抽水試驗(yàn)在城市軌道交通工程勘察中的運(yùn)用

李建紅

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

0 引言

近年來，在城市高層建筑、城市軌道交通等基本建設(shè)工程中涉及地下工程建設(shè)的項(xiàng)目不斷增多，此類項(xiàng)目中需要開挖大量的深基坑工程，而地下水的控制問題是深基坑工程中的關(guān)鍵問題之一[1-8]。水文地質(zhì)參數(shù)是地下水控制設(shè)計(jì)和施工所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，水文地質(zhì)參數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)和施工的效果[5-8]；抽水試驗(yàn)是地層滲透性、測定水文地質(zhì)參數(shù)常用的方法之一[6-10]。本文以鄭州地鐵5號線經(jīng)開第八大街站為例，針對地層分布特點(diǎn)及地下水發(fā)育情況，進(jìn)行了多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，取得含水層的滲透系數(shù)和影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)，有效指導(dǎo)了后續(xù)降水設(shè)計(jì)施工，驗(yàn)證了含水層水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 抽水試驗(yàn)的布置

1.1 工程概況

鄭州市軌道交通5號線經(jīng)開第八大街站為地下三層結(jié)構(gòu)，與下穿市政隧道共建，車站基坑總長239 m，寬度21 m，基坑深約24.1 m。

1.2 場地地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告①，地鐵工程開挖范圍所涉地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層和第四系上更新統(tǒng)沖洪積層。自地表向下依次為：①素填土；②21粉質(zhì)黏土；②33D粉細(xì)砂；②35黏質(zhì)粉土；②51細(xì)砂；②52細(xì)砂；③24粉質(zhì)黏土。地鐵工程開挖范圍內(nèi)的地下水主要為潛水，水位埋深14.5 m，賦存于第四系全新統(tǒng)沖洪積②51細(xì)砂和②52細(xì)砂層中，下伏地層③24粉質(zhì)黏土為硬塑-堅(jiān)硬狀，為不透水層(圖1)。

1.3 水井布置

(1)水井布置。在場地內(nèi)設(shè)置1個抽水孔和2個觀測孔，抽水孔深35 m，井底進(jìn)入下伏隔水層3.2 m，觀測孔深30～35 m。水井間距布設(shè)時(shí)考慮避免三維流和紊流的影響，各孔孔深和間距見表1。

(2)水井結(jié)構(gòu)。抽水試驗(yàn)井采用反循環(huán)鉆機(jī)成井，終孔口徑600 mm，井管采用井徑300 mm的無砂水泥管，井壁外側(cè)圍填2～4 mm礫料，礫料圍填厚度不小于100 mm；觀測井井徑150 mm，井管采用89 mm的PVC管作為濾水管，管壁外側(cè)包扎尼龍布并圍填2～4 mm礫料，礫料圍填厚度不小于50 mm。

(3)止水及洗孔。止水需在洗孔前進(jìn)行，抽水井及各觀測井在含水層頂、底板做好止水，采用半蔭干黏土球搗實(shí)止水。抽水井及觀測井下濾管后進(jìn)行止水，然后洗孔。下管投礫后，用清水沖孔，活塞和空壓機(jī)反復(fù)進(jìn)行洗孔，直至水清、砂凈、水位反應(yīng)靈敏為止。洗孔達(dá)到要求后再施工新孔。

表1 抽水孔、觀測孔孔深及孔距Table 1 The holes’ depth and distance between the holes

圖1 抽水孔、觀測孔位置及地層分布示意圖Fig.1 Sketch showing localities of the pumping hole and observation holes and the strata distribution

1.4 試驗(yàn)過程

(1)地下水位測量。地下水位以上土層采用干鉆工藝，直至觀測到初見水位為止，其余采用濕法鉆進(jìn)，洗孔符合要求后測量孔內(nèi)水位，開始每半小時(shí)測量一次，4 h后，每隔1 h測量一次，最后3次測量結(jié)果誤差在2 cm之內(nèi)且無持續(xù)上升或下降現(xiàn)象時(shí)視為穩(wěn)定。

(2)試驗(yàn)性抽水。抽水孔及觀測孔按要求完成實(shí)施，測得穩(wěn)定水位后，進(jìn)行一次最大降深試驗(yàn)性抽水，抽水時(shí)間約4 h，以了解降深、流量、洗孔、止水效果及各孔連通性，便于調(diào)整降深和流量，為正式抽水試驗(yàn)提供依據(jù)。

(3)穩(wěn)定流抽水。①每次試驗(yàn)完成3個降深，3個降深的間距保證分布均勻，分別為Smax、2/3Smax、1/3Smax，采用由小至大的抽水順序，最大降深Smax按工程降水深度控制；②本次試驗(yàn)含水層為細(xì)砂層，抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間按不少于24 h控制；③抽水穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)：主抽水井水位誤差不超過水位降低平均值1%，穩(wěn)定水位幅度不超過3～5 cm，觀測孔水位波動不超過2～3 cm，在涌水量無連續(xù)增大或變小的區(qū)間內(nèi)各次流量的最大差值與平均流量值之比不大于3%；水位穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)：在抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間內(nèi)水位無持續(xù)上升或下降趨勢，動水位不大于平均水位降深的1%；④水位觀測：動水位與出水量同時(shí)觀測，應(yīng)認(rèn)真測準(zhǔn)抽水初始階段的動水位和出水量，觀測井和抽水井按規(guī)定時(shí)間統(tǒng)一進(jìn)行觀測，抽水按2、5、10、20、30 min間隔進(jìn)行觀測，之后每30 min觀測一次[2]；⑥恢復(fù)水位觀測：抽水井和觀測井的恢復(fù)水位按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25和30 min的時(shí)間間隔進(jìn)行觀測，之后每30 min觀測一次，直至穩(wěn)定為止；⑦水溫、氣溫觀測：在抽水開始和結(jié)束時(shí)各觀測一次，抽水過程中每隔2～4 h觀測一次，在抽水中氣溫、水溫同時(shí)觀測，溫度計(jì)浸入水中時(shí)間不少于15 min，同時(shí)，注意觀測及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析并處理穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間內(nèi)涌水量可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定情況；⑧水樣采取：抽水開始及抽水穩(wěn)定后水樣各一組。本次抽水試驗(yàn)降水、流量與時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

(4)井損的測定。在抽水試驗(yàn)孔井壁外側(cè)下置50 mm PVC濾管，同時(shí)觀測抽水井和井外水位。

(5)注水試驗(yàn)。待抽水試驗(yàn)完畢，根據(jù)水位和含水層情況，對地下水水位以上透水地層進(jìn)行注水試驗(yàn)。注水試驗(yàn)采用鉆孔常水頭注水法，注水前測定孔內(nèi)的靜止水位，用流量箱連續(xù)向孔內(nèi)注入清水，使管內(nèi)水位升高到設(shè)計(jì)高度后，控制注水量，使水頭和水量穩(wěn)定。

注水開始后，在第1、2、3、4、5、10、15、20、25、30 min同時(shí)觀測一次水位、水量，以后每隔30 min觀測一次，至穩(wěn)定后再延續(xù)4 h結(jié)束。

注水試驗(yàn)結(jié)束后立即觀測鉆孔中的水位下降，其時(shí)間間隔與注水試驗(yàn)相同，直到水位下降到靜止水位為止。

注水試驗(yàn)進(jìn)行3次水位升高，每次水位升高采用2、4、6 m，間距為2 m。

圖2 降深、流量與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Water table drop and discharge rate VS time plot

表2 穩(wěn)定流試驗(yàn)計(jì)算參數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of parameters calculated from the stable flow test

2 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

2.1 試驗(yàn)資料的整理

本次抽水試驗(yàn)分別進(jìn)行3個落程帶有觀測孔的完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，抽水延續(xù)48 h，主井降深分別為5.24 m、2.07 m、1.04 m。選用《YS 5215—2000 抽水試驗(yàn)規(guī)程》中潛水完整井條件下，2個觀測孔，中心井抽水推薦的公式(1)求取K，公式(2)求取影響半徑R。

(1)

(2)

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，含水層②51細(xì)砂、②52細(xì)砂的主要水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

經(jīng)過抽水試驗(yàn)得出含水層②51細(xì)砂、②52細(xì)砂的滲透系數(shù)平均值為10.16 m/d。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)評述

該地鐵車站降水設(shè)計(jì)及施工過程中采用了通過本次抽水試驗(yàn)所取得的水文地質(zhì)參數(shù)，目前該地鐵車站已經(jīng)竣工。經(jīng)施工期間對降水施工數(shù)據(jù)實(shí)測驗(yàn)證，水文地質(zhì)參數(shù)與本次抽水試驗(yàn)取得的結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論與建議

(1)通過本次抽水試驗(yàn)，確定了含水層的滲透系數(shù)，為地鐵基坑降水工程設(shè)計(jì)和施工提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

(2)采用帶觀測孔的多孔抽水試驗(yàn)，通過合理布設(shè)觀測孔，可以避開紊流、三維流和造孔對抽水孔附近含水層擾動的影響，可以使成果能比較真實(shí)地反映含水層的透水性。

(3)根據(jù)觀測孔水位降低值可以更準(zhǔn)確地計(jì)算含水層滲透系數(shù)，無需考慮難以確定的抽水影響半徑，同時(shí)也可較準(zhǔn)確地計(jì)算影響半徑。

注釋：

① 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 鄭州市軌道交通5號線工程勘察02標(biāo)段經(jīng)開第八大街站巖土工程勘察報(bào)告. 北京: 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 2014: 14.