沈阳市地铁1号线铁西广场—兴工北街区间水文地质条件分析

梁永国

(广东省工程勘察院，广东广州 510510)

在工程地质勘察过程中，水文地质问题显得尤为重要，然而在实际中却容易被忽视，《岩土工程勘察规范》GB50021—2001中明确了地下水勘察要求。事实上，水文地质和工程地质二者关系密切，互相联系和互相作用，地下水既是岩土体组成部分，直接影响岩土体工程特性，同时又是基础工程的地质环境，影响建筑物稳定性和耐久性。特别对于地下工程，比如城市地铁交通轨道工程，地下水的作用成为工程成功与失败的关键因素，必须进行专门的水文地质勘察。以沈阳市1号线线铁西广场—兴工北街两个站位区间地下水勘察为例，浅析该区间CK9+546.30～CK10+869.30地下水特征与地铁修筑工程的相互关系。

1 水文地质条件概述

1.1 地表水文特征

沈阳城区主要地表水体为浑河，在城南由东向西流过。据浑河沈阳站1970～2000年31年系列资料，多年平均流量 45.90m3/s，最大流量为 152m3/s(1995年)，最小流量为16.6m3/s(1990年)。浑河沈阳站2001年最大流量为760m3/s(8月7日)，最小流量为3.48m3/s(7月18日)，年平均流量14.6m3/s;2002年最大流量为292m3/s(5月3日)，最小流量为8.61m3/s(11月28日)，年平均流量为27.9m3/s。另有南运河、北运河和卫工明渠，均为人工地表水体，受人为控制。

1.2 水文地质条件概述

(1)地下水赋存条件

浑河冲洪积扇由新老两扇叠置而成，其地下水赋存条件与古地貌、地层成因，结构及水理性质密切相关，整个浑河冲洪积扇蕴含丰富地下水，从扇顶到扇尾，含水层厚度逐渐增大，其中沈阳站一带因基底凸起，厚度变小。水平向上岩相颗粒由东向西沉积物粒径由粗变细，东部以卵石、圆砾为主，西部渐变为以砂砾为主;垂向上，由单层结构逐渐变为多层结构;含水层水量亦相对由极丰富变为丰富。

根据地下水赋存条件、水理性质和含水层结构特征，将该区间地下水类型划分为松散岩类孔隙潜水和松散岩类孔隙微承压含水层。第四系浑河新扇粉质黏土层和上更新统浑河老扇粉质黏土层组成相对隔水层。

(2)地下水补给、径流及排泄

地下水补给主要为周边区域地下水侧向径流补给和垂向上大气降水入渗补给。由于冲积、冲洪积扇土层分布不均一性，相对隔水黏性土层往往呈现透镜体状，使两类含水层之间经天窗联通。另外，由于区段内分布有各类自备井，也人为使两层地下水联通。

地下水径流条件好，地下水总体由东向西流，从南市站到启工街站水力坡度约为0.88‰，但人为开采地下水严重，使得局部地段地下水流向有所变化。地下水排泄方式主要为向下游径流排泄和人工开采。

(3)区段地下水位动态影响因素

该区地下水系统输入方式可分为天然输入和人工输入两大类型。天然输入包括浑河渗漏、降水入渗、地下径流流入、渠道入渗等。人工输入有市政水源开采、工业自备井开采。

①河水入渗

由于浑河水与区内砂砾卵石层孔隙潜水含水层有密切水力联系，加之在开采条件下河水位普遍高于地下水位，使之河水在全年内(枯、平、丰水期)通过垂向和侧向入渗补给地下水。

②降水入渗补给

降雨入渗补给量大小与区内地形、包气带岩性、潜水埋深、降水特征等因素有关。本区地形平坦，坡度较小，利于降水入渗，但由于市区为建筑物和柏油马路覆盖，降雨入渗补给受到影响。

③径流补给排泄

本区地下径流补给主要集中于东部浑河新冲洪积扇之顶部地段、北部边界一带及西部边线地段。补给坡度东西部分别为0.002 21、0.002 84，北部平均为0.002 42。东、西部地区主要接收浑河高低漫滩孔隙潜水与一级阶地孔隙微承压水之补给，地下径流排泄主要集中于西部边界。

④人工渠道入渗补给

本区段存在卫工明渠，南北走向。明渠宽约20m，水深约 0.5m，渠底高程为 36.16m，渠断面为2.4m×2.2m。从观测稳定水位来看，地下水流向从东往西，而在明渠两侧地下水流水位略低于周边钻孔中地下水水位，表明卫工明渠与地下水在本次勘察部位水力联系较微弱。

⑤水人工开采

区内人工开采主要有市政水源井、工业自备井。

(4)区段地下水位变化特征

①水位年内变化特征

区内地下水位变化，一般每年有一个峰值和一个谷值。峰值一般出现在每年8、9月份，此时段为降水量较大的丰水期;谷值一般出现在每年5、6月份，为枯水期。由于地下水系统结构差异和气象水文因等、人为因素影响程度不同，各亚系统输出特征亦有所差异。区段地下水等水位线见图1、图2。

图1 区段地下水等水位线(2002年5月)

图2 区段地下水等水位线(2002年9月)

根据地下水开采类型分为径流开采类型区和人为开采类型区，其地下水位变化规律如下。

径流开采类型区:该类型区主要受径流开采因素影响。地下水位从年初开始缓慢下降，由于工业自备井开采影响，5～6月水位达到最低值;6月末以后，由于进入雨季，侧向地下径流增加，水位抬升，7～9月达到峰值，10月末水位又开始下降。年内水位变幅大，一般为2～3m，大者可达4～5m。历年水位趋于稳定，见图3。

图3 周边利用水文孔2002年地下水位变化曲线

人为开采类型区:主要分布于铁西区于洪水源等地。该动态类型区完全受人工过量开采所控制，地下水动态自然周期变化规律已遭到严重破坏。1～3月地下水位略高，年末水位与全年比较处于最低值。年内水位变幅1～2m。其动态曲线呈波浪状下降。

②地下水位年际变化特征

由于天然和人为因素输入强度分布不均匀，输出响应的地下水位变化也较大，下面按区内地下水系统各亚系统(地貌单位)分别阐述。

位于上游段东部漏斗中心的周边利用水文孔，1994年后一直处于上升，尤其是1997年后是快速提升之势，升高达10m，其原因是地段工业自备井可采量大量减少所致。位于铁西漏斗区边缘周边利用水文孔，从1982年始至1999年，其水位逐渐从22.5m一直上升至40m，上升幅度达17.5m，其主要原因铁西漏斗区及与该孔邻近原大东漏斗区工业自备井开采皆大量减少所致。位于原大东漏斗西北、铁西漏斗东北边缘周边利用水文孔，从1984年至2000年其孔位高程始终稳定34.8～35.5m之间，特别是1994年以来有所回升，具体情况见图4。

图4 区段内多年地下水位变化曲线

③区段内地下水位降落漏斗演变特征

随着区内地下水开采量逐年变化和地下水位下降，以市政水源和工业自备井集中地区为中心，逐渐形成了水位下降漏斗。

1962年西部漏斗中心在铁西兴华造纸厂一带，漏斗面积为37.1 km2，至1980年以31m线形成封闭漏斗。1989年从青年大街、松江、北陵湖一带32m水位线为分水岭仍存在东、西两大漏斗区。1996年以青年大街、松江、陵东一带38m水位线为分水岭仍存有东西两漏斗。漏斗中心移至于洪水源地区，中心水位高程为19.13。2000年因原东部漏斗区内工业自备井开采量减少，38m水位线穿过，在东北六药厂绕过南塔水源向坝南2号井穿河而过，从而形成以37m线为分水岭，以西部漏斗为主的东西两个漏斗。南部新漏斗区中心位于于洪水源地和李官堡水源。

整个地区由北向南、向西已呈现居高临下补给态势。原西部漏斗区漏斗中心已由原兴华造纸厂向西、西南移至于洪、李官堡水源地段。河北、芳士、丁香、塔湾、中山、太原等水源地带已从漏斗中被剥离。漏斗区内地下水位除于洪、李官堡水源呈下降趋势外，其他地段均有上升，其上升幅度为2～9m。其中以铁西工业自备井集中开采地段上升幅度较大。

2 场地水文地质条件

勘察期间各钻孔均见地下水，在CK9+546.30～CK9+820段见两层地下水，第四系浑河新扇冲洪积粉质黏土层为隔水层，层厚1.20～2.00m。上层地下水赋存于全新统浑河高漫滩冲积砾砂层中，属孔隙潜水含水层，初见水位埋深为7.80～8.80m，稳定水位埋深为7.90～8.61m，水温12.7℃～16.0℃;下层地下水赋存于第四系浑河新扇冲洪积中粗砂、砾砂层中，属孔隙微承压水，承压水头埋深为9.00m(SA－42－1孔，2003年10月15日);在CK9+820处粉质黏土层尖灭，使下层微承压含水层与上层潜水含水层相通而水力联系密切。

在CK9+820～CK10+869.30段，由于上更新统浑河老扇粉质黏土层分布不连续，地下水主要赋存于第四系砾砂层中，属孔隙潜水含水层，其初见水位埋深为7.80～9.70m，稳定水位埋深为7.80～9.50m，水温10.0℃～15.0℃。另外，CK10+334.77处 ZX－0622钻孔初见水位为2.20m，为上层滞水。

2.1 水文地质参数计算

为了解含水层富水性，在SA－42、SA－43孔分别进行了现场稳定流和非稳定流抽水试验，水文地质参数见表1、表2。

表1 含水层水文地质参数一览

表2 含水层水文地质参数一览

2.2 渗透系数选用

该区间各类土层渗透系数选用，采取室内渗透试验、现场抽水试验和地区经验综合确定，场地综合渗透系数由现场混合抽水试验确定。具体选用见表3、表4。

2.3 隧道涌水量预估

(1)预估模型

由于水文地质条件存在差异性，不同地段隧道涌水量是不同的，故分段估算比较合理。在分段概化水文地质条件时需同时满足三个条件:

①含水层性质基本相同(即含水层渗透系数差别不大)，可以合并;

表3 CK9+546.30～CK9+820段地层渗透系数(k)选用

表4 CK9+820～CK10+869.30段地层渗透系数(k)选用

②含水层厚度基本相同(即地下水位至含水层底厚度相差不大);

③水位降深基本相同(即隧道结构底板与地下水位距离相差不大)。

据此可将本区间划分两段:CK9+546.30～CK9+820段，含水层地层岩性主要为全新统浑河高漫滩和第四系浑河新扇中粗砂、砾砂和圆砾层;CK9+820～CK10+869.30段，含水层地层岩性主要为第四系浑河新扇和上更新统浑河老扇粉质黏土、中粗砂、砾砂、圆砾层。

由于隧道经过地段地下水类型主要为孔隙潜水，为简化计算，采用《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中条形基坑出水量(潜水)公式来估算隧道涌水量，计算时假定隧道施工处于止水状态，且假设坑道宽度为6m，涌水量计算公式如下

式中 Q——隧道涌水量/(m3/d);

H——静止水位至含水层底板距离/m;

L——条形基坑长度/m;

B——条形基坑宽度/m，取B=6m;

S——水位降深/m，假定水位降至结构底板以下1.00m，本隧道结构底板埋深14.00～

18.00 m，取 S=10.00m;

k——渗透系数(m/d)。(2)隧道涌水量预估(表5)

表5 隧道涌水量预估

根据计算结果，隧道在暗挖法施工且不考虑止水措施条件下，CK9+546.30～CK9+820段隧道总涌水量为50 034.2m3/d，CK9+820～CK10+869.30段隧道总涌水量为81 659.90m3/d。

3 盾构开挖防护措施

盾构段地层主要为强透水砾砂和圆砾层，且不具备流动性，在盾构施工时，需要通过对密封舱内弃土添加水、膨润土、黏土浆液、气泡、高级水性树脂等外加剂，经强制搅拌使挖土获得必要流动性和抗渗性，用以平衡开挖面上水、土压力，既起到止水作用，又能保持开挖面稳定。盾构法施工段地下水随盾构机开挖弃土一起排除。

隧道始发井、风井、吊出井明挖法或盖挖法施工段，建议采用地下连续墙隔水，或在支护结构外侧采用旋喷桩作为止水帷幕，基坑内采用管井井点降水或大口井降水抽排，必要时配备适量回灌井，以控制周围地下水保持一定高度。为了保护地下水资源或减少地下水对周围环境影响，亦可在基坑坑底高压注浆封堵地下水。

4 结论

整个场区地下水呈北高南低、东高西低之势，每年8、9月份为丰水期，5、6月份为枯水期。沈阳地铁1号线CK9+546.30～CK9+820段，勘探深度内地下含水层分两层，第一层水赋存于第四系浑河冲积层中，属第四系松散岩类孔隙潜水，渗透系数k=112.9m/d;第二层水赋存于第四系浑河冲洪积层中，属第四系松散岩类孔隙微承压水，渗透系数k=70.2m/d。CK9+820～CK10+869.30段为混合水层，渗透系数k=88.1m/d。

隧道洞身主要处于浑河高漫滩冲积孔隙潜水层和浑河新扇冲洪积孔隙潜水层中，穿越地层为强透水层，地下水丰富，建议隧道防排水设计和施工必须全面考虑气温、雨雪、水文地质等条件因素影响;此外还应预测到隧道建成后水文地质条件变化(特别是人工开采地下水引起水位大幅升降)给运营和环境地质带来不利因素，预先提出补救措施，做到防患于未然。

［1］GB50021—2001 岩土工程勘察规范［S］