天津濱海新區某深大基坑工程的水文地質勘察和分析評價

屈新文

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

1 工程概況

1.1 工程概況

天津濱海新區某深大基坑工程位于規劃的濱海新區某中心商務區的北端,位于海河北岸,東、西、南三面環水。總建筑面積約為158 700 m2,設計為地下三層。

其中,規劃的三條地鐵線A、B、C交匯于本基坑工程,形成交通樞紐。城際鐵路也引入該基坑工程,車場位于地下二層,大致呈南北走向；其東側緊鄰并行規劃地鐵A線,規劃地鐵B線于于家堡站西側通過,大致呈南北走向；規劃地鐵C線大至呈東西走向,從B線、城際站場、A線下方穿過。

該基坑工程將成為濱海新區商務核心區最主要的出租、鐵路、城市軌道交通的綜合換乘站。

1.2 設計概況

城際車場、A線和B線位于地下二層,A線同城際鐵路站臺層基坑深度約21 m,B線基坑深度約17 m；C線位于地下三層,基坑深度約28.5 m；配套的社會停車場、出租車場等區域基坑深度為約10～17 m。

設計圍護結構形式為地下連續墻；大部分為明挖法施工,部分為蓋挖法；設計預計采用的抗拔樁從結構底板算起約為40～65 m。

2 水文地質勘察需要解決的問題

查明場地的水文地質條件,是基坑工程設計施工的關鍵,直接影響到工程的成敗。要求勘察階段詳細查明場地隔水層、含水層的分布范圍；詳細查明各層地下水的水位、水量、滲透系數和影響半徑等水文地質參數；詳細查明各層地下水的水力聯系；詳細查明各層水的腐蝕性。同時要求勘察單位結合擬建工程場地的水文地質條件,對設計和施工給出合理的分析評價和措施建議。

3 場地的地質條件

3.1 地形地貌

工程所處地區為沖海積平原,地形平坦開闊,工程周圍現均為既有建筑,地面高程一般-0.49～0.21 m,相對高差一般小于2 m。

3.2 地層巖性

勘探揭示,場地范圍內表層為第四系全新統人工填土層(Qml),下為海陸交互相地層。具體分布如下。

分布在地表層的第四系全新統人工填土層：主要為雜填土及素填土,深度0.6～3.2 m。

深度3.2～22 m：為第Ⅰ陸相層(Q13al)、第Ⅰ海相層(Q42m)和第Ⅱ陸相層(Q41h+al)層,地層以粉質黏土、黏土、淤泥質粉質黏土為主,其次零星分布的粉土層多以透鏡體形式存在,水平和垂直方向分布不連續,厚度一般為0～4.4 m,構成上部潛水含水層。

深度22～25 m：為第Ⅱ陸相層(Q41h+al)層,地層以粉質黏土、黏土為主,構成上部潛水層與下部承壓水層的相對隔水層。

深度25～58 m：為第Ⅲ陸相層(Q3eal)、第Ⅱ海相層(Q3dmc)、第Ⅳ陸相層(Q3cal),地層以粉細砂、粉土為主、其次零星分布的粉質黏土及黏土透鏡體。平均厚度約30 m的粉土、粉細砂層，構成本基坑工程范圍的主要含水層,對設計施工的影響最大,也是水文地質勘察的重點。

深度58～90 m：為第Ⅳ陸相層(Q3cal)、第Ⅲ海相層(Q3bm)、第Ⅴ陸相層(Q3aal)和第Ⅳ海相層(Q23mc),巖性以粉細砂、粉土、粉質黏土和黏土呈互層狀存在。其中的粉土、粉砂層構成了下部含水層。

綜合分析：本基坑工程地層特點是,海相層較厚,陸相沉積地層對較薄,約25 m以上主要為黏性土,以下主要為粉土、粉細砂,局部分布黏性土層。地層和含水層大致分布情況見圖1。

圖1 代表性地質剖面

3.3 水文地質條件的區域性認識

受基底構造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進、海退等綜合因素影響,天津地區水文地質條件復雜。場地內地下水類型可分為淺層地下水和深層承壓水。對本工程影響較大的主要為淺層地下水,淺層地下水又分為上部潛水層和下部承壓水層。粉土、粉細砂層構成含水層,黏性土層構成相對隔水層。

4 水文地質試驗工作量及成果

4.1 試驗井工作量及井的布置

本次針對該基坑范圍地下水進行專項的水文地質勘察,為查清場地的潛水層、承壓水層水文性質,布置大口徑群井抽水一處。

依據本場地的工程地質條件、含水層組的埋藏深度與分布特征，以及場地現場條件,布置抽水井和觀測井。

在潛水層布置1口觀測井(G3)。

⑦2、⑦4、⑦9層26.5～33.9 m承壓含水層布置1口觀測井(G4)。

⑧4、⑧5層33.9～51.0 m承壓含水層布置5口井(抽水井K1～K3；觀測井G1～G2)。

⑧4、⑧5、⑨2、⑨4混合層51.6～58.8 m承壓含水層布置1口觀測井(G5)。

⑩2、⑩4混合層62.2～69.9 m微承壓含水層布置1口觀測井(G6)。

施工井群平面布置見圖2。

圖2 井群平面布置(單位：m)

井的結構剖面見圖3。

圖3 井結構剖面(單位：mm)

4.2 資料整理分析

(1)單井抽水試驗分析

不同流量下的單井抽水試驗進行了2次降深,當Q=26.5 m3/h,主抽水井的水位降深為6.04 m；當Q=53.42 m3/h時,主抽水井的水位降深為11.48 m。即而可得S-Q的關系(如圖4所示),計算得K1井的單位涌水量約為1.16 L/(s·m)。在抽水層中,各觀測井的水位與觀測井與抽水井距離的關系如圖5所示。當用小流量抽水時，其影響半徑為100.4 m；當用大流量抽水時,其影響半徑為102 m。

圖4 S-Q關系曲線

圖5 各觀測井的水位與觀測井與抽水井距離的關系

利用承壓水非完整井穩定流理論可以計算得到⑥2至⑨2層(20.7～58.8 m)混合含水層的滲透系數為

式中：m1,m2為過濾器中部到隔水層的距離；l為過濾器長度；A與a的關系可以通過曲線圖求得。

通過單井試驗結果根據上式求得混合含水層(⑥2至⑨4層)的滲透系數為K=4.56 m/d。

(2)群井抽水試驗

利用K1,K2和K3三口井同時抽水,其他井作為觀測井。

三口抽水井啟動抽水后,每口井的出水量比較穩定,K1井平均出水量為25.5 m3/h,K2井平均出水量為35.5 m3/h,K3井平均出水量為13.2 m3/h,群井抽水試驗抽水持續7 d,井的出水能力并無衰減。三口井同時運行后,平均總出水量約為74.2 m3/h,每日出水量約1780.8 m3/d。

(3)水力聯系分析

G4,G5和G6三井的水位降深值大,說明各承壓含水層間水力聯系密切,而G3水位基本未變化,說明潛水含水層與各承壓含水層間水利聯系微弱。觀測井G6水位降深達到5.91 m,說明其上覆隔水層隔水效果差。

(4)水位恢復試驗

在群井抽水試驗(K1、K2和K3同時抽水)結束后,對每個觀測井的水位均進行了水位跟蹤觀測,直到水位穩定為止。

通過分析得出下述結論：水位恢復10％,大約需要3 min；水位恢復20％,大約需要8 min；水位恢復60％,大約需要5 h。

(5)水文試驗

各層水的靜止水位如下。

潛水含水層：1.43 m。

⑦2、⑦4、⑦9微承壓含水層：8.00 m。

⑧4、⑧5微承壓含水層：9.00 m。

⑧4、⑧5、⑨2、⑨4微承壓含水層靜止水位：9.10 m。

⑩2、⑩4微承壓含水層靜止水位為9.62 m。

根據單井抽水試驗結果,計算得到了抽水井的影響半徑范圍為100 m,深度50.00 m的抽水井的單位涌水量為1.16 L/s·m,通過單井試驗結果，混合含水層的滲透系數為k=4.56 m/d。

通過群井抽水試驗數值模型的識別與驗證,水頭隨時間的動態變化可以看出,模擬計算的曲線與實際觀測的曲線擬合很好,說明單井抽水試驗取得的水文地質參數真實的反映了含水層的水文地質特性。

通過單井試驗及群井試驗數值反演結果,場地的水文地質參數建議采用表1的數據。

表1 群井抽水試驗成果

群井試驗中,各觀測井測得的水位變化表明，各承壓含水層間水力聯系密切,而潛水含水層與承壓含水層間水力聯系微弱。

通過水位恢復試驗分析得出下述結論：水位恢復10％,大約需要3 min；水位恢復20％,大約需要8 min；水位恢復60％,大約需要5 h。

5 建議

場地地質條件復雜,加上工程的重要性,建議選擇具備相應資質的單位進行專項的降水設計和降水施工。

地下一層挖深10 m部分基底位于第Ⅰ海相層的淤泥質土和黏性土層中，考慮采用疏干井疏干上部潛水層,維持干槽作業即可；經初步計算,下部承壓水含水層對基底滲流穩定沒有影響,不必設置減壓井；地連墻深度可不必考慮封閉下部的承壓水含水層,滿足穩定性要求即可。

地下二層挖深17～21 m基底大部分位于第Ⅰ海相層和的黏性土層中,部分位于第Ⅱ、Ⅲ陸相層的粉土承壓含水層中；地下三層挖深28.5 m基底大部分位于第Ⅲ陸相層的粉砂承壓含水層中。除維持疏干井疏干潛水以外,必須考慮下部承壓水對基底滲流穩定性的影響,需設置減壓井。

疏干井的深度應針對不同挖深段，結合含水層分布情況分別考慮,原則上深度不要超過14 m；以最大限度地拉大井底深度與下部承壓水頂板之間的距離,避免溝通下部承壓水為宜；疏干井與坑底之間的潛水可采用集水明排解決。

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