抽水試驗(yàn)在廣州地鐵巖土工程勘察中的應(yīng)用

游思琴，曾建綱，潘鑾優(yōu)

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

隨著大中城市的發(fā)展，城市土地的短缺與人口的增長逐步矛盾，為了解決這一矛盾，城市地下工程的建設(shè)高速發(fā)展，例如高程建筑的基坑工程，地下停車場建設(shè)工程，地鐵建設(shè)工程等等，與此同時(shí)，基坑涌突水，道路地面塌陷等等問題就會(huì)出現(xiàn)[1]。因此，確地場地水文地質(zhì)參數(shù)尤為重要[2-3]，它是設(shè)計(jì)確定基坑降水方案的重要依據(jù)。

近年來，城市地鐵建設(shè)越來越多，本文就以廣州地鐵12號(hào)線某車站為例，選取車站的1口試驗(yàn)井進(jìn)行抽水試驗(yàn)，通過觀測(cè)，記錄，整理資料，通過公式求得滲透系數(shù)K、影響半徑R，并根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》[4]對(duì)透水性進(jìn)行劃分，得出該土層的透水性類別，為施工設(shè)計(jì)方案提供重要依據(jù)，為安全施工做好鋪墊。

1 抽水試驗(yàn)方案

1.1 抽水試驗(yàn)布置和工作量

車站主要為海陸交互相沉積平原地貌，下伏基巖一般為文筆山組(P1w)、龍?zhí)督M(P2l)的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、棲霞組(P1q)石灰?guī)r等，因此，在本工點(diǎn)一般針對(duì)海陸交互相的覆蓋層及基巖分層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，主要選取上覆海陸交互相砂層較厚、下伏基巖巖性交界處布置抽水孔。

車站設(shè)計(jì)方案為明挖車站，本站點(diǎn)上部地層主要為沖洪積的粉質(zhì)黏土<4N-2>、中粗砂<3-2>、礫砂<3-3>。下部基巖為文筆山組(P1w)的粉砂質(zhì)泥巖，本站點(diǎn)進(jìn)站段巖溶發(fā)育，局部為巖溶水、局部為碎屑巖基巖裂隙水。

本次試驗(yàn)在同一孔位對(duì)第四系、基巖分層進(jìn)行抽水，抽水孔及觀測(cè)孔在鉆穿覆蓋層的含水層后停鉆，在下伏的黏性土等相對(duì)隔水層中采取止水隔離措施，針對(duì)第四系的試驗(yàn)段進(jìn)行抽水試驗(yàn)；第四系試驗(yàn)段完成后，拆除試驗(yàn)裝置，繼續(xù)下鉆，鉆至結(jié)構(gòu)底板以下5 m或見基巖水/溶洞以下5～10 m，再下套管，并在套管腳采取止水措施，針對(duì)基巖段進(jìn)行抽水試驗(yàn)?；鶐r段抽水試驗(yàn)主要針對(duì)下伏的棲霞組粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行抽水，上部第四系覆蓋層下Φ127套管，并在套管腳采取止水措施，針對(duì)基巖段進(jìn)行抽水試驗(yàn)。本次試驗(yàn)相關(guān)示意見圖1～圖3。

圖1 抽水孔布置示

圖2 第四系含水層抽水孔結(jié)構(gòu)示意

圖3 抽水孔結(jié)構(gòu)(基巖段抽水)示意

抽水孔地下水位埋深為2.80 m，因此，砂層抽水試驗(yàn)最大水位降深不應(yīng)低于含水層頂板(2.9 m深處)，擬用降深順序依次采用1.00 m、2.00 m、3.00 m，抽水管管口置于7 m處?；鶐r抽水試驗(yàn)最大水位降深不應(yīng)低于含水層頂板(11.0 m深處)，擬用降深順序依次采用6.0 m、4.0 m、2.0 m，抽水設(shè)備置于20 m處。

在抽水試驗(yàn)中抽水、吸水管管口均應(yīng)放在同一深度，管口應(yīng)距離含水層最大降深動(dòng)水位以下0.4～1.0 m處。

1.2 抽水試驗(yàn)技術(shù)要求

1.2.1抽水試驗(yàn)孔(井)、觀測(cè)孔(井)結(jié)構(gòu)及深度要求

1) 鉆孔過濾管要求：在試驗(yàn)實(shí)際操作中采用橋式和鋼管纏絲兩種過濾器。當(dāng)含水層厚度大于等于 30 m，過濾管長度下至30～35 m；當(dāng)含水層厚度小于30 m，過濾管長度與厚度保持相同。在巖層中，當(dāng)基巖層孔壁穩(wěn)固，或者雖遇到溶洞，但為無充填或充填物較少地段，可以不用安置過濾器。

2) 洗孔要求：試驗(yàn)通過活塞、壓風(fēng)機(jī)聯(lián)合進(jìn)行洗孔，達(dá)到水清砂凈，方可停止洗孔。

3) 進(jìn)行同一孔位砂層、巖層分層抽水試驗(yàn)，尤其要做好止水。要求2 h內(nèi)管外的水位變動(dòng)小于10 cm。

4) 根據(jù)地鐵結(jié)構(gòu)的標(biāo)高確定抽水試驗(yàn)孔的深度，一般鉆至地鐵結(jié)構(gòu)底板以下5 m。

1.2.2水位降深要求

地下水為潛水時(shí)，當(dāng)抽水孔為完整孔時(shí)，在含水層厚度附近設(shè)置水位最大降深；當(dāng)抽水孔為非完整孔時(shí)，在過濾器長度的1/2深度處設(shè)置水位最大降深。地下水為承壓水時(shí)，在高于含水層頂板的位置設(shè)置水位最大降深。

砂層和巖層分別設(shè)置3次抽水降深實(shí)驗(yàn)，降深穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)大于8 h。根據(jù)砂層和填礫料易移動(dòng)和容易堵死過濾管的特點(diǎn)，覆蓋層中抽水實(shí)驗(yàn)降深次序采取由小到大設(shè)置。為了使基巖裂隙的暢通，將鉆進(jìn)過程中巖粉迅速疏通，巖層中的抽水實(shí)驗(yàn)降深次序則采取由大到小設(shè)置。

當(dāng)試驗(yàn)孔的水輸出較小或在測(cè)試期間水輸出已經(jīng)達(dá)到極限時(shí)，水位降深可低于3次，但不能小于2次。

1.2.3靜止水位測(cè)量要求

實(shí)驗(yàn)深度范圍揭露有多個(gè)(≥2)含水層，應(yīng)對(duì)不同含水層分別測(cè)量靜止水位，同時(shí)應(yīng)布置套管封閉上1層含水層，再進(jìn)行下1層含水層靜止水位的測(cè)量。當(dāng)?shù)叵滤乃^高出地表，應(yīng)接管后進(jìn)行水位測(cè)量。

1.2.4抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定要求

抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定連續(xù)時(shí)長要求：在卵石、圓礫、礫砂、粗砂層應(yīng)超過8 h，在中砂、細(xì)砂、粉砂層應(yīng)超過16 h，巖層的含水層應(yīng)超過24 h。

1.2.5動(dòng)水位觀測(cè)要求

抽水試驗(yàn)開始后在1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min進(jìn)行水位觀測(cè)，并在接下來的時(shí)間每隔30 min觀測(cè)1次。

每次抽水試驗(yàn)停泵后的水位恢復(fù)，按第1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min進(jìn)行觀測(cè)，并在接下來的時(shí)間每隔30 min觀測(cè)1次。

抽水孔的恢復(fù)水位觀測(cè)時(shí)間在每次降深完成后即進(jìn)行觀測(cè)，時(shí)間延續(xù)不小于8 h。

抽水實(shí)驗(yàn)完畢或抽水過程中因意外暫停抽水，都要對(duì)水位的恢復(fù)情況進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)在每次降深后即進(jìn)行。

2 抽水試驗(yàn)成果計(jì)算分析

參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[5-13]，結(jié)合本工程水文地質(zhì)條件及抽水試驗(yàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，繪制砂層和巖層水位恢復(fù)曲線、Q～S關(guān)系曲線、q～S關(guān)系曲線、Q～T、S～T過程曲線見圖4～圖11。

圖4 砂層抽水水位恢復(fù)曲線示意

圖5 巖層抽水水位恢復(fù)曲線示意

圖6 砂層抽水Q～S關(guān)系曲線示意

圖7 砂層抽水q～S關(guān)系曲線示意

圖8 巖層抽水Q～S關(guān)系曲線示意

圖9 巖層抽水q～S關(guān)系曲線示意

圖10 砂層抽水Q～T、S～T過程曲線示意

圖11 巖層抽水Q～T、S～T過程曲線示意

本次勘察采用單孔和多孔抽水試驗(yàn)，根據(jù)地下水的類型和抽水試驗(yàn)所取得的有關(guān)數(shù)據(jù)，依據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 320—2005)[14]，選取適合的抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式。依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB 10049—2014)[15]公式8.2.5-1按水位恢復(fù)計(jì)算滲透系數(shù)計(jì)算公式。

砂層抽水試驗(yàn)采用多孔抽水，過濾器的長度大于承壓含水層厚度的0.3倍，井筒沒有穿透最下含水層的整個(gè)厚度，井底設(shè)置在承壓水含水層上，選用承壓水非完整井多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式；基巖抽水試驗(yàn)采用單孔抽水，試驗(yàn)孔為承壓水含水層，且井筒貫穿整個(gè)含水層，選用承壓水完整井單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式。

同時(shí)砂層抽水和基巖抽水均為承壓水，且降深一定，采用承壓水影響半徑的經(jīng)驗(yàn)公式吉哈爾特公式近似計(jì)算影響半徑。

1) 承壓水非完整井多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式

(1)

(2)

2) 承壓水完整井單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式

(3)

(4)

式中：

Q——抽水穩(wěn)定流量,m3/d；

M——承壓含水層厚度,m；

l——過濾器的長度,m；

S——水位降深,m；

S1、S2——S01-1、S01-2的水位降深，m；

r1、r2——S01-1、S01-2與S01的距離，m；

R——影響半徑，m。

根據(jù)上述公式，求得砂層和巖層的水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)，具體結(jié)果見表1。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]，含水層的透水性根據(jù)滲透系數(shù)K按規(guī)范中表10.3.5的規(guī)定劃分(見表2)。

表1 抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

表2 含水層透水性統(tǒng)計(jì)

從表1和表2結(jié)果分析可得：

車站試驗(yàn)深度范圍的砂土層的滲透系數(shù)平均值為24.1 m/d。最大降深3.0 m對(duì)應(yīng)抽水影響范圍半徑為155.5 m；巖層的滲透系數(shù)平均值為0.18 m/d。最大降深8.0 m對(duì)應(yīng)抽水影響范圍半徑為31.5 m。

砂土層中粗砂<3-2>、礫砂<3-3>分布于沖—洪積平原，含少量粉黏粒，是第四系孔隙水的主要含水層，上部常有黏性土層覆蓋，具有一定的承壓性。按照表1所示，滲透系數(shù)K平均值為24.1 m/d，透水性為強(qiáng)透水。巖層中風(fēng)化碎屑巖<8-2>主要賦存巖溶裂隙水，滲透系數(shù)K平均值為0.18 m/d，透水性為弱透水。

場地地下水復(fù)雜且水位較高，車站主體結(jié)構(gòu)部分深基坑降水困難，基坑涌水量較大。設(shè)計(jì)、施工需充分考慮止水、排水及降水措施，一旦止水措施不當(dāng)，在降水過程中會(huì)導(dǎo)致車站基坑周圍建筑物發(fā)生變形，甚至?xí)鸹又苓叞l(fā)生地面沉降、塌陷等風(fēng)險(xiǎn)，可采用高壓旋噴樁或靜壓注漿在鉆孔灌注樁間或地下連續(xù)墻槽間進(jìn)行止水，也可在樁后采用深層攪拌樁或高壓定(擺)噴墻作為截水帷幕。施工過程中需加強(qiáng)鄰近建構(gòu)筑物、地下水、重要管線等監(jiān)測(cè)，確保安全施工。

3 結(jié)論及建議

1) 抽水水試驗(yàn)作為地鐵工程設(shè)計(jì)中對(duì)地下水評(píng)價(jià)時(shí)經(jīng)常用到的一種原位試驗(yàn)方法，本文對(duì)試驗(yàn)的基本方法、基本條件進(jìn)行了比較詳細(xì)的論述，同時(shí)給出了抽水試驗(yàn)在廣州地鐵工程中應(yīng)用的完整步驟以及其水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算原理?？梢詽M足目前地鐵勘察工程實(shí)際需求，建議推廣使用。

2) 本車站為深基坑工程，場地水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)施工影響較大。在廣州地區(qū)，基坑降水作為地鐵車站地下工程建設(shè)中的必備環(huán)節(jié)，通過抽水試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，確定水位下降速度、單位時(shí)間涌水量、滲透系數(shù)、影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù)能進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)施工的降水方案，提出確實(shí)可行的止水、排水及降水措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保安全施工。

3) 在地鐵工程設(shè)計(jì)及施工過程中，含水層的水文地質(zhì)參數(shù)是重要的基礎(chǔ)資料，受限于工程野外地質(zhì)勘察工期，未能綜合統(tǒng)計(jì)分析在地下水在枯、豐水期的抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果求得地鐵工程水文地質(zhì)參數(shù)。后續(xù)工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合不同工程場地工程區(qū)域地質(zhì)條件情況，布置現(xiàn)場抽水試驗(yàn)(適當(dāng)增加增密)，綜合抽水時(shí)間、抽水量、水位降深等的影響，同時(shí)用不同方法求解參數(shù)值進(jìn)行比較，選取合理的水文地質(zhì)參數(shù)值，可為車站基坑降水工程施工設(shè)計(jì)方案提供重要依據(jù)。