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广州地铁三号线北延段燕塘站水文地质试验及基坑涌水情况分析

作者: 来源: 发布时间:2014-2-10 0:00:00  点击数:3228

摘要:本文分析了燕塘站水文地质情况,并进行水文地质试验,从水文地质条件出发探讨、分析基坑开挖涌水情况及处理措施建议。
关键词:地铁、基坑、水文地质试验、涌水量预测

1前言
在地铁建设中,车站一般采用明挖法施工,其必然面临与基坑降水有关的各种问题,通常基坑周围岩土介质具有非均质性、各岩土层分布形式复杂多变,使得地下水边界条件亦各不相同,因而如何正确预测基坑涌水量的大小,是勘察、设计、施工各方共同面临的问题。本文依据广州市轨道交通三号线北延段燕塘站工程地质资料及水文地质试验成果,对基坑开挖涌水情况进行分析,并提出处理措施建议。
2场地水文工程地质条件
场地为山间冲洪积洼地,地形西部高,东部低平。场地内分布残积土与全、强风化岩遇水崩解,基岩为燕山期花岗岩,中、微风化岩埋藏深度大,层位分布较稳定,微风化基岩的完整性较好。受构造影响,存在风化深槽,深度达40多米。场地的主地下水含水层为第四系冲洪积砂层及下部花岗岩强、中风化岩层,地下水类型按其赋存方式分为第四系松散层孔隙潜水和基岩风化裂隙承压水。全风化岩和残坡积土以土性为主,透水性差,在一定程度上起到相对隔水作用。
基坑面积86.2×28.8m,深32m,基坑底部地层为花岗岩全、强风化层,在基坑开挖过程,在上覆压力减少,地下水涌出情况,易发生开挖面软化,强度降低,基坑失稳。因此对地下水的控制是工程成败的关键,需进行抽水试验以便了解此类地层地下水渗流性,采用降水施工对本站区基坑开挖的适应性。
3抽水试验设计
3.1抽水孔布置
根据详勘地质资料,本次抽水沿基坑内强、中风化岩层较厚处布置2个抽水孔、6个观测孔。由于基坑宽度约28.8m,故两个抽水井间距布置为32m,两抽水井间直线布置3个观测孔,外延各布置1个和2个观测孔,以便了解连续墙对降水影响的滞后性。
图1:抽水孔、观测孔平面布置图
3.2水文试验孔的结构
(1)抽水孔井体构设计
由于花岗岩的承压水主要赋存在强、中风化岩的节理裂隙发育地段,因此2个抽水孔均要求穿过强、中风化岩的节理裂隙发育带,孔深约45m。抽水孔全孔孔径为Φ219mm,并在抽水段下146mm滤管,上部下146mm套管,并在抽水段填滤料,上部填粘土球。根据含水砂层的颗粒大小、滤管规格选用不同规格的滤水圆砾,在投放滤水砾石时,采用边冲清水、边投放的方法填砾,砾石填充在抽水段,然后上部再投入粘土球封隔,以防上部水渗入。
(2)观测孔井体结构设计
本次抽水试验共设6个观测孔,从地面施作,其中5个观测孔均深均要求穿过强、中风化岩的节理裂隙段,孔深约45m左右;1个(第2观测孔)设在强、中风化岩的界面。通过上述观测孔的设置分别对全、强风化岩层进行降水效果的观测。观测孔全孔孔径Φ91mm,并下53mm井管,在观测段填滤料,上部填粘土球。
3.3抽水方案
结合试验目的本次抽水试验分二期进行,第一期先进行单孔抽水,了解单孔抽水时强、,转自[星论文网]www.starlunwen.net中风化岩土层中的水压力,得出相关参数,明确强风化、中等风化岩层中的承压水对基底花岗岩残积土的水力影响。第二期进行群孔混合抽水,了解群孔抽水时强、中风化岩土层中的水压力,及群孔抽水时,降深的影响半径,确定基坑降水的适应性。
4抽水试验成果
4.1资料整理
根据现场抽水试验原始数据,通过整理分析,对于单孔和多孔抽水试验均绘制了抽水过程中,观测孔水位随抽水时间变化的S~T曲线、抽水孔流量与时间变化的Q~T曲线,出水量随时间变化的Q=f(t)曲线、以及观察孔水位随时间变化的S~T曲线图,以及恢复水位曲线,多个时间段的降落漏斗曲线。
图2:抽水试验成果曲线图
4.2渗透系数及影响半径的计算
根据试验目的主要是针对强、中风化基岩裂隙水进行抽水试验,该含水层中的地下水类型为承压水。整个抽水过程采用近似稳定流抽水。依据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》及《水文地质手册》相关内容,含水层的赋存条件和地下水动力特点选定,其渗透系数计算按承压水完整井带一个观测井公式:
  ;
式中:Q—抽水孔流量(m3/d),rw—钻孔出水段半径(m),r1—抽水孔至观测孔距离(m),Sw—抽水孔水位降深(m),S1—观测孔水位降深(m),M—承压水含水层厚度(m), R—影响半径(m)。计算结果见下表。
抽水孔 CS01 CS02
降深次数 1 2 1 2 3
渗透系数k(m/d) 0.173 0.191 2.741 1.292 1.074
影响半径(R) 10.50 11.00 9.70 11.50 49.00

由于本场地的目标试验层(基岩裂隙承压水)水文地质条件非常复杂,含水层层位变化大,甚至缺失,而且呈各向异性,与理论模型不能进行类似对应,故对于该项参数计算仅供参考。
5成果分析
根据抽水试验成果对本场地的水文地质条件及地下水的赋存条件分析如下:
(1)从抽水试验过程中的数据及水位恢复观测来看,本场的基岩裂隙水为承压水,承压水头为30米;
(2)从2个抽水孔的单孔涌水量看,CS01日出水量17.2m3/d、CS02日出水量437m3/d,单孔涌量差别较大,差别达到了25倍。从地层角度分析,CS01含水层中风化层缺失,强风化岩层与微风化岩层直接接触,主要含水层为强风化岩层;CS02含水层则为强、中风化岩层均有分布。从钻探岩芯对各个土层的水文特性进行分析,残积土层及全风化层风化程度较高,呈土状为主,含有较多的粘性颗粒,渗透较差,可视为相对隔水层。中风化岩层岩芯风化较严重,呈破碎状、裂隙发育,为强透水层,是本场地的主要含水层;强风化岩层为全风化层及中风化岩层的过渡层,从岩芯看,上半部分岩性接近全风化层以土状为主,透水性较差,水文特性与全风化层相似,下半部分岩芯以岩石碎块为主,保持原岩结构,风化裂隙发育,渗透性较多,是本场地的含水层。各个抽水孔的涌水量的差异主要根各孔的含水层的分布的有关。
(3)根据CS01、CS02及相应观测孔的S~t曲线看,二个抽水孔的水位降深别达到25m、20m,而相应观测孔的最大降深分别为0m,6.5m。说明CS01抽水期间,观测孔的水位下降幅度很小,降水效果不明显,CS02抽水期间,观测孔的水位有所下降,但幅度不大,且观测孔水位的变化无规律性,特别是距抽水孔远的观测孔的水位降深反而较大。本场地基岩裂隙水含水层主要为中风化岩层,受裂隙发育影响较大,地下水的渗流主要沿裂隙发育方向进行,而裂隙的横向连通性差。含水层的渗透性具有明显的各向异性,抽水孔降水时仅对相互连通的裂隙有一定作用。同时根据Q~t曲线,相应渗透系数为0.18m/d、1.7m/d,也说明了不同地段含水层的渗透性差异性较大。
(4)另根据群孔抽水试验抽水过程中观测孔的S~Q曲线,说明在抽水期间,抽水量持续上升,观测孔水位虽有下降但是最终趋于稳定,进一步说明该地层地下水补给充分,并且同样可以说明该地层采取抽水孔抽水,在抽水孔水位稳定、抽水量稳定的情况下连续抽水,难以排降周边土体的水位。
(5)根据抽水期间周边建筑物的沉降监测数据分析,周边建筑物的沉降对地下水的抽取反应较为敏感,但在抽水停止后,沉降量明显发生了回弹,说明抽水是沉降产生的主因。但同沉降发生的范围来看,沉降的发展并未呈放射状分布,而是呈方向性分布。结合场地的含水层主要为中风化岩层,地下水的渗流及赋存主要在风化裂隙中,形成独立的过水通道,沉降的发展主要是沿地下水的渗透通道进行。
6结论及建议
(1)本场基坑底部地下水为承压水,在基坑开挖至基底宜发生涌水,造成基底软化。
(2)该类型场地地下水含水层主要为花岗岩中风化层和强风化层中粘粒含量较低部分。对于花岗岩强风化层中,粘粒含量高,岩芯呈土状部分透水层差,遇水易泥化;粘粒含量低,岩芯呈碎状部分,含水量大,渗透性好,是富水含水层。
(3)根据抽水试验,本场地下水特别下层基岩裂隙水丰富,渗透性较强,但由于基岩裂隙发育存在随机性,相互之间的连通性较差,采用降水方案来降低基坑内的地下水位的方法效果不明显,在施工中不宜采用该方案。
(4)建议在基坑开挖前应采用有效的止水措或加固措施,对基底地层进行处理,防止基坑浸泡软化。
参考文献:
[1]国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB50307-1999);
[2] 刘泽强《水文地质手册》2010年4月 中国地质出版社。


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