天津地鐵深基坑深層承壓水水力聯(lián)系試驗研究

隨著天津市軌道交通建設(shè)步伐的加快，地鐵深基坑工程越來越多，深度越來越大。在建設(shè)過程中基坑和地下水的處理往往是憑經(jīng)驗，一些工程由于不合理的降水措施，造成資源浪費、延誤工期，甚至對周邊建（構(gòu)）筑物造成不利影響。

地鐵車站的基坑降水工程中，當基坑開挖深度較大且坑底以下承壓含水層厚度較大，有時會出現(xiàn)地下連續(xù)墻或止水帷幕不能截斷承壓含水層的情況，即為懸掛式止水帷幕的情況。由于懸掛式止水帷幕不能完全截斷深層承壓含水層，在基坑內(nèi)降水過程中，坑內(nèi)降水會導致坑內(nèi)外水力聯(lián)系，上部降水也會影響下部含水層的水位變化，進而導致基坑外建（構(gòu)）筑物發(fā)生沉降或變形。

在地下水豐富的軟土地區(qū)，基坑降水專項設(shè)計越來越引起重視，而降水設(shè)計合理與否很大程度取決于土層的滲透系數(shù)提供的準確與否，因此在含水層豐富、地層條件較復雜的地區(qū)往往通過現(xiàn)場抽水試驗來確定各含水層的滲透系數(shù)、水量大小、影響半徑等參數(shù)。目前很多學者對天津地區(qū)含水層進行了抽水試驗研究[1～4]；屈新文[5]對天津濱海新區(qū)某深大基坑工程進行了水文地質(zhì)勘察，獲取了混合含水層的滲透系數(shù)以及混合地層的單井涌水量等參數(shù)；張俊紅[6]對天津濱海新區(qū)土體的滲透系進行了試驗研究，從室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗兩種方法中，獲取了含水層的滲透系數(shù)。

以上研究所開展的抽水試驗大多是為獲取含水層的滲透系數(shù)、單井出水量、影響半徑等參數(shù)，忽略了含水層間水力聯(lián)系的研究。由于含水層在垂向上呈層狀分布，地下連續(xù)墻只能截斷局部含水層，而不能截斷垂向分布的所有含水層，因此查清含水層之間的水力聯(lián)系，明確上部降水過程中下部未被止水帷幕隔斷的含水層失水情況，即查明含水層之間弱透水層的越流補給情況，也是抽水試驗的重點。該工作將為降水井的深度、降水井布置等深化設(shè)計提供理論依據(jù)，最大限度降低坑內(nèi)降水對深層含水層的影響，從而降低對周邊環(huán)境的不利影響。

本文采用現(xiàn)場抽水試驗的方法，在天津某地鐵深基坑工程的場地外選擇典型地層分布區(qū)域，進行群井、分層抽水試驗，確定含水層的滲透系數(shù)并且通過數(shù)值模擬反演的方法，獲取深層承壓含水層間弱透水層的垂向越流系數(shù)，判斷上下含水層的水力聯(lián)系。

1 工程概況

某地鐵車站為地下三層島式站臺車站，標準段底板埋深25.97 m，盾構(gòu)井段基坑最大開挖深度約27.77 m。場地60 m深度范圍內(nèi)地下水可劃分依次為潛水、第一微承壓水、第二微承壓水，見圖1。

圖1 典型地質(zhì)剖面

潛水含水層與第一微承壓含水層間的弱透水層較厚，第一微承壓含水層呈層狀分布，局部存在隔水層，第二微承壓含水層與第一微承壓含水層間弱透水層較薄。

2 試驗?zāi)康?/h2>

1）測得各含水層埋深。

2）通過單井試驗，獲取觀測水位數(shù)據(jù)，繪制觀測井水位隨時間的變化曲線。

3）通過單井試驗數(shù)據(jù)，求取各含水層的滲透系數(shù)、單井涌水量等參數(shù)。

4）通過群井抽水試驗，模擬計算深層承壓水間弱透水層的越流系數(shù)，探明場地潛水含水層與第一承壓含水層、第一承壓含水層上下部地層、第一承壓含水層與第二承壓含水層的水力聯(lián)系特征，為確定合理的降壓井降水方案提供依據(jù)。

3 試驗井布置

根據(jù)抽水試驗?zāi)康?，分別在潛水含水層、第一承壓含水層和第二承壓含水層設(shè)置試驗井。其中，潛水含水層設(shè)置2口抽水井和1口觀測井，均采用孔徑700 mm，井徑400 mm的無砂水泥管，井深24 m；第一承壓含水層呈層狀分布且局部不連續(xù)，設(shè)置2口42 m深的試驗井和1口51 m深的觀測井，觀測井用于觀測抽取潛水井和第一承壓水降水井過程中，第一承壓含水層下部地層水位變化；第二承壓含水層距離第一承壓含水層較近，為判定第一和第二承壓含水層的連通性，在第二承壓含水層設(shè)置1口觀測井，主要是觀測上部承壓含水層抽水對下部承壓含水層的影響，判定上下含水層的水力聯(lián)系。承壓含水層試驗井采用孔徑≮650 mm，井徑≮273 mm的鋼管井。見表1-表2和見圖2。

表1 試驗井

表2 試驗工況

圖2 試驗井平面布置

4 單井試驗

對每一含水層初始水位進行了連續(xù)2 d的觀測，潛水含水層平均埋深約為3.3 m，第一承壓水平均埋深約為9.54 m，第二承壓含水層平均埋深約為10.56 m，初始水埋深變化約6 cm/d。

潛水含水層單井試驗采用額定出水量6 m3/h的水泵，實際出水1.5 m3/h，試驗期間動水位降至約-16 m，潛水觀測井水位降深2.18～3.06 m，第一承壓水和第二承壓水觀測井水位均未出現(xiàn)下降趨勢；第一承壓含水層單井抽水試驗期間，抽水井動水位降深約6 m，同層與試驗井相同深度的觀測井水位降深1.42 m，第一承壓含水層下部地層觀測井水位降深0.95 m，第二承壓層試驗井水位降深0.1 m，潛水觀測井水位未有明顯變化，見圖3和圖4。

圖3 潛水含水層單井試驗期間各井水位變化曲線

圖4 第一微承壓含水層單井試驗期間各井水位變化曲線

通過實測數(shù)據(jù)繪制的降深曲線與標準曲線相匹配，能完成數(shù)據(jù)分析。采用Aquifer Test軟件，對本次抽水試驗的實測曲線與標準曲線進行擬合并求取了各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。見圖5-圖6和表3。

圖5 G1-1實測數(shù)據(jù)與標準曲線擬合

圖6 K2-2實測數(shù)據(jù)與標準曲線擬合

表3 含水層水文地質(zhì)參數(shù)

5 群井試驗結(jié)果與分析

分別在潛水含水層和第一承壓含水層進行了群井抽水試驗。潛水含水層群井抽水試驗期間，動水位降深約15 m，潛水觀測井水位降深4.13 m，第一承壓含水層和第二承壓水觀測井水位并未出現(xiàn)下降趨勢；第一承壓含水層群井試驗期間，動水位降深約10 m，第一承壓含水層觀測井水位降深2.23 m，第二承壓含水層觀測井水位降深0.12 m，潛水觀測井并未出現(xiàn)下降趨勢。

通過單井試驗取得的含水層水文地質(zhì)參數(shù)和群井試驗取得的井流和水位觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬的方法進行反演分析，獲得場地弱透水層的擬合參數(shù)，見圖7。通過模擬計算，擬合出第一和第二承壓含水層之間的弱透水層的垂向滲透系數(shù)為0.042 m/d。

圖7 G3-1實測數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果擬合曲線

6 試驗結(jié)論

1）分析單井和群井試驗期間各含水層觀測井水位變化數(shù)據(jù)，說明潛水與其下部承壓含水層水力聯(lián)系不明顯，而第一承壓含水層上下地層存在連通性，第二承壓含水層與第二承壓含水層存在一定的水力聯(lián)系。

2）通過抽水試驗獲取了各含水層的初始水位。

3）通過單井抽水試驗數(shù)據(jù)，獲取了各含水層滲透系數(shù)以及儲水系數(shù)。

4）通過群井抽水試驗數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬反演得出第一、第二微承壓含水層間弱透水層的垂向滲透系數(shù)為0.042 m/d，為后續(xù)確定合理的減壓降水方案提供了理論依據(jù)。