甫等，2016）。

應(yīng)用實(shí)例：大連地鐵西安路站沿海地帶，第四系孔隙水含水層底板起伏較大，并且受海水補(bǔ)給時(shí)，對(duì)地下結(jié)構(gòu)施工影響極大，往往需對(duì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)范圍的松散含水層進(jìn)行注漿處理，需要查明注漿點(diǎn)的位置，但要在一個(gè)大場(chǎng)區(qū)找出所有的注漿位置比較困難，通過(guò)地震波物探方法對(duì)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，可以比較準(zhǔn)確地確定注漿位置（圖8）。

圖8 大連地鐵1號(hào)線西安路地震波探測(cè)成果立體圖Fig.8 Stereoscopic map of seismic exploration results of Xi'an road in Dalian Metro Line 1

此外當(dāng)?shù)叵驴臻g開(kāi)發(fā)位于地質(zhì)條件非常復(fù)雜的場(chǎng)區(qū)時(shí)，可利用場(chǎng)區(qū)的勘探資料建立三維地質(zhì)體模型，了解基巖強(qiáng)風(fēng)化層的平面分布及縱向的頂?shù)装迓裆睿_定風(fēng)化裂隙水的賦存位置。

應(yīng)用實(shí)例：大連地鐵星醫(yī)區(qū)間位于板巖地區(qū)，其基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化板巖中，通過(guò)三維地質(zhì)模型和基巖分層（從地質(zhì)模型中分層）展示（圖9），比較全面地?fù)挝樟藞?chǎng)區(qū)板巖的風(fēng)化裂隙含水層分布和對(duì)地下結(jié)構(gòu)施工的影響情況，可有的放矢地設(shè)計(jì)地制定地下水控制方案，減少盲目性。

圖9 隧道與含水層聯(lián)合展示模型Fig.9 The combined display model of the tunnel and the aquifer

3 發(fā)展方向探討

目前國(guó)內(nèi)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中工程開(kāi)挖深度基本都在15～20m之間，超過(guò)30m的很少見(jiàn)，因此對(duì)更深地下結(jié)構(gòu)施工的地下水控制技術(shù)研究相對(duì)較少。目前北京的地下空間開(kāi)發(fā)已接近60m埋深（西二環(huán)地下快速路），地下水影響問(wèn)題更加突出，因此對(duì)地下水控制技術(shù)研究更加重要。我們根據(jù)多年從事地下水控制工作方面的經(jīng)驗(yàn)，提出一些深層地下水控制方面的研究意向，共同探討。

（1）進(jìn)一步研究降水-回灌技術(shù)

當(dāng)城市地下空間開(kāi)發(fā)區(qū)域的水文地質(zhì)條件只能允許采用降水措施時(shí)，為了既保證地下工程的順利實(shí)施，又能盡量減少地下水資源浪費(fèi)，可研究各種各樣的回灌技術(shù)，比如輻射井回灌技術(shù)、復(fù)合井回灌技術(shù)等。

（2）分層降水技術(shù)

當(dāng)暗挖施工的地下地構(gòu)位于多個(gè)地下含水層之中時(shí)，可針對(duì)地下結(jié)構(gòu)埋深受影響的地下含水層進(jìn)行降水，對(duì)其它含水層段則采取分段阻水方法。這樣即可提高降水的有效性，又可以減少工程降水的抽排地下水。

（3）水-堵水相結(jié)合技術(shù)

對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域遇到沉降敏感、地表水體發(fā)育、承壓水影響較大等不利條件時(shí)，可采用降水-堵水相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行地下水控制。在地下結(jié)構(gòu)埋深范圍內(nèi)，對(duì)采用降水對(duì)環(huán)境影響較大的含水層段（地層），應(yīng)采用堵水措施，對(duì)采用堵水施工困難或效果很差的含水層段，可采用降水措施。

（4）數(shù)值模擬技術(shù)

建立城市地下空間開(kāi)發(fā)利用場(chǎng)區(qū)三維地質(zhì)體模型、滲流場(chǎng)數(shù)值模型、溶質(zhì)場(chǎng)數(shù)值模型和土力學(xué)模型，模擬由地下水控制引起的場(chǎng)區(qū)地下水位、水質(zhì)變化，準(zhǔn)確反映出地下結(jié)構(gòu)施工期間不同時(shí)間、不同部位的地下水位情況以及場(chǎng)區(qū)地下水環(huán)境、地面沉降變化。

（5）洞內(nèi)地下水控制技術(shù)

對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域不具備地面施工降水或堵水條件時(shí)，可研究在暗挖隧道內(nèi)采用堵水或降水措施，傳統(tǒng)的全斷面注漿堵水方法存在很多問(wèn)題需改進(jìn)，而洞內(nèi)降水受各種條件限制到目前還沒(méi)有完整成熟的技術(shù)方法。

總之，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中地下結(jié)構(gòu)施工離不開(kāi)地下水控制，由于在城市中進(jìn)行地下水控制受各方面制約因素影響使很多常用方法難以實(shí)施，必須要研究其相適應(yīng)的技術(shù)方法，而隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的深度不斷增大，其地下水控制的難度也越大，這對(duì)從事地下工程的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)需要不斷地研究新技術(shù)新方法，而且還需進(jìn)行綜合的技術(shù)研究，相信經(jīng)過(guò)不斷地努力研究試驗(yàn)以及工程實(shí)踐，會(huì)有更多的新技術(shù)新方法誕生，為城市地下空間開(kāi)發(fā)利用提供地下水控制方面的安全保證。

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