地下水對通過含水砂層段暗挖隧道施工的影響及控制方案研究

曹軍輝，李克建，劉迎松

（青島地礦巖土工程有限公司,山東 青島266071）

1 工程概況

青島市紅島—膠南城際（井岡山路—大珠山段）軌道交通工程是青島市軌道交通線網(wǎng)“一環(huán)四線”中服務(wù)西海岸的軌道交通快線，簡稱R3線。線路位于青島市西海岸新區(qū)，總體呈東北—西南走向。線路起于開發(fā)區(qū)的嘉陵江路站，經(jīng)由經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、靈山灣影視文化產(chǎn)業(yè)區(qū)、新區(qū)中心區(qū)、古鎮(zhèn)口創(chuàng)新示范園、董家口經(jīng)濟區(qū)，終于董家口火車站。本項目為沿線各重點功能區(qū)、重點發(fā)展區(qū)及組團間提供方便快捷的交通方式，與地鐵M6線、R2線、M1線實現(xiàn)換乘，對引領(lǐng)城市發(fā)展，全面支持西海岸經(jīng)濟新區(qū)的建設(shè)，快速聯(lián)系西海岸五大功能板塊，通過與膠州灣環(huán)線的換乘，實現(xiàn)與軌道交通線網(wǎng)的有機結(jié)合。

一期工程正線線路全長28.803km，設(shè)車站12座，其中：地下站7座，高架站5座，平均站間距2.55km。設(shè)靈山衛(wèi)停車場1處，出入線長0.782km，全部為地下線，由靈山衛(wèi)站東端接軌。本文依托青島市城際軌道R3號線工程勘察一標(biāo)段嘉年華至靈山衛(wèi)站區(qū)間段，起點位于濱海大道與東港路交匯處，向西平行濱海大道行走，跨越臥龍河后折向西南，緊鄰濱海大道至靈山衛(wèi)公交樞紐站附近折向西行走，逐漸遠(yuǎn)離濱海大道并入泰山東路，而后沿泰山東路走行進(jìn)入城區(qū)，接入靈山衛(wèi)站。區(qū)間設(shè)計里程YCK11+733.7～YCK13+997.1，長約2263.4m。本區(qū)間隧道底板標(biāo)高-22.12～-9.15m，底板埋深12.5～45.4m。

2 依托工程的工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

擬建場地地貌類型主要為濱海堆積區(qū)及構(gòu)造剝蝕區(qū)，局部位于山麓斜坡堆積區(qū)，地形中間高兩頭低，地勢起伏較大，地面高程4～28m。

2.2 地層巖性

通過鉆探揭示，依托工程場區(qū)第四系厚度11.7～18m，主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、全新統(tǒng)海積層（Q4m）、全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）組成?；鶐r為白堊系青山群角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖（KQs），受次生構(gòu)造影響，部分區(qū)域揭露相應(yīng)巖性的構(gòu)造巖。

根據(jù)本次勘察揭示情況，共揭示了21個巖土層，主要土層包括：

（1）第四系。依托工程場地揭露的主要第四系土層包括：第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海積層（Q4m）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl），大致表現(xiàn)為粉質(zhì)粘土與中粗砂互層結(jié)構(gòu)。

（2）基巖。由于青島市城際軌道R3號線勘察一標(biāo)段全長約9km，線路沿線揭露有中生代燕山晚期（γ53）、白堊系青山群（KQs）等多個地質(zhì)時代的巖層，該區(qū)間場地內(nèi)基巖以角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖為主。場地受周邊斷裂構(gòu)造帶的影響，多揭露有擠壓破碎帶，同時周邊基巖受其影響均呈現(xiàn)出在水平、豎向上的礦物蝕變程度不均勻，節(jié)理、裂隙發(fā)育不均勻的斷裂構(gòu)造巖（節(jié)理發(fā)育帶）的特征。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本次勘察勘探揭示情況，影響本場地的斷裂構(gòu)造有積米崖斷裂、靈山衛(wèi)斷裂、大岔口斷裂，上述斷裂帶均為滄口斷裂的派生斷裂，形成于中生代末期，具多期活動的特征。線路在YCK12+395（ZCK12+407）附近通過F2積米崖斷裂帶，勘探揭示該斷帶寬，以砂土狀、塊狀碎裂巖為主，局部可見綠泥石、綠簾石化及斷層泥礫，斷裂帶傾角、走向依據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件及調(diào)繪、勘察成果綜合確定；受該斷裂帶影響，近場區(qū)也多發(fā)育塊狀碎裂巖及節(jié)理密集帶，帶寬一般5～20m。

3 依托工程水文地質(zhì)條件

3.1 地下水概況

根據(jù)地下水補給埋藏條件及水化學(xué)類型等特征，將擬建場地水文地質(zhì)單元劃分為2個水文地質(zhì)單元，其中區(qū)間起點至YCK12+400段、YCK13+550至區(qū)間終點段為濱海松散巖類孔隙水分布區(qū)，地下水類型主要為潛水、承壓水和基巖裂隙水；YCK12+400～YCK13+550段為低山丘陵松散巖類孔隙水分布區(qū)，地下水類型主要為潛水和基巖裂隙水。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，結(jié)合周邊既有工程經(jīng)驗及場區(qū)環(huán)境條件綜合分析，擬建場地地下水位綜合年變幅約為2.0m。

3.2 水文地質(zhì)試驗及地層滲透性

本次詳細(xì)勘察共進(jìn)行了3個孔的抽水試驗，初勘進(jìn)行了3個孔的抽水試驗，補勘進(jìn)行了3個孔的抽水試驗，共9個孔的抽水試驗。有關(guān)抽水成果統(tǒng)計如表1所示。

表1 抽水試驗統(tǒng)計表

本場區(qū)第四系孔隙潛水的抽水試驗主透水層為含淤泥中、粗砂、中、粗砂,第四系孔隙承壓水的抽水試驗主透水層為中、粗砂、含粘性土粗、礫砂及碎石。

潛水的滲透系數(shù)計算依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》公式（8.2.1－3）完整井抽水試驗公式，計算模型如下：

承壓水的滲透系數(shù)計算依據(jù)依據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》公式（8.2.1－1）完整井抽水試驗公式，計算模型如下：

式中：Q——出水量，m3/d；

K——滲透系數(shù)，m/d；

r——過濾器半徑，m；

s——水位下降值，m；

Ry——含水層半徑，m；

H——自然狀況下潛水含水層厚度，m；

M——承壓水含水層厚度，m；

h——潛水層在抽水試驗時的厚度，m。

抽水試驗結(jié)果為：第四系孔隙潛水綜合滲透系數(shù)1.128～40.778m/d，屬強透水性；第四系孔隙承壓水綜合滲透系數(shù)0.585～12.359m/d，屬強透水性；基巖裂隙水綜合滲透系數(shù)0.189～1.664m/d，屬中等透水性。

4 地下水影響分析與控制方案

4.1 典型地質(zhì)斷面

(1)典型斷面（一）。區(qū)間通過臨河區(qū)域典型斷面,如圖1所示，洞身位于中風(fēng)化巖層中，但洞頂覆巖較薄，僅為1.5m厚的強風(fēng)化巖層，上面緊鄰強透水性的砂層。施工通過該區(qū)域時，在爆破此類上軟下硬地層時，極易造成洞頂坍塌，造成冒頂事故，地下水隨泥砂涌入隧道。該區(qū)間類似工程地質(zhì)條件長度約640m，是本區(qū)間施工的重點難點。

(2)典型斷面（二）。該區(qū)間通過F2斷裂時，同時通過臥龍河附近，該位置洞身部分位于碎裂巖中，巖層上方直接接觸第四系強透水性砂層，如圖2所示。隧道施工時，地下水極易通過斷層裂隙面進(jìn)入隧道，嚴(yán)重時造成局部坍塌，引起地下水混泥砂進(jìn)入隧道。該類工程地質(zhì)條件本區(qū)間有多處揭露，也為本區(qū)間的施工重點難點。

(3)典型斷面（三）。區(qū)間隧道洞頂直接位于第四系含水砂層中，如圖3所示。該區(qū)域隧道施工，采用礦山法極其困難。洞頂極易坍塌，地下水伴隨泥砂涌入隧道，造成事故。本區(qū)間施工的最難點。

圖1 洞頂緊鄰砂層典型斷面

圖2 隧道經(jīng)過斷裂影響帶典型斷面

圖3 隧道洞頂穿越砂層典型斷面

4.2 對區(qū)間隧道綜合影響分析評價

根據(jù)本次勘察結(jié)果，YCK11+800～YCK12+620、YCK13+550～YCK13+690段主要位于濱海堆積區(qū)，局部位于山麓斜坡堆積區(qū)，隧道拱頂埋深約13.7～30m，上覆為第四系人工填土、粘性土、中、粗砂及含粘性土粗、礫砂，厚4.7～16.6m，下伏白堊系青山群角礫凝灰?guī)r。隧道洞身主要位于角礫凝灰?guī)r強—微風(fēng)化帶，局部位于第⑥層粉質(zhì)粘土、第?層粉質(zhì)粘土中，受區(qū)域構(gòu)造影響，角礫凝灰?guī)r節(jié)理密集帶及砂土狀、塊狀碎裂巖較發(fā)育，圍巖等級Ⅳ2—Ⅵ級。地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖風(fēng)化裂隙水，水量較大；在局部發(fā)育節(jié)理密集帶及構(gòu)造碎裂巖地段，地下水類型主要為基巖構(gòu)造裂隙水，受巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及匯水條件影響，其水量及圍巖透水性差異較大。隧道開挖過程中，巖土層失水后會引起地表沉降、地面建（構(gòu)）筑物開裂等問題,止水不當(dāng)極易造成洞頂坍塌，地下水伴隨泥砂涌入隧道，造成事故。

4.3 地下水控制方案建議

該區(qū)間段地下隧道Y(Z)CK11+800～Y(Z)CK12+440屬于典型斷面（一）的工程地質(zhì)條件，建議考慮采用洞內(nèi)止水帷幕注漿，必要時進(jìn)行地面高壓旋噴輔助注漿止水。Y(Z)CK12+400附近區(qū)域?qū)儆诘湫蛿嗝妫ǘ┑墓こ痰刭|(zhì)條件，建議考慮采用洞內(nèi)止水帷幕注漿，同時加強超前支護(hù)，必要時采用管棚。Y(Z)CK13+615～Y(Z)CK13+690段屬于典型斷面（三），須進(jìn)行地面高壓旋噴注漿止水，同時采用管棚加注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，對地表沉降進(jìn)行實時監(jiān)測?？煽紤]改為明挖法或盾構(gòu)法施工。

4.4 防滲方案建議

根據(jù)該區(qū)間段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境條件，建議采用防水型隧道，在隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間應(yīng)鋪設(shè)防水板，并設(shè)系統(tǒng)盲管（溝），圍巖破碎、富水、易坍塌地段可考慮采用注漿加固圍巖和防水的措施，二襯應(yīng)采用防滲混凝土，并應(yīng)連續(xù)灌筑，二襯的施工縫、沉降縫、伸縮縫應(yīng)采取可靠的防水措施。

5 施工過程中水位觀測驗證

5.1 地表止水效果明顯

該區(qū)間通過含水砂層區(qū)域，設(shè)計方案采用了地表注漿止水，效果明顯，施工期間洞內(nèi)地下水基本無滲漏，地下水水位，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。觀測結(jié)果如圖4所示。

5.2 洞內(nèi)帷幕注漿止水偶有滲漏

由于地表注漿條件限制，部分地段采用了洞內(nèi)帷幕注漿措施。洞內(nèi)帷幕注漿，是硐室開挖后對后方巖土層進(jìn)行的，在注漿過程中也會引起地下水滲漏，如圖5所示。該區(qū)域洞內(nèi)注漿時，地下水滲漏未能及時控制，地下水在注漿過程中出現(xiàn)明顯的水位下降，變幅1m，隨著注漿的完成，地下水水位恢復(fù)，因快速注漿地下水水位出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

圖4 地表注漿止水區(qū)域地下水位觀測曲線

圖5 洞內(nèi)注漿止水區(qū)域地下水位觀測曲線

6 結(jié)論

（1）該區(qū)間段經(jīng)過濱海堆積區(qū)，地下水控制是本區(qū)間暗挖施工的重點難點。

（2）研究區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水和承壓水，地下水豐富，地層透水性強。

（3）建議對透水性強且水量較大區(qū)域，宜采用洞內(nèi)止水帷幕注漿，同時加強超前支護(hù)，必要時采用管棚。個別地段須進(jìn)行地面高壓旋噴注漿止水，同時采用管棚加注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，對地表沉降進(jìn)行實時監(jiān)測?？煽紤]改為明挖法或盾構(gòu)法施工，以保證施工安全。

（4）通過后期施工時局部漏水現(xiàn)象，表明此類地層和洞身位置關(guān)系，最好的止水方式為地表注漿，其次為洞內(nèi)帷幕注漿。

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