板巖地區降水設計初探
——以大連地鐵星醫區間為例

田小甫，賈 雷，王小冬，鄭小燕，賈瑞燕（北京市地質工程勘察院，北京 100195）

板巖地區降水設計初探
——以大連地鐵星醫區間為例

田小甫，賈 雷，王小冬，鄭小燕，賈瑞燕
（北京市地質工程勘察院，北京 100195）

板巖地區地下水類型多以基巖裂隙水為主，其具有賦存區域不規律，補給條件復雜，徑流、滲透參數各向異性等特點。在該區域進行基坑、隧道或其他類地下工程施工時，對于地下水的控制較第四系孔隙水地區更為復雜。目前，對于該類型區域地下水控制技術的研究開展不多，還沒有形成一套較為成熟的設計方法，且在該區域提高降水井成井效率的施工工藝也在摸索之中。為此，本文以大連地鐵星醫區間為例，提出以高密度電法、三維地質建模技術、現場抽水實驗相結合的降水設計思路，最后采用潛孔錘技術作為該區域降水井的主要成井工藝，大大提高了成井效率。以上的嘗試在大連地鐵的降水工程中取得了很好的應用效果，為板巖地區地下水控制工作提供了有益的借鑒。

板巖地區；降水設計；三維地質建模；高密度電法；地下水控制

0　前言

隨著我國經濟的發展，地鐵、地下空間開發類項目如火如荼的開展，在地下水富集地段，需對地下水進行控制以保證工程施工的安全。目前，對第四系孔隙水的地下水控制已經形成了一套較完善的設計和施工體系（降水、堵水和排水）（周志芳等，2014；姜清華等，2006；李再興，2008），但對于基巖地區地下水控制的研究工作不多，未形成一套成熟的設計思路，在該區域進行地下水控制較平原區更為復雜，稍有不慎則造成較嚴重的事故，例如大連地鐵在修建過程中，由于對于基巖地區地下水控制工作認識不夠，且地質條件復雜，先后造成海事大學站、山東路站及春光街站施工現場地面塌陷，造成了巨大的經濟損失。為此，在基巖地區開展地下水控制的研究工作是十分必要的，也具有重大的經濟及現實意義。本文選取大連星海廣場—醫大二院區間為例，探討了大連地區板巖地層內地下水的控制方法及設計流程，為基巖地區地下水控制提供一種新的思路。

1　地下水賦存特點及控制難點

板巖地區的地下水多為基巖裂隙水，根據賦存條件又可細分為風化裂隙水及構造裂隙水。風化裂隙水主要賦存于風化裂隙中，此類地下水發育程度與風化裂隙的發育程度密切相關，全風化板巖遇水極易崩解，形成泥狀物，地下水在全風化帶內滲透系數低，因此板巖全風化帶內地下水不發育，可以等同于弱透水層；板巖中風化帶巖石較新鮮，風化裂隙不發育，風化裂隙水在該帶內不發育；強風化帶裂隙發育規模較大，巖石又具有一定的強度，可以維持裂隙的張開，是板巖地區風化裂隙水發育的主要層位；故板巖地區風化裂隙水在發育程度上隨深度先增大后減小，與全風化帶、強風化帶及中風化帶隨深度上分布具有一致性。構造裂隙水與地質構造伴生，一般延伸較長、埋深較深，可切穿不同巖層；在板巖地區，當板巖層理具有較平緩的產狀時，層間易構成地下水遷移通道，板巖層理與垂直方向的基巖構造裂隙形成聯合，又易形成地下水的富集（趙樹林，2008），此外，風化裂隙水往往與下部基巖構造裂隙相通，接受大氣降水的入滲補，形成具有統一水位的基巖裂隙水系統。

鑒于板巖地區地下水賦存有以上特點，在工程實踐中對其進行控制主要有以下難點：①與第四系孔隙水區相比，板巖地區地下水的富集區分布不規律，在同一場地條件下，不同區段差異較大，因此，采用降水井控制措施時，其降水井的平面位置布置、降水井間距難以確定；②與松散巖類孔隙水相比，板巖地區地下水含水層頂底板起伏較大，如風化裂隙水受強風化層的埋深控制，而構造裂隙水受構造切割深度的影響較大，因此，在采用降水井等控制措施時，降水井的成井深度難以確定；③由于富水區域的平面位置、豎向層位均變化較大，且含水層滲透系數各向異性，因此，對于基坑或隧道涌水量的計算，不能采用平原區基坑涌水量的等效“大井法”；④板巖地區由于巖石硬度高，破碎難度大，對成井工藝的效率要求較高。

2　降水設計思路

（1）根據勘察鉆孔資料，建立場區三維地質模型，將場區內強風化層進行三維上的展示，以其作為風化裂隙水的含水層，了解其平面分布及縱向的頂底板埋深，確定風化裂隙水的賦存位置；

（2）采用高密度電法查明控水構造的位置及產狀，找出構造裂隙水的富集位置及埋藏深度，已有的工程實踐表明，高密度電法是一種相對有效、速度快的物探方法，在基巖地區地下水勘查中取得了良好的應用效果（鮑世才等，2012）；

（3）在地下水富集地段進行現場抽水試驗確定滲透系數；

（4）根據基巖地下水的富集程度、含水層位頂底板埋深將場區邊界分成若干的進水斷面，對每個進水斷面采用斷面法計算流入場區水量，將各個斷面的進水量疊加即為整個基坑或隧道的涌水量；

（5）在場區邊界布置降水井，降水井的布置遵循以下原則：①在構造裂隙水富集區邊界適當加密布置降水井；②在強風化底板低洼處的邊界加密布置降水井；③在結構底板由強風化層進入全風化層交界處加密布置降水井；

（6）根據每個斷面的降水井數量及計算得到的斷面進水量，確定每個降水井采用的泵量；

（7）根據構造富水區埋藏范圍、強風化層底板及結構底板深度確定降水井的深度，遵循以下原則：①對于構造裂隙水不發育地段，降水井進入中風化基巖2m；②若基巖構造裂隙水發育，且在結構底板以上時，降水井井深應以穿過構造裂隙2m并進入中風化基巖控制；③當構造裂隙范圍超過結構底標高則井深應以進入結構底板以下2m控制。

小型農田水利工程的管理不到位也是導致生態環境破壞的主要原因之一，施工期間加大現場環境的管理力度，使施工各單位嚴格按規章制度施工，對環境產生影響的各環節要嚴格檢查，施工標準必須符合國家標準，例如在污水處理過程中，相關管理監督部門要嚴格監督廢水處理達標才能進行排放，確保在建設過程中給生態壞境的傷害降到最低。在小型水利工程投入使用后，管理部門要定期對庫區水質進行檢測能夠及時發現問題，對水底淤泥進行合理清理，保證生態環境的平衡。

板巖地區降水設計流程如圖1所示。

圖1　降水設計流程圖Fig.1 The dewatering design flow chart in slate area

3　工程實例

3.1工程概況

擬建大連地鐵1號線工程星海廣場站至醫大二院站區間位于中山路沿線主干道之上；區間起始里程為DK14+718.733～DK15+689.087，長約970.4m，設計范圍為DK14+718.733～DK15+150；設計結構底板高程-8.0～-0.24m，擬采用暗挖法施工。隧道正線北側建筑主要包括醫大二院辦公樓、中科院化物所辦公樓、宿舍樓，南側為軍區大院，建筑以磚混結構的低層建筑為主，擬建區間周邊環境示意圖見圖2。

圖2　擬建區間周邊環境示意圖Fig.2 A sketch map of the surrounding environment of the proposed range

3.2場區工程地質、水文地質條件

場區地層分為第四系及基巖地層。第四系主要包括全新統人工堆積層，上更新統的沖洪積卵石層、坡洪積碎石層、含碎石粉質粘土、含角礫粉質粘土層，底板高程0.80～24.80m?；鶐r地層主要包括震旦系長嶺子組（Zwhc）板巖、青白口系細河群橋頭組（Qnq）石英巖板巖互層（石英巖、板巖、石英巖夾板巖），位于第四系之下。

本場地地下水按賦存條件主要為孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存在卵石層中，基巖裂隙水主要賦存于強風化及中風化板巖中，水位高程7.2～12m，由西北向東南徑流。

3.3建立隧道與地質體三維模型

建模采用Creatar三維建模及展示系統。將勘察鉆孔資料導入建模系統建立星醫區間地質體模型，如圖3所示，并將隧道模型導入該三維建模系統中，觀察隧道結構與孔隙水含水層及基巖地層的位置關系，如圖4所示。由圖4可知，基巖面由SW至NE方向逐漸變低，隧道在SW方向主要位于中風化板巖巖層中，中風化板巖較完整，風化裂隙水不發育，在隧道SW方向一段范圍內不需要考慮風化裂隙水的影響；隧道在NE方向逐漸進入至強風化板巖地層中，風化裂隙發育，與上部卵石層水力聯系密切，因此，該段地下水控制需要考慮風化裂隙水的影響，布井時降水井深度穿透強風化層進入中風化層2m。

圖3　地質體模型Fig.3 Geologic body model

圖4　隧道與含水層聯合展示模型Fig.4 The combined display model of the tunnel and the aquifer

3.4高密度電法確定構造裂隙水發育位置

板巖地區基巖裂隙水不僅存在于風化裂隙之中，還存在于構造裂隙之中，因此，除了利用三維地質模型確定風化層與隧道的相對關系外，還需要利用高密度電法確定構造裂隙水的發育位置。通過對本區地層構造和已知的測量與高密度電法測量視電阻率比對，建立本區地層構造的電阻率“標定值”，依據“標定值”對視電阻率剖面進行裂隙劃分，將多個剖面劃分的初步結果與地質及勘察鉆孔資料綜合比對，確定構造裂隙走向和劃定，最終將高密度電法測試解譯結果與隧道左右線地質剖面圖疊加形成隧道左右線富水裂隙分布圖，見圖5、圖6。

圖5　隧道左線富水裂隙分布圖Fig.5 Distribution of water-rich fracture in left line of tunnel

圖6　隧道右線富水裂隙分布圖Fig.6 Distribution of water-rich fracture in right line of tunnel

3.5降水段劃分及涌水量計算

由于風化裂隙、構造裂隙分布的深度、范圍不同，因此，采用斷面法計算區間隧道涌水量。首先，根據風化裂隙、構造裂隙分布的深度、范圍將隧道左線分為4個降水計算段，將隧道右線分為5個降水計算段，見圖5、圖6，每段采用斷面法計算隧道涌水量，計算公式如式1所示，將孔隙水與基巖裂隙水分開計算，滲透系數根據分段抽水試驗結果確定，計算結果見表1。

式中：Q為基坑涌水量（m3/d），K為含水體的滲透系數（m/d），H為潛水含水層厚度（m），h為降水后剩余含水層厚度（m），R為降水影響半徑（m），L為基坑長度（m）。

3.6降水井平面布置及豎向布置

降水井間距6～12m，在構造裂隙水富集區、強風化底板低洼處加密布置。對于構造裂隙水不發育地段，降水井深進入中風化基巖2m；若構造裂隙水發育，降水井井深以穿過賦水裂隙2m并進入中風化基巖控制，當構造裂隙水發育范圍超過結構底標高則井深以進入結構底板以下2m控制。

表1　洼里地區地下水特征值Tab.1 Groundwater characteristic value in Wali area

3.7降水井施工工藝

大連地區常規降水井施工工藝為沖擊鉆和正循環鉆進，成井效率低，需要更新降水井施工工藝，提高風化層及巖石地層的成井質量及效率。因此，結合地層的情況和地鐵施工的特點，采用了氣動潛孔錘套管鉆進工藝。氣動潛孔錘成井周期短，鉆進效率高，經過星醫區間試驗，其成井效率可達到其他工藝的3倍以上，并且由于采用氣動吹渣的工藝，成井后無需專門洗井，特別適用于基巖地區的降水井成井。

3.8降水效果

目前星海廣場站—醫大二院站區間降水段結構施工已順利結束，降水效果得到了中鐵二十局107標項目部和大連地鐵指揮部的認可，僅局部存在殘留水，基本保證了結構的“無水”施工。

4　結論

在大連星醫區間采用三維地質建模技術與高密度電法物探作為設計輔助手段，根據風化裂隙水及構造裂隙水的富集位置及富集程度進行設計分區，采用斷面法分區計算隧道涌水量，并對傳統的降水井平面布置及縱向布置方法進行了改進，針對板巖地區基巖裂隙水發育不均勻的情況，采用了局部密集布置及加深控制的布井方式，最后采用潛孔錘施工工藝進行了降水井施工，成功完成了地下水控制，保證了隧道施工的安全。通過以上工程實例，證明了在板巖地區采用高密度電法、三維地質建模技術、現場抽水實驗相結合的降水設計思路是可行、有效的。

基巖裂隙水的發育錯綜復雜，本文僅就板巖地區地下水的控制進行了初步探討與實踐，在其他類型巖石發育地區譬如灰巖地區，裂隙的發育及地下水的富集程度將比板巖地區更為強烈，局部甚至有溶洞存在，此時，地下水由沿裂隙的緩慢滲流轉變為流速更大的管道流，其地下水的控制將更為復雜，是今后降水工程研究的一個重要方向。

［1］周志芳，郭耿新，鐘建馳，等. 深基坑降水設計中幾個問題討論［J］. 勘察科學技術，2004，22（4）：16～21.

［2］姜清華，顏克誠，蔡楓，等. 淺談基坑降水發展及優化設計［J］. 中國水運，2006，4（12）：99～101.

［3］李再興. 有關基坑降水方法的探討［J］. 地下水，2008，30（2）：72～75.

［4］趙樹林. 淺析巖質基坑中的基巖裂隙水［J］. 西部探礦工程，2008，（5）：4～6.

［5］鮑世才，馬彪. 物探方法在基巖地下水勘查中的應用［J］. 地下水，2012，34（6）：121～122.

Preliminary Study on Dewatering Design in Slate Area—A Case of Xing-Yi Interval Subway in Dalian

TIAN Xiaofu， JIA Lei， WANG Xiaodong， ZHENG Xiaoyan， JIA Ruiyan
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Bedrock fissure water is the main type of groundwater in slate area， which has the characteristics of irregular distribution， complex recharge conditions， as well as the anisotropy of runoff and permeability parameters. When foundation pit engineering， tunnel or other underground engineering are carried out in this area， the control of groundwater will be more complex than that in the area of Quaternary pore water. At present， there is little research on the groundwater control technology in the slate area， and it has yet not formed a set of sound design method. Therefore， Xing-Yi interval subway in Dalian is taken as an example in this paper. Furthermore， the dewatering design method combined with high density resistivity method， 3D geological modeling technique and field pumping experiment is put forward. At last， by using the technology of the potential hole hammer as the main construction technology of precipitation well， it can greatly improve the drilling efficiency. This work， with good application effect in Dalian subway dewatering project， can provide a useful reference for groundwater control in slate area.

Slate area； Dewatering design； 3D geological modeling； High density resistivity method； Groundwater control

TU463

A

1007-1903（2016）01-0080-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.016

田小甫（1982- ），男，博士，高級工程師，主要從事地下水環評及基坑降水設計。E-mail：tianxiaofu2002@126.com。