趙 浩

(上海康營環(huán)境工程有限公司,上海 200125)

0 引言

巨厚圓礫層作為昆明的代表性土層，主要分布在北京路沿線環(huán)城北路—金色大道區(qū)域及周邊，具有厚度大、儲(chǔ)水量豐富、滲透性強(qiáng)、工程風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。目前昆明地區(qū)關(guān)于地下水控制的研究較少，尤其是儲(chǔ)水量豐富的巨厚圓礫層的地下水研究更是極少，對于無圍護(hù)狀態(tài)下的敞開式降水，其降水難度、降水風(fēng)險(xiǎn)及工程施工風(fēng)險(xiǎn)都非常大。本次課題研究依托昆明軌交首期工程某出入口暗挖通道，對昆明巨厚圓礫層中地下水控制起到借鑒作用。

1 工程概況

本暗挖通道橫穿昆明市北京路，采用暗挖法施工。暗挖通道尺寸為60 m×8.2 m×5.5 m，埋深9.65 m。暗挖通道在大管棚和平頂直墻頂部的單排小導(dǎo)管施工后，便進(jìn)入開挖階段，期間無任何圍護(hù)及隔水措施。

2 工程降水分析

本工程地基土主要為：①1雜填土(層厚0.30 m～6.00 m),①2素填土(層厚2.10 m～4.00 m),②3粘土(層厚1.00 m～3.10 m，頂面埋深2.00 m～5.00 m),②4粉土(層厚1.00 m～2.10 m),③1圓礫土(局部50 m未揭穿，頂面埋深4.60 m～8.10 m),③1-2粘土(層厚0.80 m～4.20 m),③1-3粉土、粉砂(層厚0.80 m～4.20 m)，其中圓礫層為本工程的主要含水層，尤其是圓礫層具有飽和、滲透性強(qiáng)、厚度大、埋藏淺、局部膠結(jié)等物理特性，易發(fā)生大量涌水、涌砂、塌方等工程風(fēng)險(xiǎn)。在施工中，為保證施工安全和工程質(zhì)量，應(yīng)盡量避免在水下作業(yè)。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谧鳂I(yè)面時(shí)，應(yīng)采取隔水、降水措施。

降水施工階段測得含水層的水位埋深為7.90 m(施工時(shí)處于枯水期，該水位低于勘察水位5.99 m)，因含水層水位隨季節(jié)呈周期性變化，降水設(shè)計(jì)時(shí)取不利值5.99 m。暗挖通道整體位于巨厚的圓礫層中上部，考慮在暗挖通道周邊布設(shè)降水井，降低圓礫層中地下水的水位，減小暗挖通道施工的地下水風(fēng)險(xiǎn)。含水層的水位降至掌子面仰拱以下1.50 m，即安全水位應(yīng)控制在11.15 m(降深5.16 m)。

降水井隔水帷幕作用機(jī)理：本工程為無圍護(hù)狀態(tài)下的敞開式降水，當(dāng)開啟降水井進(jìn)行長時(shí)間抽水，其動(dòng)水位和出水量逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)形成一個(gè)以抽水范圍為中心的漏斗狀地下水浸潤面，從而改變周圍地下水的滲流路徑，類似在漏斗區(qū)域內(nèi)形成隔水帷幕，有效控制地下水對工程施工的風(fēng)險(xiǎn)，見圖1，圖2。

3 抽水試驗(yàn)

3.1 單井抽水試驗(yàn)

利用J1～J3進(jìn)行單井抽水試驗(yàn)，其中J1為抽水井，J2,J3為觀測井，試驗(yàn)井的間距為6 m～6.5 m，抽水及觀測時(shí)間為24 h，實(shí)測含水層的初始水位埋深為7.90 m。單井抽水24 h，觀測井J2的最終水位降至8.89 m(降深0.99 m)；觀測井J3的水位降至8.67 m(降深0.77 m)；抽水井J1的動(dòng)水位降至11.50 m(降深3.60 m)，單井出水量約為285.6 m3/d。單井抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)曲線見圖3。

3.2 群井抽水試驗(yàn)

利用J1～J3進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)，其中J1,J3為抽水井，J2為觀測井，抽水及觀測時(shí)間為24 h。群井抽水試驗(yàn)初期，觀測井的水位下降速率較大，隨著抽水時(shí)間的延續(xù)，增長速率逐漸減小。群井抽水24 h，觀測井J2的最終水位降至10.07 m(降深2.17 m)，抽水井的單井出水量約為233.5 m3/d。群井抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)曲線見圖4。

3.3 求參

利用單井抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。本工程為潛水非完整井井流，根據(jù)下列公式計(jì)算含水層滲透系數(shù)：

其中,Q為單井出水量，取285.6 m3/d；R為抽水影響半徑，m；r為抽水井半徑，0.135 5 m；Ha為含水層有效厚度,15.76 m；ha為濾水管進(jìn)水端到含水層有效端底部的距離，12.16 m；L為過濾器進(jìn)水部分長度，6.85 m。

根據(jù)抽水試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可以看出，本工程含水層水位埋深較淺、厚度大、單井出水量大、滲透性強(qiáng)，且抽水影響范圍內(nèi)不存在隔水邊界，貯藏豐富的地下水成為工程施工的重大危險(xiǎn)源，因此工程施工過程中應(yīng)采取有效的地下水控制措施。

4 降水設(shè)計(jì)

4.1 降水井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)特性、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，主要需控制淺部圓礫層中的地下水，經(jīng)分析采用管井降水進(jìn)行地下水重點(diǎn)控制。含水層的水位降至掌子面仰拱以下1.50 m，安全水位應(yīng)控制在11.15 m(降深5.16 m)。

本工程為無隔水帷幕狀態(tài)下的敞開式降水，降水井布置于暗挖通道兩側(cè)。參考抽水試驗(yàn)，結(jié)合滲流規(guī)律，降水井設(shè)計(jì)間距為6 m～8 m，在驗(yàn)算范圍內(nèi)共布置20口降水井(含備用兼觀測井)，井號(hào)為J1～J20。

4.2 降水井平面位置設(shè)計(jì)

降水井的平面位置是否合理，決定了降水的成敗及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需結(jié)合地下水滲流規(guī)律、工程及降水特點(diǎn)進(jìn)行布置。本工程暗挖通道為條帶狀，設(shè)計(jì)水位降深5.16 m，降水井沿暗挖通道兩側(cè)呈單排直線形布置，考慮管棚的施工范圍影響，降水井沿暗挖通道兩側(cè)離開暗挖通道邊緣3 m。降水井平面位置見圖5。

若地下工程位于巨厚圓礫層的中下部，水位降深需求大，則需采用深層管井降水。根據(jù)地下水滲流規(guī)律，水位降深增加，同一過水?dāng)嗝娴乃ζ露仍黾?，抽水的補(bǔ)給量增加，當(dāng)抽水時(shí)間足夠長時(shí)，Q補(bǔ)給≈Q抽水，井流逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，則水位下降變緩，巨厚圓礫層深層降水的難度和風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大。若水位降深需求大，且無其他隔水措施或隔水措施效果不佳，則可采用雙排或多排“階梯式分級降水”方式。即將降水井分雙排或多排錯(cuò)落布置于工程周邊，降水井深度可“內(nèi)深外淺”呈階梯狀，外排降水井主要降低施工區(qū)域含水層上部地下水，同時(shí)改變周圍地下水滲流路徑，減小補(bǔ)給；內(nèi)排降水井主要降低施工區(qū)域含水層下部地下水，使其達(dá)到工程施工要求。

以昆明軌交首期工程某聯(lián)絡(luò)通道為例，其地質(zhì)及水文條件與該暗挖工程類似，開挖深度大，最大開挖深度為25.179 m(控制水位埋深26.679 m，水位降深20.099 m)。僅在工程施工位置及其外圍3 m范圍內(nèi)采取了高壓旋噴加固，除此之外無其他隔水措施。根據(jù)工程降水特點(diǎn)，采用雙排井點(diǎn)進(jìn)行階梯式分級降水，外排井點(diǎn)主要降低聯(lián)絡(luò)通道上層的水位，內(nèi)排井點(diǎn)則將含水層的水位降至聯(lián)絡(luò)通道及廢水泵房以下1.5 m。該聯(lián)絡(luò)通道共施工10口降水井(含備用兼觀測井)，內(nèi)排井點(diǎn)的深度為35 m，井號(hào)為Y1～Y4；外排井點(diǎn)的深度為32 m，井號(hào)為Y5～Y8；備用兼觀測井布置于降水井中部，深度為35 m，井號(hào)為YG1～YG2。通過合理的降水設(shè)計(jì)與施工運(yùn)行，地下水最終控制在安全水位，為工程安全施工提供保障。某聯(lián)絡(luò)通道降水井平面位置見圖6。

4.3 降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

降水井結(jié)構(gòu)包括：井管、過濾器、沉淀管及圍填濾料。井管主要起保護(hù)井壁的穩(wěn)固作用，和過濾器的直徑相同；過濾器應(yīng)有足夠的孔隙率，保證降水井正常進(jìn)水；沉淀管可防止沉砂淤塞影響過濾器進(jìn)水，直徑與過濾器相同，長度一般為1 m～2 m；過濾器外部應(yīng)圍填濾料，起過水濾砂作用。根據(jù)本工程降水特點(diǎn)，綜合考慮基坑開挖深度、井損及水力梯度的影響，降水井的深度設(shè)計(jì)為19 m。詳細(xì)降水井結(jié)構(gòu)見圖7。

4.4 降水效果反演計(jì)算

根據(jù)本工程工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件建立三維數(shù)值模型進(jìn)行降水計(jì)算分析：降水井開啟抽水時(shí)，水位可降至11.20 m～11.70 m，能夠滿足安全水位控制要求。水位埋深模擬計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

5 抽水驗(yàn)證

正式降水運(yùn)行前期，開啟降水井J6,J8,J10,J18,J20進(jìn)行抽水驗(yàn)證，期間觀測J19水位，抽水3 d時(shí)，觀測井的水位降至11.15 m(等于安全水位埋深11.15 m)。由此可見，現(xiàn)有降水井抽水水位可以滿足開挖階段降水要求，對地下水的控制方法合理、可行。測量結(jié)果見表1。

表1 降水運(yùn)行水位記錄表(J19)

觀測時(shí)間初始水位第1天第2天第3天水位埋深/m7.9011.0011.0311.15水位降深/m—3.103.133.25

本工程采用額定流量為15 m3/h～20 m3/h潛水泵抽水，起初群井抽水單井出水量約為8 m3/h～15 m3/h，抽水約1 d后開始出現(xiàn)出水口喘氣現(xiàn)象，最終單井出水量穩(wěn)定在5.75 m3/h～12.5 m3/h。

6 結(jié)語

本工程以降水作為主要的地下水控制措施，抽水運(yùn)行過程中暗挖通道地層中的水位降至掌子面以下，各抽水井的水位基本位于井底，形成一個(gè)以抽水范圍為中心的漏斗狀地下水浸潤面，從而改變周圍地下水的滲流路徑，類似在漏斗區(qū)域內(nèi)形成隔水帷幕，有效的阻隔了周圍地下水向暗挖通道的滲流。通過開啟布置于暗挖通道兩側(cè)的降水井進(jìn)行抽水，暗挖通道施工順利完成，達(dá)到了成功控制地下水的目的。可見，降水井作為隔水帷幕措施在本工程的應(yīng)用是可行的，可以在類似工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

若以此方法作為地下水的主要控制措施，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)正式施工前必須進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際抽水試驗(yàn)，了解工程施工區(qū)域含水層的水力特性，制定合理的降水設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行方案。

2)需設(shè)置備用兼觀測井，一般情況作為觀測井不開啟，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚝畬铀徊荒軡M足要求時(shí)開啟。

3)降水運(yùn)行時(shí)配備備用電源，即采用二路用電，且在一路電源異常時(shí)能迅速啟動(dòng)。

4)降水深度越大，地下水的風(fēng)險(xiǎn)越大，除注意以上幾點(diǎn)外，建議采用降水井的同時(shí)，配合地基加固等水土處理措施。

5)若水位降深需求大，且無其他隔水措施或隔水措施效果不佳，則可采用雙排或多排“階梯式分級降水”措施。