李钊1 陈伟青2 姚福全2 肖支飞2
（1，广州地铁集团有限公司，广东广州；2，广东华隧建设集团股份有限公司，广东广州）
摘要：以广州地铁8号线同德围站工程为研究背景，采用现场试验和理论验算相结合的方法，研究在灰岩地区溶蚀凹槽明挖车站范围内地下水水流规律，研究结果表明：经过对CS1井加固前后抽水试验的资料对比分析，表明加固体后对基坑地下水起到了一定的隔水作用，从整个基坑隔水效果评价为较差，可能加固周边区域或基坑其他地方还有地下水补给通道； CS4井在试验初期坑外观测井SW10与主井水位降深具明显的同步下降，这说明在小基坑内、外仍具水力联系，可能是连续墙下岩溶通道或墙底绕流；因试验区为灰岩地区，地质条件和水文条件均较复杂，单从CS1井抽水试验时坑外观测井水位变化较小的情况则不能完全排除基坑内外无绕流的情况，结合周边建筑沉降物监测数据成果及溶蚀凹槽段揭露的地质条件，认为基坑内外仍具绕流的可能性。
关键词：灰岩地区溶蚀凹槽；明挖车站；抽水试验；绕流。
0引言
随着我国城市化水平的不断提高，高层建筑、超高层建筑、城市地下空间的综合利用等项目已经成为当今城市工程建设的主体。城市的可持续发展很大程度上依赖于城市地下空间的有效开发利用，这些项目的建设往往需要面临基坑工程。基坑开挖都将面临地下水对基坑施工造成的影响问题。甚至造成难以挽回的损失，选择恰当的地下水处理措施显得非常重要，通过抽水试验对基坑进行降水并进一步研究区域内的水文参数已形成共识。目前国内外学者已有大批学者在不同区域进行了抽水试验研究，并取得丰硕成果。李佩成[1]在黄土地区进行了野外实测试验，得出给水度会随着含水层水量释放，呈现出相应变化规律，简而言之，给水度以时间为变量，呈现出双曲线变化规律。李东炎等[2]通过对抽水进行改进，增加抽水位置和观测位置，利用软件AQTESOLV，以解析解拟合法对大量抽水试验数据进行处理分析。本文依托广州地铁同德围站地下水控制方案设计和工程施工提供准确的水文地质参数，查清了该工程明挖车站地下水水力联系情况，对于防治地铁车站范围内的岩溶突水地质灾害具有重要理论意义和工程实用价值。
1工程背景
广州市轨道交通八号线北延段工程同德围站（图 1）南接鹅掌坦站，北联上步站。车站位于侨德花园西侧，西槎路过环城高速上桥高架东侧地块内，同德围站全长181.6m，标准段宽为20.1m，外挂段宽度36.4m，车站基坑开挖深度为约18.9m，标高为-11.4m。车站采用明挖法施工，围护结构采用1000mm地下连续墙，在车站扩大端柱下设置有抗拔桩。
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图 1 基坑平面图
同德围站北段封闭区块内所揭露地层主要为上部第四系松散层和下伏石炭系壶天群基岩。第四系松散地层自上而下依次为：填土<1>；淤泥<4-2A>、淤泥质土<4-2B>；粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>、砾砂<3-3>；粉质粘土<4N-2>；粉细砂<3-1>、砾砂<3-3>、粉质粘土<5C-1B>、<5C-2>，第四系厚度变化较大从21.6m到大于56.30m。地层岩性及分布特征见地质剖面图 2。
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图 2 地质剖面图
2地下水处治过程与抽水试验
2.1基坑地下水处治过程
同德围站周边交通、住宅等建筑物密集，所处溶蚀凹槽面积大、埋深浅，溶洞发育、地下水力联系十分复杂，疏水、降水导致地下水运移，势必会造成周边建筑物造成开裂倾斜、地表沉陷等不良影响。结合溶蚀凹槽特征及车站周边环境特点，本工程结合“堵水”的防治原则，采用竖向阻断和水平封底的处治方法。竖向阻断具体可采用地连墙、深层搅拌桩等止水帷幕穿透含水层。水平封底则采用三轴搅拌桩等对坑内溶洞较为发育的区域进行阻水。地下水处治流程为图 3
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图 3 地下水处理流程
2.2抽水实验
2.2.1第一次抽水试验目的
在同德围站（北端）溶蚀凹槽范围进行围护结构封闭情况下的抽水试验及地下水位观测，以进一步查清溶蚀凹槽段地下水情况，为车站基底处理方案提供参考依据。本次抽水试验的目的主要为：（1）在封闭基坑范围内进行抽水试验，通过在围护结构内外分别设置水位观测井观测其水位随着基坑内抽水井水位下降时的水位变化，用于判断试验位置（基坑东北角）围护结构下是否存在绕流；（2）通过分别在基坑内外进行分层水位观测及在基坑进行抽水试验分别观测两主要砂层水位变化，以进一步判断承压水水头高度和上、下两层砂的水力联系。
第二次抽水实验目的
根据前期勘察资料及第一次抽水试验成果，本次抽水试验的目的主要为：
（1）通过对原抽水试验主孔SW1进行二次抽水，观测其水位下降及恢复情况，并计算其各降深涌水量，对比前期试验成果，主要用于判断实施重点区域加固体前后基坑地下水情况的变化，并计算现状条件下水文地质参数及基坑内外水力联系情况；（2）通过直接在加固体中进行水文观测及抽水试验，旨在用于判断加固体防水、防渗效果；（3）通过在小基坑西部位布置一组抽水试验系统，主要用于判断基坑西部基坑内、外水力联系情况，根据试验数据计算有关水文参数，并与CS1抽水试验成果进行对比分析。
试验井布置
（1）第一次实验井点布置
原位于基坑东北角位置的勘察钻孔MHBZ3-TDW-B46钻至56.3m仍为砂层，该区段围护结构连续墙最深的插入深度约为37.0m，存在绕流的风险性相对较高，因此本次试验井主要布设在围护结构的东北角。具体井位位置及见附平面布置图。
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图 4 第一次降水井布置平面图
（2）第二次实验井点布置
根据地层及第一次试验孔位布置情况，本次试验钻孔则主要布设在MHBZ3-TDW-B46钻孔附近即围护结构的东北角。根据试验目的及前期勘察钻孔地层情况，CS1抽水井布设在MHBZ3-TDW-C12孔位处，为利用基坑降水井的原抽水试验井，基坑内布置2个观测孔，分别布在MHBZ3-TDW-B49、B50孔位附近编号为SW6、SW7，其与抽水井CS1成一直线。基坑外观测井分别位于MHBZ3-TDW-C8、MHBZ3-TDW-C14孔位附近，编号为SW4、SW5。具体井位位置及见附平面布置图。
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图 5 第二次降水井布置平面图
3基坑涌水量及降水分析
3.1CS1试验数据整理和分析
同时对上、下砂层进行抽水，观测井为MHBZ3-TDW-SW1～SW5（5口观测井），试验共进行了3个降深。试验时间为2014年10月10日11:45～10月12日14:05，各次降深分别为1.97、8.10、17.76m，出水量分别为4.35、12.39、18.75m3/h，稳定时间分别为8.5—8.5—9小时，抽水试验结束后各井均做了恢复水位观测，观测时间约为19.9小时。抽水试验各井观测成果见表 1，s-t曲线见图 6，抽水井CS1的Q-t，S-t曲线见图 7，Q-s、q-s见图 8。
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SW2井在试验的第三次降深时的观测阶段，在井附近车站施工单位进行了有关施工，在地表冲有较多的水，经表层松散层迅速渗透到地下后，导致SW2观测水位发生迅速上升。
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图 8 CS1抽水试验时主井s-t、Q-t曲线
从各观测孔的s-t曲线可以看出，随着基坑内抽水井的水位下降，基坑外的SW4和SW5的观测井水位仅有较小幅度的下降，最大降深为SW4的0.115m。基于坑外水位下降幅度较小，这可能存在三种情况，一是钻孔布置的试验区抽水试验影响范围不具有明显绕流，本段连续墙起到了较好的隔水效果。二是试验区范围内仍可能具有绕流现象，在抽水过程中抽水试验降深影响观测孔水位下降因基坑外部砂层对SW4、SW5两观测孔的水量补给较充足，导致观测孔水位下降幅度不明显。三是试验区连续墙底板残积土层无明显直接绕流，但因砂层直接覆盖基岩之上，可能存在基岩裂隙水的连通绕流情况，如基岩裂隙水通道延伸较远或其与观测井间受残积土及完整基岩的有效隔离，则也可能存在基坑内外具绕流情况下，但观测井水位下降幅度仍较小。
从CS1抽水试验的Q-s、q-s曲线可以反映出，试验含水地层渗透性、补给条件较好，出水量较大。
3.2CS1水文地质参数计算分析
根据本工点埋深，工法，含、透水层的发育程度，地下水类型，采用以上有关参数计算基坑涌水量。现设计降水井深度为底板以下5m，已进入下部承压水含水层，地层情况及渗透系数采用CS1抽水井潜水渗透系数，采用承压水基坑底进水非完整井估算，公式如下：
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式中r0为基坑等效半径，按基坑长、宽比小于10则可看成块状基坑，计算得出r0为54.66m，S为水位降深为基坑底1米，即19.9m，渗透系数采用CS1计算值2.29m/d，估算北端小基坑涌水量Q为9046.3m3。
按设计降水井为管径φ800mm，虑管下至底板以下5m，按CS1地层情况有效虑管为长为11.5m，渗透系数取CS1两次计算渗透系数平均值1.98m/d，以下式计算单井出水能力。
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根据基坑涌水量Q，单井出水能力q，按式n=1.1Q/q可估算降水井数量，计算得n≈5。
以上基坑涌水量及单井出水能力利用的渗透系数均为基坑封闭情况下计算出，和实际地层渗透系数有所差异，因而得出的结果亦是仅供参考。
CS1试验井两砂层含水层厚度为18.6m，据地质资料，虑管底离含水层底仅为0.4m，因此，可把CS1井视为完整井。含水层场地地下水上层砂层含水层为潜水，下层砂层含水层判断为孔隙承压水，因本次抽水试验阶段原坑内SW1、SW2、SW3井均已因施工原因未能保留，为便于与第一次计算资料进行比较，此次仍选择采用单井抽水完整井公式来分别计算有关参数。
根据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》承压水单孔完整井时，计算公式如下：
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上式：K-渗透系数（m/d）；Q-涌水量（m3/d）； H-含水层厚度（m）S：水位降深（m）；R：影响半径（m）；r：抽水井半径（m）。按以上公式计算数据与第一次试验对比结果如表 2：
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以上两次试验均是在围护结构已完成的封闭基坑内完成，从涌水量看，封闭后的抽水涌水量较封闭前勘察时的要小近一半以上，所得的渗透系数和影响半径较勘察时都明显偏小。这是因为封闭基坑限制了地下水补给，且应用的计算公式均为适用于水流线无限延伸的条件下，因而以上参数仅供参考使用，并不能真正指示试验含水层的实际透水、富水性特征。
4基坑涌水量及对比分析
设计降水井深度为底板以下5m，已进入下部承压水含水层，地层情况及渗透系数采用CS1抽水井潜水渗透系数，采用承压水基坑底进水非完整井估算，公式如下：
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式中r0为基坑等效半径，按基坑长、宽比小于10则可看成块状基坑，计算得出r0为31.61m，S为水位降深为基坑底1米，即19.9m，加固前渗透系数采用CS1计算值2.29m/d，加固后采用渗透系数1.29m/d，估算北端小基坑涌水量Q加固前为9046.3m3，加固后为5096m3，加固体实施后小基坑涌水量降低了约43.7%。
以上基坑涌水量及单井出水能力利用的渗透系数均为基坑封闭情况下计算出，和实际地层渗透系数有所差异，因而得出的结果亦是仅供参考。
5结论
通过对抽水试验数据的整理、分析，得到如下的结论：
（1）经过对CS1井加固前后抽水试验的资料对比分析，表明加固体后对基坑地下水起到了一定的隔水作用，从整个基坑隔水效果评价为较差，可能加固周边区域或基坑其他地方还有地下水补给通道。
（2）CS4井在试验初期坑外观测井SW10与主井水位降深具明显的同步下降，这说明在小基坑内、外仍具水力联系，可能是连续墙下岩溶通道或墙底绕流。
（4）因试验区为灰岩地区，地质条件和水文条件均较复杂，单从CS1井抽水试验时坑外观测井水位变化较小的情况则不能完全排除基坑内外无绕流的情况，因为在基坑内抽水时，结合试验场地岩溶发育、水文地质条件复杂等因素，分析认为影响坑外观测井水位下降的因素有多种可能。特别是结合周边建筑沉降物监测数据成果及溶蚀凹槽段揭露的地质条件，认为基坑内外仍具绕流的可能性。
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