轨道交通工程中承压水影响的探讨

2017-03-08刘建章李连营

地下水 2017年1期

关键词：墙缝承压水水文地质

刘建章，李连营

(天津市勘察院，天津 300191)

轨道交通工程中承压水影响的探讨

刘建章，李连营

(天津市勘察院，天津 300191)

城市轨道交通工程具有基坑深度大、基坑面积大、对周围环境影响大的特点。天津市区地下水位普遍较浅，承压含水层分布较普遍，对轨道基坑勘察、支护及降水设计、施工及监测等提出更高要求。针对轨道基坑中涉及到承压水时对岩土工程勘察、支护及降水设计、监测中存在的一些难点进行分析，并提出措施建议，为轨道基坑的监管提供参考。

轨道交通工程；承压水；抽水试验；防渗漏

城市轨道交通工程具有规模大、投资大、社会关注程度高、建设周期长等特点。由于轨道交通工程多为地下工程，具有基坑深度大、基坑面积大、对周围环境影响也很大的特点，随着天津市城市轨道交通工程的迅速建设，特别是换乘站越来越多导致基坑开挖深度也越来越深，涉及承压水影响的问题更加明显，对基坑的支护和止水方案要求也较高[1]，特别是由于承压水具有较高的水压力，基坑降水涉及到承压水时，稍有不慎即会发生工程事故[2]，因此，对轨道基坑岩土工程勘察、支护及降水设计、监测的要求越来越高。勘察对承压水评价是否准确、基坑设计、施工及监测对承压水处理的成功与否直接影响工程建设的效益与成败，据统计资料显示，约70%以上的基坑事故与地下水有关，所以承压水的防治是事关轨道基坑成败的关键因素[3]。

1 岩土工程勘察要求

《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)明确要求：在地下水勘察时，查明地下水的类型和赋存条件、含水层的分布规律，分层量测对工程有影响的各含水层水位，分析地下水对工程的作用[4]。因此，在进行岩土工程勘察时，必须查清楚对工程有影响的承压含水层层位埋深及分布规律、水头标高及相关的水文地质参数，为基坑降水、防水设计提供依据。

1.1 承压含水层简介

承压水是指充满于两个隔水层之间的含水层，其水头高度应明显高于顶板高度。当基坑底板下有承压含水层存在时，开挖基坑减少了含水层上覆不透水层厚度，当它减少到一定程度，与承压水的水头压力不能平衡时就很有可能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象[5]。

1.2 场地地下水类型及特征

根据地基土的岩性分层、室内渗透试验结果，天津市区轨道基坑涉及到的含水层主要有3层[6]：

1.2.1 潜水含水层

主要指人工填土(Qml)、新进沉积层(Q43Nal)、上组陆相冲积层(Q43al)及海相沉积层(Q42m)粉质粘土和粉土，含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和向下部承压水、地表水体渗透。勘察期间可测得场地地下潜水初见水位、静止水位埋深和标高。

沼泽相沉积层(Q41h)粉质粘土(⑦)及下组陆相冲积层(Q41al)粉质粘土(⑧1)属不透水～微透水层，可视为潜水含水层与承压含水层的相对隔水层。

1.2.2 第一承压含水层

1.2.3 第二承压含水层

1.3 水文地质参数

水文地质参数是反映含水层或透水层水文地质性能的指标。常用的水文地质参数有渗透系数、承压水头、导水系数、水位传导系数、压力传导系数、给水度、释水系数、越流系数等，对于深基坑工程来说最重要的水文地质参数为渗透系数、承压水头、影响半径等。

确定水文地质参数的方法一般分为经验数据法、经验公式法、室内试验法和现场试验法四种。在深大基坑设计中，对含水层的水文地质参数的求取是一项重要的工作，一般采用带观测井的稳定流抽水试验来获得。

抽水试验抽水井和观测井一般布置一条观测线，其方向应垂直地下水流向，对于流量较大的含水层一般进行三次降深的抽水试验，且最大降深接近设计动水位，其余两次分别约为最大下降值的1/3和2/3。抽水试验均为完整井抽水时，可以在水文地质概念模型的概化条件下，建立承压含水层中地下水向完整井稳定运动的数学模型：

(1)

式中：r为该点与抽水孔井轴的径向距离；K为承压含水层的渗透系数；M为含水层厚度；Qr为过水断面的流量，Q为抽水流量，且Qr=Q。rw为抽水井的半径，R为影响半径。

Dupuit等人曾对上述数学模型进行过求解，得出了承压含水层中的完整井流公式：

(2)

(3)

利用这些公式，便可根据抽水试验的相关资料，采用不同的方法来确定承压含水层的水文地质参数。

通过对天津市大量抽水试验数据的整理、分析，第一承压含水层渗透系数一般为1.5～6.0 m/d，平均渗透系数值在3.2 m/d左右，影响半径为60～150 m左右；第二承压含水层渗透系数一般为2.0～4.5 m/d，平均渗透系数值在2.9 m/d左右，影响半径为90～200 m左右。

1.4 承压水头观测

承压水水头，是隔水层顶界面到测压水位面的垂直距离。承压水有上下两个稳定的隔水层，上面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为含水层的厚度。稳定水位高出含水层顶板底面的距离称承压水头。在深基坑工程中，承压水头是一个特别重要的水位地质参数。当基坑底部到承压含水层土层厚度不大于承压水头顶托力时基坑底部就会产生突涌，造成基坑工程破坏同时对周围环境产生较大影响或破坏。

承压水头一般通过抽水试验或水文观测井来确定。通过对天津市大量抽水试验数据的整理、分析，第一承压含水层静止水位标高一般为0.50～-0.50 m，且水位标高不随场地标高的变化而变化；第二承压含水层静止水位标高一般为0.00～-1.00 m，水位标高不随场地标高的变化而变化，且一般较第一承压含水层标高低0.30～0.50 m左右。但承压含水层水头标高受周围工程深基坑施工影响较大。

1.5 越流补给

承压含水层与相邻土层之间的水力联系一般用越流系数的大小来反映。越流补给是指多层含水层，当在某一含水层抽水时，其上、下相邻含水层通过弱透水层向该含水层补给。对于基坑周围环境很复杂的场地，应通过抽水试验查明各土层之间的越流补给关系。

2 基坑设计要求

2.1 基坑支护及止水措施的确定

轨道基坑工程一般采用既挡土又止水的地下连续墙支护体系，是由地面施工机械沿着导槽沟，采用间隔施工向下开挖至设计深度，然后将钢筋网下入槽内，再浇注混凝土形成一个钢筋混凝土单面墙体。当间隔的两幅墙体施工完毕再施工中间幅，这样在地下形成一道连续的钢筋混凝土围墙[7]。

2.2 墙缝防渗漏措施

基坑地下连续墙在施工过程中因为墙缝接头形式、施工成槽质量、槽内泥浆等原因造成墙缝夹泥、劈叉形成瑕疵和缝隙，当基坑开挖后墙外高压水头通过这些缝隙瑕疵涌入坑内，很容易造成恶性事故。为防止墙缝渗漏问题，现行施工中需对墙缝外侧重新设计一排防渗漏的搅拌桩进行封缝施工。连续墙缝防渗漏高压旋喷桩(搅拌桩)的设计[7]见图1：

图1 高压旋喷桩封堵墙缝示意图

近几年，天津市区在民用建筑深基坑采用地连墙进行基坑支护止水设计中，部分采用墙缝防渗漏预埋管注水检测、注浆封堵技术，即是在两墙浇砼闭合前，预先将注浆管插入墙缝间，待砼体固结后，通过预埋管进行分段注水加压检测墙缝是否渗漏及渗漏部位。通过试验和工程应用，当注水压力小于4 MPa且有水量流失时，表明墙缝存在明显渗漏点或渗漏缝隙，并通过预埋管对渗漏墙缝进行注浆封堵；当注水压力瞬间大于8 MPa且水量基本无流失时，表明墙缝混凝土胶结密实，无渗漏点或渗漏缝隙存在。该工法可减少墙缝外二次防渗漏施工。

2.3 抗突涌计算

基坑底板下分布承压含水层时，为防止承压水顶裂或冲毁基坑底板，应进行抗突涌计算。基坑底不透水层厚度与承压水头压力的平衡条件是：

Fs=rw·h/rs·H

(4)

式中：Fs为安全系数,一般取1.05～1.10；H为基坑底至承压含水层顶板间距离(m)；rs为基坑底至承压含水层顶板间的土的重度(kN/m3)；h为承压水头高度至承压含水层顶板的距离(m)；rw为水的重度(kN/m3)，取10 kN/m3。

2.4 隔水层的确定

根据基坑底板下承压含水层抗突涌计算结果，地下连续墙应穿透对基坑底板稳定有影响的含水层，进入其下部相对隔水层不少于1.0m。当相对隔水层分布不稳定时，可分段设计地下连续墙的深度。

2.5 基坑降水对周围环境的影响分析

对于周围环境较复杂的基坑，应采用水力学理论计算及大型数值模拟软件Processing Modflow建立地下水—地面沉降耦合模型，预测在基坑降水的条件下的地面沉降量及地下水位变化。其基本原理是在掌握工程地质条件和水文地质条件前提下，建立适合于降水工程所在地区的水流模型和土力学模型。通过对施工区域的网格剖分，设定边界条件，源汇项、水文参数、力学参数处理，建立合适的数学模型对降水引起的地面沉降进行计算预测。由于该模型计算出的地面沉降量与现实情况高度相似，故而用Processing Modflow模型对地面沉降量进行预测的方法已得到广泛应用。

3 基坑监测要求

施工过程中的承压水监测主要采用孔隙水压力监测和观测井监测。

3.1 孔隙水压力监测

为观测各层土(特别是承压含水层)的水位变化，可在不同部位埋设孔隙水压力计，来测定抽水过程中各层位土孔隙水的压力值变化。通过试验研究，孔隙水压力值的减小与各观测井的水位降深幅度基本同步，但同一时间段通过孔隙水压力值的减小确定的水位降深普遍略小于由各观测井观测到的水位降深幅度，一般小1.00～2.00 m左右，分析原因主要是孔隙水压力值有一定的滞后现象。

3.2 观测井布设

为了保证工程降水效果，控制降水引起的对环境的负面影响，在基坑内、外需布置一定数量的观测井，随时监测地下水动态变化，确保工程安全、顺利施工。