抽水试验在广州地铁岩土工程勘察中的应用

游思琴，曾建纲，潘銮优

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

随着大中城市的发展，城市土地的短缺与人口的增长逐步矛盾，为了解决这一矛盾，城市地下工程的建设高速发展，例如高程建筑的基坑工程，地下停车场建设工程，地铁建设工程等等，与此同时，基坑涌突水，道路地面塌陷等等问题就会出现[1]。因此，确地场地水文地质参数尤为重要[2-3]，它是设计确定基坑降水方案的重要依据。

近年来，城市地铁建设越来越多，本文就以广州地铁12号线某车站为例，选取车站的1口试验井进行抽水试验，通过观测，记录，整理资料，通过公式求得渗透系数K、影响半径R，并根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》[4]对透水性进行划分，得出该土层的透水性类别，为施工设计方案提供重要依据，为安全施工做好铺垫。

1 抽水试验方案

1.1 抽水试验布置和工作量

车站主要为海陆交互相沉积平原地貌，下伏基岩一般为文笔山组(P1w)、龙潭组(P2l)的细砂岩、粉砂岩、泥岩、栖霞组(P1q)石灰岩等，因此，在本工点一般针对海陆交互相的覆盖层及基岩分层进行抽水试验，主要选取上覆海陆交互相砂层较厚、下伏基岩岩性交界处布置抽水孔。

车站设计方案为明挖车站，本站点上部地层主要为冲洪积的粉质黏土<4N-2>、中粗砂<3-2>、砾砂<3-3>。下部基岩为文笔山组(P1w)的粉砂质泥岩，本站点进站段岩溶发育，局部为岩溶水、局部为碎屑岩基岩裂隙水。

本次试验在同一孔位对第四系、基岩分层进行抽水，抽水孔及观测孔在钻穿覆盖层的含水层后停钻，在下伏的黏性土等相对隔水层中采取止水隔离措施，针对第四系的试验段进行抽水试验；第四系试验段完成后，拆除试验装置，继续下钻，钻至结构底板以下5 m或见基岩水/溶洞以下5～10 m，再下套管，并在套管脚采取止水措施，针对基岩段进行抽水试验。基岩段抽水试验主要针对下伏的栖霞组粉砂质泥岩、泥质粉砂岩进行抽水，上部第四系覆盖层下Φ127套管，并在套管脚采取止水措施，针对基岩段进行抽水试验。本次试验相关示意见图1～图3。

图1 抽水孔布置示

图2 第四系含水层抽水孔结构示意

图3 抽水孔结构(基岩段抽水)示意

抽水孔地下水位埋深为2.80 m，因此，砂层抽水试验最大水位降深不应低于含水层顶板(2.9 m深处)，拟用降深顺序依次采用1.00 m、2.00 m、3.00 m，抽水管管口置于7 m处。基岩抽水试验最大水位降深不应低于含水层顶板(11.0 m深处)，拟用降深顺序依次采用6.0 m、4.0 m、2.0 m，抽水设备置于20 m处。

在抽水试验中抽水、吸水管管口均应放在同一深度，管口应距离含水层最大降深动水位以下0.4～1.0 m处。

1.2 抽水试验技术要求

1.2.1抽水试验孔(井)、观测孔(井)结构及深度要求

1) 钻孔过滤管要求：在试验实际操作中采用桥式和钢管缠丝两种过滤器。当含水层厚度大于等于 30 m，过滤管长度下至30～35 m；当含水层厚度小于30 m，过滤管长度与厚度保持相同。在岩层中，当基岩层孔壁稳固，或者虽遇到溶洞，但为无充填或充填物较少地段，可以不用安置过滤器。

2) 洗孔要求：试验通过活塞、压风机联合进行洗孔，达到水清砂净，方可停止洗孔。

3) 进行同一孔位砂层、岩层分层抽水试验，尤其要做好止水。要求2 h内管外的水位变动小于10 cm。

4) 根据地铁结构的标高确定抽水试验孔的深度，一般钻至地铁结构底板以下5 m。

1.2.2水位降深要求

地下水为潜水时，当抽水孔为完整孔时，在含水层厚度附近设置水位最大降深；当抽水孔为非完整孔时，在过滤器长度的1/2深度处设置水位最大降深。地下水为承压水时，在高于含水层顶板的位置设置水位最大降深。

砂层和岩层分别设置3次抽水降深实验，降深稳定时间应大于8 h。根据砂层和填砾料易移动和容易堵死过滤管的特点，覆盖层中抽水实验降深次序采取由小到大设置。为了使基岩裂隙的畅通，将钻进过程中岩粉迅速疏通，岩层中的抽水实验降深次序则采取由大到小设置。

当试验孔的水输出较小或在测试期间水输出已经达到极限时，水位降深可低于3次，但不能小于2次。

1.2.3静止水位测量要求

实验深度范围揭露有多个(≥2)含水层，应对不同含水层分别测量静止水位，同时应布置套管封闭上1层含水层，再进行下1层含水层静止水位的测量。当地下水的水头高出地表，应接管后进行水位测量。

1.2.4抽水试验的稳定要求

抽水试验的稳定连续时长要求：在卵石、圆砾、砾砂、粗砂层应超过8 h，在中砂、细砂、粉砂层应超过16 h，岩层的含水层应超过24 h。

1.2.5动水位观测要求

抽水试验开始后在1 min、2 min、3 min、4 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min进行水位观测，并在接下来的时间每隔30 min观测1次。

每次抽水试验停泵后的水位恢复，按第1 min、2 min、3 min、4 min、5 min、6 min、8 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min、40 min、50 min、60 min、80 min、100 min、120 min进行观测，并在接下来的时间每隔30 min观测1次。

抽水孔的恢复水位观测时间在每次降深完成后即进行观测，时间延续不小于8 h。

抽水实验完毕或抽水过程中因意外暂停抽水，都要对水位的恢复情况进行观测，观测在每次降深后即进行。

2 抽水试验成果计算分析

参考相关工程经验[5-13]，结合本工程水文地质条件及抽水试验现场数据资料，绘制砂层和岩层水位恢复曲线、Q～S关系曲线、q～S关系曲线、Q～T、S～T过程曲线见图4～图11。

图4 砂层抽水水位恢复曲线示意

图5 岩层抽水水位恢复曲线示意

图6 砂层抽水Q～S关系曲线示意

图7 砂层抽水q～S关系曲线示意

图8 岩层抽水Q～S关系曲线示意

图9 岩层抽水q～S关系曲线示意

图10 砂层抽水Q～T、S～T过程曲线示意

图11 岩层抽水Q～T、S～T过程曲线示意

本次勘察采用单孔和多孔抽水试验，根据地下水的类型和抽水试验所取得的有关数据，依据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(SL 320—2005)[14]，选取适合的抽水试验渗透系数计算公式。依据国家行业标准《铁路工程水文地质勘察规程》(TB 10049—2014)[15]公式8.2.5-1按水位恢复计算渗透系数计算公式。

砂层抽水试验采用多孔抽水，过滤器的长度大于承压含水层厚度的0.3倍，井筒没有穿透最下含水层的整个厚度，井底设置在承压水含水层上，选用承压水非完整井多孔稳定流抽水试验渗透系数计算公式；基岩抽水试验采用单孔抽水，试验孔为承压水含水层，且井筒贯穿整个含水层，选用承压水完整井单孔稳定流抽水试验渗透系数计算公式。

同时砂层抽水和基岩抽水均为承压水，且降深一定，采用承压水影响半径的经验公式吉哈尔特公式近似计算影响半径。

1) 承压水非完整井多孔稳定流抽水试验渗透系数计算公式

(1)

(2)

2) 承压水完整井单孔稳定流抽水试验渗透系数计算公式

(3)

(4)

式中：

Q——抽水稳定流量,m3/d；

M——承压含水层厚度,m；

l——过滤器的长度,m；

S——水位降深,m；

S1、S2——S01-1、S01-2的水位降深，m；

r1、r2——S01-1、S01-2与S01的距离，m；

R——影响半径，m。

根据上述公式，求得砂层和岩层的水文地质相关参数，具体结果见表1。

根据相关规范[4]，含水层的透水性根据渗透系数K按规范中表10.3.5的规定划分(见表2)。

表1 抽水试验计算结果

表2 含水层透水性统计

从表1和表2结果分析可得：

车站试验深度范围的砂土层的渗透系数平均值为24.1 m/d。最大降深3.0 m对应抽水影响范围半径为155.5 m；岩层的渗透系数平均值为0.18 m/d。最大降深8.0 m对应抽水影响范围半径为31.5 m。

砂土层中粗砂<3-2>、砾砂<3-3>分布于冲—洪积平原，含少量粉黏粒，是第四系孔隙水的主要含水层，上部常有黏性土层覆盖，具有一定的承压性。按照表1所示，渗透系数K平均值为24.1 m/d，透水性为强透水。岩层中风化碎屑岩<8-2>主要赋存岩溶裂隙水，渗透系数K平均值为0.18 m/d，透水性为弱透水。

场地地下水复杂且水位较高，车站主体结构部分深基坑降水困难，基坑涌水量较大。设计、施工需充分考虑止水、排水及降水措施，一旦止水措施不当，在降水过程中会导致车站基坑周围建筑物发生变形，甚至会引起基坑周边发生地面沉降、塌陷等风险，可采用高压旋喷桩或静压注浆在钻孔灌注桩间或地下连续墙槽间进行止水，也可在桩后采用深层搅拌桩或高压定(摆)喷墙作为截水帷幕。施工过程中需加强邻近建构筑物、地下水、重要管线等监测，确保安全施工。

3 结论及建议

1) 抽水水试验作为地铁工程设计中对地下水评价时经常用到的一种原位试验方法，本文对试验的基本方法、基本条件进行了比较详细的论述，同时给出了抽水试验在广州地铁工程中应用的完整步骤以及其水文地质参数的计算原理。可以满足目前地铁勘察工程实际需求，建议推广使用。

2) 本车站为深基坑工程，场地水文地质条件复杂，对设计施工影响较大。在广州地区，基坑降水作为地铁车站地下工程建设中的必备环节，通过抽水试验所测数据，确定水位下降速度、单位时间涌水量、渗透系数、影响半径等水文地质参数能进一步优化设计施工的降水方案，提出确实可行的止水、排水及降水措施，降低施工风险，确保安全施工。

3) 在地铁工程设计及施工过程中，含水层的水文地质参数是重要的基础资料，受限于工程野外地质勘察工期，未能综合统计分析在地下水在枯、丰水期的抽水实验结果求得地铁工程水文地质参数。后续工程应用中应结合不同工程场地工程区域地质条件情况，布置现场抽水试验(适当增加增密)，综合抽水时间、抽水量、水位降深等的影响，同时用不同方法求解参数值进行比较，选取合理的水文地质参数值，可为车站基坑降水工程施工设计方案提供重要依据。