地下水对通过含水砂层段暗挖隧道施工的影响及控制方案研究

2018-01-22曹军辉李克建刘迎松

西部探矿工程 2018年1期

曹军辉，李克建，刘迎松

（青岛地矿岩土工程有限公司,山东青岛266071）

1 工程概况

青岛市红岛—胶南城际（井冈山路—大珠山段）轨道交通工程是青岛市轨道交通线网“一环四线”中服务西海岸的轨道交通快线，简称R3线。线路位于青岛市西海岸新区，总体呈东北—西南走向。线路起于开发区的嘉陵江路站，经由经济技术开发区、灵山湾影视文化产业区、新区中心区、古镇口创新示范园、董家口经济区，终于董家口火车站。本项目为沿线各重点功能区、重点发展区及组团间提供方便快捷的交通方式，与地铁M6线、R2线、M1线实现换乘，对引领城市发展，全面支持西海岸经济新区的建设，快速联系西海岸五大功能板块，通过与胶州湾环线的换乘，实现与轨道交通线网的有机结合。

一期工程正线线路全长28.803km，设车站12座，其中：地下站7座，高架站5座，平均站间距2.55km。设灵山卫停车场1处，出入线长0.782km，全部为地下线，由灵山卫站东端接轨。本文依托青岛市城际轨道R3号线工程勘察一标段嘉年华至灵山卫站区间段，起点位于滨海大道与东港路交汇处，向西平行滨海大道行走，跨越卧龙河后折向西南，紧邻滨海大道至灵山卫公交枢纽站附近折向西行走，逐渐远离滨海大道并入泰山东路，而后沿泰山东路走行进入城区，接入灵山卫站。区间设计里程YCK11+733.7～YCK13+997.1，长约2263.4m。本区间隧道底板标高-22.12～-9.15m，底板埋深12.5～45.4m。

2 依托工程的工程地质条件

2.1 地形地貌

拟建场地地貌类型主要为滨海堆积区及构造剥蚀区，局部位于山麓斜坡堆积区，地形中间高两头低，地势起伏较大，地面高程4～28m。

2.2 地层岩性

通过钻探揭示，依托工程场区第四系厚度11.7～18m，主要为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、全新统海积层（Q4m）、全新统冲洪积层（Q4al+pl）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）组成。基岩为白垩系青山群角砾凝灰岩、凝灰质泥岩（KQs），受次生构造影响，部分区域揭露相应岩性的构造岩。

根据本次勘察揭示情况，共揭示了21个岩土层，主要土层包括：

（1）第四系。依托工程场地揭露的主要第四系土层包括：第四系全新统人工填土（Q4ml）、第四系全新统海积层（Q4m）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl），大致表现为粉质粘土与中粗砂互层结构。

（2）基岩。由于青岛市城际轨道R3号线勘察一标段全长约9km，线路沿线揭露有中生代燕山晚期（γ53）、白垩系青山群（KQs）等多个地质时代的岩层，该区间场地内基岩以角砾凝灰岩、凝灰质泥岩为主。场地受周边断裂构造带的影响，多揭露有挤压破碎带，同时周边基岩受其影响均呈现出在水平、竖向上的矿物蚀变程度不均匀，节理、裂隙发育不均匀的断裂构造岩（节理发育带）的特征。

2.3 地质构造

根据区域地质资料及本次勘察勘探揭示情况，影响本场地的断裂构造有积米崖断裂、灵山卫断裂、大岔口断裂，上述断裂带均为沧口断裂的派生断裂，形成于中生代末期，具多期活动的特征。线路在YCK12+395（ZCK12+407）附近通过F2积米崖断裂带，勘探揭示该断带宽，以砂土状、块状碎裂岩为主，局部可见绿泥石、绿帘石化及断层泥砾，断裂带倾角、走向依据区域地质构造条件及调绘、勘察成果综合确定；受该断裂带影响，近场区也多发育块状碎裂岩及节理密集带，带宽一般5～20m。

3 依托工程水文地质条件

3.1 地下水概况

根据地下水补给埋藏条件及水化学类型等特征，将拟建场地水文地质单元划分为2个水文地质单元，其中区间起点至YCK12+400段、YCK13+550至区间终点段为滨海松散岩类孔隙水分布区，地下水类型主要为潜水、承压水和基岩裂隙水；YCK12+400～YCK13+550段为低山丘陵松散岩类孔隙水分布区，地下水类型主要为潜水和基岩裂隙水。

根据区域水文地质资料，结合周边既有工程经验及场区环境条件综合分析，拟建场地地下水位综合年变幅约为2.0m。

3.2 水文地质试验及地层渗透性

本次详细勘察共进行了3个孔的抽水试验，初勘进行了3个孔的抽水试验，补勘进行了3个孔的抽水试验，共9个孔的抽水试验。有关抽水成果统计如表1所示。

表1 抽水试验统计表

本场区第四系孔隙潜水的抽水试验主透水层为含淤泥中、粗砂、中、粗砂,第四系孔隙承压水的抽水试验主透水层为中、粗砂、含粘性土粗、砾砂及碎石。

潜水的渗透系数计算依据《铁路工程水文地质勘察规程》公式（8.2.1－3）完整井抽水试验公式，计算模型如下：

承压水的渗透系数计算依据依据《铁路工程水文地质勘察规程》公式（8.2.1－1）完整井抽水试验公式，计算模型如下：

式中：Q——出水量，m3/d；

K——渗透系数，m/d；

r——过滤器半径，m；

s——水位下降值，m；

Ry——含水层半径，m；

H——自然状况下潜水含水层厚度，m；

M——承压水含水层厚度，m；

h——潜水层在抽水试验时的厚度，m。

抽水试验结果为：第四系孔隙潜水综合渗透系数1.128～40.778m/d，属强透水性；第四系孔隙承压水综合渗透系数0.585～12.359m/d，属强透水性；基岩裂隙水综合渗透系数0.189～1.664m/d，属中等透水性。

4 地下水影响分析与控制方案

4.1 典型地质断面

(1)典型断面（一）。区间通过临河区域典型断面,如图1所示，洞身位于中风化岩层中，但洞顶覆岩较薄，仅为1.5m厚的强风化岩层，上面紧邻强透水性的砂层。施工通过该区域时，在爆破此类上软下硬地层时，极易造成洞顶坍塌，造成冒顶事故，地下水随泥砂涌入隧道。该区间类似工程地质条件长度约640m，是本区间施工的重点难点。

(2)典型断面（二）。该区间通过F2断裂时，同时通过卧龙河附近，该位置洞身部分位于碎裂岩中，岩层上方直接接触第四系强透水性砂层，如图2所示。隧道施工时，地下水极易通过断层裂隙面进入隧道，严重时造成局部坍塌，引起地下水混泥砂进入隧道。该类工程地质条件本区间有多处揭露，也为本区间的施工重点难点。

(3)典型断面（三）。区间隧道洞顶直接位于第四系含水砂层中，如图3所示。该区域隧道施工，采用矿山法极其困难。洞顶极易坍塌，地下水伴随泥砂涌入隧道，造成事故。本区间施工的最难点。

图1 洞顶紧邻砂层典型断面

图2 隧道经过断裂影响带典型断面

图3 隧道洞顶穿越砂层典型断面

4.2 对区间隧道综合影响分析评价

根据本次勘察结果，YCK11+800～YCK12+620、YCK13+550～YCK13+690段主要位于滨海堆积区，局部位于山麓斜坡堆积区，隧道拱顶埋深约13.7～30m，上覆为第四系人工填土、粘性土、中、粗砂及含粘性土粗、砾砂，厚4.7～16.6m，下伏白垩系青山群角砾凝灰岩。隧道洞身主要位于角砾凝灰岩强—微风化带，局部位于第⑥层粉质粘土、第⑪层粉质粘土中，受区域构造影响，角砾凝灰岩节理密集带及砂土状、块状碎裂岩较发育，围岩等级Ⅳ2—Ⅵ级。地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩风化裂隙水，水量较大；在局部发育节理密集带及构造碎裂岩地段，地下水类型主要为基岩构造裂隙水，受岩体构造裂隙发育程度及汇水条件影响，其水量及围岩透水性差异较大。隧道开挖过程中，岩土层失水后会引起地表沉降、地面建（构）筑物开裂等问题,止水不当极易造成洞顶坍塌，地下水伴随泥砂涌入隧道，造成事故。

4.3 地下水控制方案建议

该区间段地下隧道Y(Z)CK11+800～Y(Z)CK12+440属于典型断面（一）的工程地质条件，建议考虑采用洞内止水帷幕注浆，必要时进行地面高压旋喷辅助注浆止水。Y(Z)CK12+400附近区域属于典型断面（二）的工程地质条件，建议考虑采用洞内止水帷幕注浆，同时加强超前支护，必要时采用管棚。Y(Z)CK13+615～Y(Z)CK13+690段属于典型断面（三），须进行地面高压旋喷注浆止水，同时采用管棚加注浆小导管超前支护，对地表沉降进行实时监测。可考虑改为明挖法或盾构法施工。

4.4 防渗方案建议

根据该区间段工程地质、水文地质及周边环境条件，建议采用防水型隧道，在隧道初期支护与二次衬砌之间应铺设防水板，并设系统盲管（沟），围岩破碎、富水、易坍塌地段可考虑采用注浆加固围岩和防水的措施，二衬应采用防渗混凝土，并应连续灌筑，二衬的施工缝、沉降缝、伸缩缝应采取可靠的防水措施。

5 施工过程中水位观测验证

5.1 地表止水效果明显

该区间通过含水砂层区域，设计方案采用了地表注浆止水，效果明显，施工期间洞内地下水基本无渗漏，地下水水位，未发现明显变化。观测结果如图4所示。

5.2 洞内帷幕注浆止水偶有渗漏

由于地表注浆条件限制，部分地段采用了洞内帷幕注浆措施。洞内帷幕注浆，是硐室开挖后对后方岩土层进行的，在注浆过程中也会引起地下水渗漏，如图5所示。该区域洞内注浆时，地下水渗漏未能及时控制，地下水在注浆过程中出现明显的水位下降，变幅1m，随着注浆的完成，地下水水位恢复，因快速注浆地下水水位出现上升现象。