抽水試驗(yàn)在盾構(gòu)井中預(yù)測涌水量的應(yīng)用研究

莫任冬

(廣東省地球物理探礦大隊，廣東 廣州 510800)

0 引言

近年來，隨著我國城際軌道交通高速發(fā)展，盾構(gòu)挖掘技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，但盾構(gòu)井所處水文地質(zhì)條件往往復(fù)雜多變，涌水量預(yù)測與實(shí)際情況相比相差較大，因此需要不斷積累盾構(gòu)井涌水量預(yù)測模型，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為軌道挖掘提供水文地質(zhì)參數(shù)[1-4]。本文以廣州某城際軌道交通盾構(gòu)井抽水試驗(yàn)為實(shí)例，查明工區(qū)各地層含水性、透水性、富水性，進(jìn)一步摸清工區(qū)地表水與第四系孔隙水之間、第四系孔隙水與基巖裂隙水之間的水力聯(lián)系程度，通過分層抽水試驗(yàn)分析，采用均質(zhì)含水層承壓～潛水非完整井簡化的基坑涌水量模型預(yù)測盾構(gòu)井涌水量，為后期盾構(gòu)挖掘涌水防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工區(qū)概況

工區(qū)位于廣州市海珠區(qū)官洲街道侖頭環(huán)村南路，屬于珠江河口沖淤積區(qū)，地形低洼、平坦，周邊河網(wǎng)水系發(fā)育，地表水體發(fā)育、河涌密布。工區(qū)南部與珠江近在咫尺，直線距離約60 m；西面為珠江另一支流，直線距離約750 m。工區(qū)所處位置比較特殊，位于珠江洲心小島之沖積地貌中，四周為珠江及其支涌環(huán)繞，其中珠江從工區(qū)南側(cè)附近流過，工區(qū)水文地質(zhì)邊界：東、南、西三面為震旦系基巖，北面為震旦系與白堊系基巖，并處于廣三斷裂、沙河斷層、北亭端側(cè)等區(qū)域斷裂的影響范圍內(nèi)，斷裂構(gòu)造對基巖裂隙水有一定的影響。

工區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水兩類，第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系沖積粗砂層中[5]，鉆井揭露厚度為14.80～17.50 m，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.68～1.92 m，埋藏淺，屬潛水(局部承壓)。塊狀巖類裂隙水主要賦存于震旦紀(jì)混合花崗巖節(jié)理裂隙中。根據(jù)鉆井資料，強(qiáng)～微風(fēng)化花崗巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，局部較發(fā)育，裂隙以閉合或微裂隙為主，透水性較弱～較強(qiáng)，富水性為貧乏～中等。

地表水與第四系松散巖類孔隙水相互間的水力聯(lián)系較為密切，相互補(bǔ)給，另外，第四系孔隙潛水還受潮汐的漲退影響明顯。第四系松散巖類孔隙水與基巖裂隙水間通過垂直下滲及越流形式補(bǔ)給，水力聯(lián)系受兩者之間的地層透水性、厚度、地形條件，甚至構(gòu)造條件等諸多因素控制[6]。大氣降水是地下水主要的補(bǔ)給來源，次為江河側(cè)向補(bǔ)給，另外漲潮也有一定的補(bǔ)給作用[7]。工區(qū)降雨充沛、地處珠江沖積區(qū)、地形低洼，補(bǔ)給條件好同時也受到漲潮有頂托，徑流、排泄條件差。地下水的動態(tài)變化受季節(jié)性、漲退潮等因素影響，地下水位年變幅在1.5～3.0 m之間。

2 抽水試驗(yàn)

2.1 抽水井結(jié)構(gòu)

本次布設(shè)2口抽水主井，分別是砂層孔隙水抽水井(編號：ZK1)，基巖裂隙水抽水井(編號：ZK2)及2口觀測井，分別是砂層孔隙水觀測井(編號：GC1)、基巖裂隙水觀測井(編號：GC2)，抽水試驗(yàn)的井點(diǎn)布置見圖1。鉆井施工設(shè)備采用XY-1型油壓鉆機(jī)，鉆探施工基本工藝(方法)是：采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與錘擊鉆進(jìn)相結(jié)合、泥漿護(hù)壁或跟管鉆進(jìn)相協(xié)調(diào)的工藝施工，使用合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)。工區(qū)按第四系松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水分層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，并在抽水井分別進(jìn)行三次降深抽水試驗(yàn)，記錄附近觀測井的水位變化[8]。

(1)砂層孔隙水抽水井(編號：ZK1)：孔深0～34.20 m，口徑為350 mm。其中，深度0～14.37 m，下入直徑為210 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為14.60 m(高出地面0.23 m)；深度14.37～32.37 m，下入直徑為210 mm過濾管，井管材料為鉆眼PVC塑料管，井管長度為18.00 m；深度32.37～34.20 m段，下入直徑為210 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為1.83 m。井管外(孔身內(nèi))全部填入碎石。

(2)基巖裂隙水抽水井(編號：ZK2)：孔深0～37.30 m，口徑為170 mm。其中，深度0～37.30 m段，下入直徑為130 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為37.56 m(高出地面0.26 m)，井管外(孔身內(nèi))填入粘土球止水；孔深37.30～50.10 m，口徑為91 mm，未下入井管，屬于自然井壁。

(3)砂層孔隙水觀測井(編號：GC1)：孔深0～33.35 m，口徑為170 mm。其中，深度0～13.35 m段，下入直徑為110 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為13.60 m(高出地面0.25 m)；孔深13.35～29.35 m段，下入直徑為110 mm過濾管，井管材料為鉆眼PVC塑料管，井管長度為16.00 m；深度29.35～33.35 m段，下入直徑為110 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為4.00 m。井管外(孔身內(nèi))全部填入碎石。

(4)基巖裂隙水觀測井(編號：GC2)：孔深0～39.60 m，口徑為130 mm。其中，深度0～39.60 m段，下入直徑為110 mm井管，井管類型為套管，套管材料為PVC塑料管，井管長度為39.75 m(高出地面0.15 m)，井管外(孔身內(nèi))填入粘土球止水；孔深39.60～47.00 m，口徑為75 mm，未下入井管，屬于自然井壁。

圖1 抽水試驗(yàn)井點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖2 砂層孔隙水抽水井(ZK1)抽水試驗(yàn)S-t曲線 圖3 砂層孔隙水抽水井(ZK1)抽水試驗(yàn)Q-t曲線

圖4 砂層孔隙水抽水井(ZK1)抽水試驗(yàn)Q-s曲線 圖5 基巖裂隙水抽水井(ZK2)抽水試驗(yàn)S-t曲線

圖6 基巖裂隙水抽水井 圖7 基巖裂隙水抽水井(ZK2)抽水試驗(yàn)Q-t曲線 (ZK2)抽水試驗(yàn)Q-s曲線

2.2 抽水試驗(yàn)結(jié)果

本次抽水試驗(yàn)，抽水設(shè)備采用深井潛水泵，動力采用20 kw柴油發(fā)電機(jī)供電，水量觀測工具采用標(biāo)定過的水表和三角堰，水位觀測工具采用萬能表電測式觀測[9-10]。采用多孔抽水試驗(yàn)，將砂層孔隙水和基巖裂隙水進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，各抽水孔段、降深[11]、時間詳見表1和表2。

利用本次抽水試驗(yàn)，繪制了砂層孔隙水流量、降深與時間抽水試驗(yàn)曲線圖：S-t、Q-t、Q-s(圖2～圖4)和基巖裂隙水的流量、降深與時間曲線圖：S-t、Q-t、Q-s(圖5～圖7)

表2 基巖裂隙水抽水井試驗(yàn)成果表

2.3 滲透系數(shù)及影響半徑計算

第四系砂層孔隙水：根據(jù)抽水試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)資料，按以下有一個觀測孔潛水完整井穩(wěn)定流、承壓水完整井穩(wěn)定流公式計算水文參數(shù)滲透系數(shù)(K)、影響半徑(R)，計算結(jié)果如表3和表4。

有一個觀測孔的潛水完整井滲透系數(shù)計算公式：

(1)

有一個觀測孔的潛水完整井影響半徑計算公式：

(2)

有一個觀測孔的承壓完整井滲透系數(shù)計算公式：

(3)

有一個觀測孔的承壓完整井影響半徑計算公式：

(4)

式中：Q為涌水量(m3/d)；H為天然情況下潛水試驗(yàn)段的平均厚度(m)；Sw為穩(wěn)定水位降深值(m)；S1為觀測井降深值(m)；r1為觀測孔穩(wěn)定水位降深值(m)；rw為鉆孔半徑(m)。

表3 砂層孔隙水水文參數(shù)計算表

表4 基巖裂隙水水文參數(shù)計算表

3 盾構(gòu)井涌水量預(yù)測

盾構(gòu)井?dāng)M采用明挖法施工，可類比基坑開挖，考慮到施工時，必須先進(jìn)行支護(hù)及阻截水工程，所以采用坑底進(jìn)水計算公式[12]。計算公式采用國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)[13-15]附錄E的均質(zhì)含水層承壓水完整井的基坑降水總涌水量計算(圖8)，公式如下：

(5)

根據(jù)表3、表4，計場地砂層孔隙水滲透系數(shù)平均值為4.63 m/d，基巖裂隙水滲透系數(shù)平均值為0.30 m/d，基坑底坐落在震旦紀(jì)混合花崗巖，滲透系數(shù)(k)應(yīng)根據(jù)鉆井地層巖性滲透系數(shù)加權(quán)平均求得，進(jìn)而求得盾構(gòu)井總涌水量[16](見圖8)，假設(shè)基坑長約45 m，寬約30 m，含水層厚度38 m，水位降深40 m，綜合滲透系數(shù)取4.0，計算結(jié)果見表5。

圖8 均質(zhì)含水層承壓水完整井簡化的基坑涌水量計算

表5 涌水量計算一覽表

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本次盾構(gòu)井預(yù)測涌水量，采用收集資料、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)(帶觀測孔抽水試驗(yàn))等綜合方法進(jìn)行，基本查明了工區(qū)地表水、第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水之間的水力聯(lián)系情況。

(1)工區(qū)地下水類型包括第四系松散巖類孔隙水和塊狀巖類裂隙水兩種，其中松散巖類孔隙水富水性中等～豐富；塊狀巖類裂隙水的富水性貧乏～中等，工區(qū)處于上述復(fù)雜的地下環(huán)境中，地下水對建設(shè)工程影響大，尤其是對盾構(gòu)挖掘工程，綜合評定其水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為復(fù)雜。

(2)影響盾構(gòu)井涌水量的因素有很多，主要包括圍巖滲透特性、涌水水頭壓力、基巖裂隙發(fā)育程度、方向及充填狀態(tài)、地應(yīng)力垂向分布特性、大氣降水、周邊斷裂構(gòu)造、施工工法等均有關(guān)系，故上述各類條件下的涌水量均根據(jù)抽水試驗(yàn)資料判別和計算的預(yù)估值，僅供參考，實(shí)際施工時，涌水量可能會與預(yù)估有出入，應(yīng)根據(jù)上述條件的變化，結(jié)合施工中已積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的涌水量預(yù)測模型，以便確保施工順利進(jìn)行。

4.2 建議

(1)工區(qū)地處珠江附近，地表水發(fā)育、地下水豐富，水力聯(lián)系密切，水文地質(zhì)邊界條件復(fù)雜，鄰近又有侖頭隧道，由于第四系孔隙水水量豐富，且與地表水聯(lián)系密切，盾構(gòu)井施工開挖需要進(jìn)行排水，形成水頭壓力差，巖土層中的土粒在地下水動水壓力作用下，沿地下水運(yùn)移通道受到?jīng)_刷、運(yùn)移、潛蝕，使土體結(jié)構(gòu)破壞，可能會形成管涌，對基礎(chǔ)、基坑(槽)坑壁及底板造成破壞，極易引發(fā)基坑失穩(wěn)，因此，盾構(gòu)井基坑必須做好支撐及阻截水工作。由于深基坑開挖時須進(jìn)行大量的抽、排地下水，建議施工時對地面已有建(構(gòu))筑物，特別是侖頭隧道、地下管網(wǎng)及基坑水平、垂直位移等進(jìn)行有效的監(jiān)測工作，做到信息化施工，確?；拥恼Ｊ┕ぜ捌渌?構(gòu))筑物的安全正常使用。

(2)工區(qū)第四系孔隙水水量豐富、透水性強(qiáng)，豐富的第四系孔隙水可對基礎(chǔ)鉆沖孔樁用來護(hù)壁的泥漿起到稀釋作用，嚴(yán)重的造成泥漿大量漏失，可能會造成孔璧坍塌；對樁基施工、成樁質(zhì)量有影響。地下水控制措施可采用截水，即利用截水帷幕切斷基坑外的地下水流入基坑的內(nèi)部，截水帷幕可采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。