北京地铁下穿运河区间地下水流速流向测试*

张 昊 敖 松 刘俊洋

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤矿山工程有限公司,100013,北京;3.中铁六局集团有限公司,100036,北京∥第一作者,高级工程师)

北京地铁下穿运河区间地下水流速流向测试*

张 昊1敖 松2刘俊洋3

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤矿山工程有限公司,100013,北京;3.中铁六局集团有限公司,100036,北京∥第一作者,高级工程师)

地下水流速和流向会影响冻结工程施工效果。以北京地铁6号线下穿运河区间2#联络通道冻结工程为背景,针对地层渗透性强、地层扰动大、河水补给充足，以及周边基坑降水平行施工等复杂条件,采用钻孔勘察和AquaVISION测试仪测试的方法,开展了地下水流速流向现场测试,得到了联络通道处地层地下水流特征数据：流速为11.00～14.00 m/d,流向为北偏道东46°。给出了该联络通道冻结设计和施工时的注意事项。

地铁区间; 冻结法施工; 地下水流速流向；测试

First-author′s address Beijing Urban Rail Transit Construction Management Co.,Ltd.,100068,Beijing,China

人工地层冻结施工技术以其对复杂的工程地质条件和水文地质条件较强的适应性在地下工程中备受重视,尤其是针对城市地下工程中的松软含水层,具有不可替代的优势[1]。一般情况下,地下水的自然流速在5 m/d以下,对冻结效果影响甚微,所以在进行冻结时通常不予考虑[2]。但在实际工程中,由于河水补给和人为抽水等原因。使得地下水水力梯度增大,地下水流速加快。动水将加速冷量的耗散并会冲刷冻结壁,导致冻结壁长时间达不到设计厚度或冻结壁长时间无法交圈,影响工程安全[3]。

1 工程概况

北京地铁6号线下穿北运河区间线路西起玉带河东街北滨河北路西侧的玉带河大街站,线路出站后自西向东下穿滨河中路、北运河、北运河热力隧道以及京哈铁路到达杨坨村中的会展中心站,在通过会展中心站(会展中心站主体基坑后期再建)后,继续下穿杨坨村民房区、东六环路，到达东六环路东侧运河东大街北侧的郝家府站。线路全长2 209.12 m,埋深8.74～19.40 m。区间共设2座联络通道,其中2#联络通道兼做集水泵房。该处隧道中心线间距为15 m,拟采用“隧道内水平冻结法加固土体,矿山法暗挖构筑”的施工方法。

2#联络通道所处场地主要坐落在温榆河冲积扇下部,地形基本平坦。联络通道所处位置距京哈铁路约280 m,距正在施工的会展中心站约540 m,距北运河约335 m。值得一提的是,车站基坑降水将与2#联络通道同时施工。联络通道与周边环境位置关系如图1所示[4]。

2 工程地质与水文地质条件

2.1工程地质条件

2#联络通道结构中心标高为-4.98 m,地面标高为+20.45 m,所处地层以砂层为主,渗透系数较大。联络通道所处地层情况如表1所示。

图1 2#联络通道平面位置

2.2 水文地质条件

北运河与该区间线路斜交,河宽约400 m,河底高程15.43 m,河水面平均标高为17.06 m,河底未

衬砌且含一定厚度流塑～软塑状态淤泥质土。地层主要赋存上层滞水(一)及潜水(二)两层地下水。其中，潜水(二)层水位标高为12.60～14.13 m,水位埋深为5.80～11.40 m。该含水层为中等透水层,连续分布,局部因黏土、粉质黏土等透镜体存在而具有一定承压性,主要接受降水入渗及北运河河水侧向径流补给,侧向径流及人工开采方式排泄。

北运河与地下水之间存在水力联系,河水对潜水(二)层具有一定的补给作用。北运河河底下部的细粉砂②3层及联络通道所处的中粗砂⑤1层、细中砂⑦层均属于潜水(二)含水层。

表1 2#联络通道所处地层情况

3 地下水流速流向测试

3.1 测试方法

测试包含钻孔勘察和AquaVISION地下水流速流向测定仪测试两部分。钻孔勘察的目的是查明区间的地下水类型、水位及埋深。AquaVISION地下水流速流向测定仪测试的目的是测定2#联络通道位置附近地下水的流速和流向。

(1) 钻孔勘察。采用DPP-100型汽车钻机套管护壁钻设3个孔,呈三角形分布,钻孔深度为35 m；钻孔施工完成后,现场制作水文观测孔,井管采用PVC(聚氯乙烯)管,在指定深度范围内设置花管,在井管与孔壁之间回填2～4 mm豆石滤料；最后冲洗水文观测孔,使地下水渗流渠道通畅。根据水文观测孔测得的稳定水位埋深和稳定水位标高绘制场地的地下水等水位线图。

(2)AquaVISION地下水流速流向测定仪测试。该测定仪采用专有的视频管道显微照相技术和软件技术,实时测量地下水的流速、流向及粒子大小。它融合了高分辨率磁通量阀门罗盘和高放大率胶质颗粒追踪摄像机,不仅能拍摄到悬浮在钻孔摄像机镜头内胶质颗粒的高放大率图片,而且可提供精确的磁航向信息。摄像头拍摄到的图像通过AquaLITE软件以数字化的形式表现出来并进行分析,通过点线关系,该软件可以确定每个胶质粒子的流速及相应的流向,软件的罗盘则会确定捕获的图像所示的磁向,从而确定实际的胶质粒子的运行轨迹,而粒子的流速可由软件自动运算得出。

3.2 钻孔勘察结果

区间3个水文观测孔测得的地下水水位及埋深情况如表2所示,地下水类型为潜水。根据3个水文观测孔的稳定水位埋深和稳定水位标高,绘制出地下水等水位线图,如图2所示。由图2[4]可得区间地下水流向为北偏东46°。

表2 地下水水位埋深及标高

图2 地下水等水位线图

3.3 AquaVISION地下水流速流向测定结果

采用Colloidal Borescope型AquaVISION地下水流速流向测定仪在2#联络通道场地内的1#、2#、3#、4#水文观测孔内测定地下水流速及流向。其中,1#和2#水文观测孔分别在21 m和27 m处布设测试点,3#和4#水文观测孔在15 m处布设测试点。

2#水文观测孔在21 m处的地下水流速流向测试结果如图3所示。图中方位角是以正北为0°,顺时针方向的夹角。

图3 2#水文观测孔在21 m处的测试结果

AquaVISION地下水流速流向测定仪测试结果汇总如表3所示。部分水文观测孔受孔内局部地层条件、花管开孔结构、滤网及已建地铁隧道等因素影响,测试所得的地下水流向图较为离散,参考价值不高,但地下水流速图较为稳定连续,客观地反映了孔内不同深度处的地下水流速情况。

表3 地下水流速流向测试结果汇总

4 测试结果分析

根据钻孔勘察所测得的地下水等水位线图,并参考AquaVISION测试仪测得的地下水流向,联络通道所处地层地下水流向按北偏东46°考虑。

AquaVISION测试仪测得区间水文观测孔测试点处地下水流速在6.96～18.20 m/d范围内,而地下水流速沿水力梯度方向(北偏东46°)逐渐减小,考虑到场地范围内地下水主要为潜水,地层主要为砂层,因此,场地内同一点不同深度位置水力梯度基本相同。根据测试点与2#联络通道的位置关系,2#联络通道位置地层的地下水流速在11.00～14.00 m/d范围内。

(1) 由地下水等水位线图可以看出,地下水流方向大致为由北运河途径2#联络通道向正在进行基坑降水施工的会展中心车站方向。根据DG/TJ 08-902—2006《旁通道冻结法技术规程》相关规定，冻结壁形成期间,冻结区域200 m范围内的透水砂层中不宜采取降水措施[5]。但根据地下水流向测试结果,同时考虑地层渗透性较强,距离联络通道540 m处的基坑降水施工对联络通道处地层的地下水活动产生了一定的影响。

(2) 由AquaVISION测试仪测得的地下水流速可知,联络通道位置地层的地下水流速达11.00 m/d以上。据DG/TJ 08-902—2006《旁通道冻结法技术规程》相关规定,当联络通道周边地层地下水活动频繁、有集中水流、地下水水位有明显波动(≥2 m/d)或地下水流速大于5 m/d时,应进行深入分析并采取针对性措施[6]。可见,该联络通道处地层地下水流速过大,在冻结设计和施工时应引起高度重视。

(3) 结合地质勘查资料,2#联络通道与北运河距离为335 m,与京哈铁路距离为280 m,联络通道所处地层属于受北运河水流补给的潜水(二)层,因此,在冻结施工时,应重点关注由水分迁移作用引起的冻胀对周围环境(尤其是京哈铁路)的影响。

5 建议

在渗透性较强的地层中进行冻结施工,应充分了解工程与周边环境的联系,并采取相应的措施排查影响冻结施工安全质量的各种因素。通过对该区间地下水流速流向的测试,建议在进行冻结设计和施工时注意以下几点。

(1) 尽量降低基坑降水施工对冻结的影响,如有条件,将基坑降水施工与冻结施工错开,联络通道施工宜在降水施工结束之后进行,且冻结壁形成期间不应进行降水施工。

(2) 应采取针对性的措施应对地层地下水流速过大的问题,可采取注浆等措施降低地层渗透性,同时采取多排冻结孔冻结的方式强化冻结，以保证冻结效果。

(3) 进一步分析冻胀效应对京哈铁路等周边环境的影响,并采取措施(如切断水源、减小地层渗透系数等)减小水分迁移作用引起的分凝冻胀。

[1] 李方政.人工地层冻结的环境效应及工程对策研究[J].公路交通科技,2004,21(3):67.

[2] 杨平,皮爱如.高流速地下水流地层冻结壁形成的研究[J].岩土工程学报,2001(2):167.

[3] 周晓敏,王梦恕,张绪忠.渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J].煤炭学报,2005(2):196.

[4] 李方政,罗富荣,韩玉福,等.复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因分析及对策[J].工业建筑,2015(11):187.

[5] 上海市建设和交通委员会.旁通道冻结法技术规程:DG/TJ 08-902—2006[S].上海：上海申通轨道交通研究咨询有限公司，2006：7-8.

[6] 李锐志.高承压、大流速地下水对立井冻结的影响及处理[J].建井技术,2015(3):27

Test of Groundwater Velocity and Flow Direction in River-crossing Section of Beijing Metro

ZHANG Hao, AO Song, LIU Junyang

Metro freezing construction could be affected by ground water velocity and flow direction.Based on the freezing construction of 2# connecting passage in river-bed crossing section of Beijing metro Line 6,by using borehole investigation and AquaVISION testing device,the groundwater velocity and flow direction test is conducted in complex conditions, including the highly disturbed stratum with strong permeability,sufficient river water recharge and nearby parallel pumping construction of foundation pit. Test result shows that the velocity of the stratum varies from 11 to 14 m/d,and the flow direction is 46 degrees north by east. On this basis, suggestions are put forward for the related design and construction.

metro section; freezing method; groundwater velocity and flow direction; test

*北京市科技计划项目(Z151100002815023)

TU 472.9； P641.74

10.16037/j.1007-869x.2016.07.006

2015-10-12)