巖土工程勘察設計與施工中水文地質問題的探討

藍鴻達

中鐵四院集團廣州設計院有限公司 廣東廣州 510000

1 水文地質勘察

1.1 水文地質勘察的重要性

水文地質勘察工作是巖土工程勘察的一個組成部分，是一個極其重要、不可替代但卻容易被輕視或忽視的部分，客觀正確的水文地質勘察是工程建設設計提供重要依據，是工程建設設計、施工技術先進、安全可靠、經濟合理的關鍵性因素。工程建設水文地質勘察，宜結合工程地質勘察或巖土地質勘察進行，而當任務需要或水文地質復雜時，應進行專門的水文地質勘察。

1.2 水文地質勘察的內容

水文地質勘察應根據工程規模、水文地質條件的復雜程度、勘察階段及已有工作的深度，綜合考慮確定，宜包含以下內容：

（1）查明地下水的類型和賦存狀態。

（2）對孔隙水應查明含水層和隔水層的埋藏條件和分布規律；對裂隙水應查明裂隙性質，空間分布特征和連通情況等，確定富水帶。

（3）量測地下水的水位，取水樣進行水化學分析。

（4）當存在多層對工程有影響的地下水時，應分層量測水位，分層取樣，并查明各含水層之間、地下水與地表水之間的水位聯系和補排關系。

（5）調查地下水的季節變化和多年變化。

（6）調查有無對地下水地表水的污染源及污染程度。

（7）缺乏地下水動態監測的地區，應根據需要設置或埋設孔隙水壓力計進行長期監測。

（8）測定巖土的水文地質參數。工程建設水文地質勘察，應根據工作特點和具體水文地質環境，采用多種手段和方法綜合研究，須確保第一手資料真實可靠和評價結論客觀正確，滿足工程建設需要[1]。

2 勘察設計與施工階段較為常見的水文地質問題

關于工程地質學中改造地質體的方面來說主要分為：災害地質，城市地質及環境地質。地質災害中，和水有關的有滑坡、泥石流、地面沉降等顯性災害，有流砂、管涌、化學侵蝕等隱形災害；隨著城市建設的高速發展，地下水的賦存和滲流形態則對基礎工程的影響日漸突出；地下水的超采，水污染對環境的影響則越來越嚴峻。災害地質、城市地質、環境地質并不是單一存在的，它們在工程建設中往往是組合出現。如線路工程，往往穿過崇山峻嶺，河流湖泊，途經各類的城市村莊，途經生態自然保護區，飲用水保護區等，涉及城市地質、環境地質問題；又如地下構建物、地鐵的建設時，既要考慮是否出現流砂、管涌、基坑突涌、地面沉降等地質作用，又要考慮建設過程中對城市環境的影響等。

2.1 勘察設計階段常見的水文地質問題

2.1.1 可行性研究勘察階段

可行性研究勘察，需搜集區域地質、地形地貌、地震、礦產、當地的工程地質、巖土工程和建筑經驗等資料，在充分搜集和分析已有資料的基礎上，通過踏勘了解場地的地層、構造、巖性、不良地質作用和地下水等工程地質條件；當擬建場地工程地質條件復雜，如重大工程、長大線性工程中已有資料不能滿足要求時，應根據具體情況進行工程地質測繪和必要的勘探工作。可行性研究勘察應對擬建場地的穩定性和適宜性做出評價。特別強調的是線性工程，由于線性工程沿線場地工程地質條件往往復雜多變，本階段針對不良地質作用及地下水的地質調繪就尤為重要，準確的地質調繪可以有效的避開巖溶發育區、滑坡、崩塌、泥石流等不良地質作用或地質災害，避免后續階段的勘察設計或施工因不良地質作用或地質災害影響被迫更改建設場地而返復工作，避免后期為治理或改造因地質災害造成的危害耗費大量人力、物力[2]。

在合福高鐵工可階段，在南平某段山區，勘察設計人員和通過了客觀正確的地質調繪和水文地質調查，使得該段線路選線過程中成功避開了數個中大型滑坡、一個溝谷型泥石流等對建設工程危險性大的區域，從而保障了該區域工程建設的順利進行。

在福建寧德白馬港鐵路支線，某隧道進行炮眼施工時，掌子面位置圍巖為弱風化J3X侏羅系凝灰巖，呈青灰色，巖質堅硬，巖體較完整-完整，節理裂隙為稍發育-不發育，當時掌子面共施工有9個炮眼：分別位于左部4個，中部2個，右部3個，炮眼深度均約為2m；其中掌子面左側炮眼3個炮眼孔大量裂隙水呈股狀噴出，中部及右部等其他炮眼孔無水或僅少量裂隙水流出。通過現場工程地質調查，隧道開挖未發現對周邊村莊地下水及居民用水造成明顯的影響，亦未發現地表徑流出現枯竭現象，后通過水平鉆探及TSP、紅外探水法超前地質預報等手段，結合區域地質資料、可研、初勘地質調繪資料及施工圖設計地質資料等綜合分析得出該水為基巖裂隙水性質的“上層滯水”，水體方量有限，故采用“洞內導水”的方法，加強該段支護、襯砌，加強排水措施，及時復工并成功通過該涌水段。施工單位合理的監測，及時的預警處理，避開了可能存在的安全風險；查閱前期詳盡得工程地質調繪、水文地質資料亦大大縮短了調查時間[3]。

2.1.2 高層建筑的主要水文地質問題

隨著城市建設的高速發展，特別是高層建筑的大量興建，地下水的賦存和滲流形態對基礎工程的影響日漸突出，主要有下列問題：

（1）現今很多高層建筑的基礎埋深超過10m，甚至超過20m，且建筑體型比較復雜，而大部分“廣場式建筑”的建筑平面內都包含有純地下室部分，部分城市還修建了地下廣場；故而在此類建筑中，對于抗浮設計和地下室外墻承載力驗算，正確確定抗浮設防水位成為一個牽涉巨額造價以及施工難度和周期的十分關鍵的問題。

（2）現很多高層建筑的基礎埋置較深，基礎寬度大，基底壓力大，故而基礎的影響深度大，在此類建筑基礎的影響深度范圍內，有時可能遇到2層或2層以上的地下水，而不同層位的地下水之間，水力聯系和滲流形態往往各不相同，造成建筑場地孔隙水壓力場的分布難于準確掌握；若孔隙水壓力的考慮不周，則將影響建筑沉降分析、承載力驗算、建筑整體穩定性驗算等一系列重要的工程評價問題。

（3）基坑支護工程中，地下水控制設計和支護結構的側向壓力等更與地下水的各種問題緊密相關，故而在大規模的工程建設中，對地下水的勘察評價將對工程的安全與造價產生極大影響。

總之，關于高層建筑中，地下水對基礎工程的影響，水文地質勘察中應調查了解各層地下水的補給關系、滲流狀態，以及量測壓力水頭隨深度變化的要求；有條件時宜進行滲流分析，量化評價地下水的影響；對于多層地下水分層水位（水頭）的觀測，尤其是承壓水壓力水頭的觀測，對基礎設計和基坑設計都十分重要，勘察人員不應忽視這件工作，從而造成勘察資料的欠缺。

2.1.3 城市地質環境

地質環境是人類環境中極為重要的組成部分，城市建設的迅速發展引發了一系列地質環境問題，包括有：地下水污染、地面沉降、地面塌陷、滑坡等，而這一系列地質環境問題中，大部分都和水文地質變化緊密相關的。做好城市環境地質調查特別是水文地質調查，論證地質環境問題，是為區域經濟的可持續發展、生態環境建設和地質環境保護提供科學依據的重要手段。

2.1.4 關于設計的一些問題

（1）水文地質條件、水文地質參數是工程設計中最基礎的依據和設計條件之一，廣大設計人員基本都能很好利用水文地質參數用于工程設計中，但也存在部分設計人員忽視了水文地質的外部條件，從而造成工程隱患。如湛江東海島某鐵路路塹邊坡段，邊坡高度約4m，坡率1：1．25，采用植草防護，坡頂未設置截水天溝，但在坡頂外約20m有一條平行于邊坡的人工土溝；由于湛江東海島雷暴、臺風頻繁，而當地雷暴、臺風天氣多伴隨暴雨、大雨、大風。在某次臺風過后，該邊坡150m范圍內出現3處規模大小不等的溜坍，對該鐵路運營安全造成一定的影響。該設計人員進行邊坡設計時就未考慮當地氣象條件，未考慮當地臺風、雷暴帶來的大暴雨影響，從而形成病害隱患。

（2）當設計人員發現其接收的勘察文件給予的地質設計參數、水文參數較為異常的情況下，設計人員應結合自身的設計經驗勇于懷疑，及時和勘察人員溝通，切勿盲目使用超乎異常的參數或工程地質評價進行設計，避免因此造成過度設計或留下工程隱患。

2.1.5 關于靜壓樁超靜孔隙水壓力的問題

靜壓樁技術在國內很多地區得到空前的發展和廣泛應用，但靜壓樁施工時存在著以下問題：

（1）當管樁在飽和軟土中靜壓施工時，由于樁對土的擠壓作用，樁周土會形成超靜孔隙水應力，在該應力的作用下，樁的極限承載力會明顯減小。超靜孔隙水應力伴隨著滲流和固結會一定程度的降低并逐漸消散，由于飽和土的滲透系數小，消散過程往往需要十幾天。當地質條件較復雜時，設計圖紙一般用單樁豎向極限承載力標準值作為靜壓樁的終樁壓力值控制標準，然而實際施工時，施工樁長往往遠超原設計，為此建議設計人員在提供靜壓樁終樁壓力值控制標準需考慮超靜孔隙水壓力的影響。

（2）管樁施工過程中，超靜孔隙水壓力的影響：超靜孔隙水壓力產生、消散過程，可能導致周圍建筑物或構建物地基土體膨脹隆起或不均勻沉降，造成周邊管線斷裂，邊坡失穩、道路無法正常使用或者建筑物開裂等現象。

2.2 施工階段易輕視的水文問題

施工前及施工期間應采用適宜的方法和手段加強地質資料（包括水文資料）的核對，如發現于設計不符，應及時與設計單位溝通。施工前應做好施工組織計劃，根據各工程的項目特點，場地工程地質條件、工期要求、環保要求等因素綜合考慮，充分利用施工有利季節，精心組織、精心施工，同時還應做好各種風險防范措施。

（1）巖土工程施工受季節、地下水的影響十分明顯，故需要合理安排施工季節，施工日期，考慮雨季施工，地下水變化較大時對基礎施工的影響，做好臨排等措施。如江西興國某國道路基工程，場地抗震設防烈度為6度區，路基基底土為一層厚2-4m的稍密狀粉細砂層。該路基在冬季施工時，由于地下水位較深，路基施工正常；但到春夏季施工時，由于地下水位上升，施工單位根據冬季施工經驗未設置臨時排水溝，導致該地基土填筑碾壓時，飽和粉細砂在外部機械的振動下造成粉砂層砂土液化現象，形成“彈簧土”地基或路基土失效的現象，從而導致工期延長且施工費用增加。

（2）施工時應做好監測及環境保護。巖土施工，特別時地下工程施工，應做好加強基坑和周邊建（構）筑物的監測，應做好地下水監測，地面沉降監測，并根據變形控制得位移要求設置預警警戒值及相應的應急措施，確保施工安全，周邊環境安全。施工過程中的產生廢水、污水應經過沉淀池沉淀、凈化且達到排放標準后排放至排污系統；對有害物質如燃料、燃油、化學品等，制定相應的管理辦法，采取切實有效的保管措施，廢液、廢漿定點存放，定點外棄，防止造成地表水和地下水污染。

（3）不可隨意選取取棄土場。取、棄土場應進行設計，設計必須符合環保、水保的要求，應綜合考慮渣場類型、棄渣堆置方案、渣場地形和工程地質、氣象及水文、建筑材料、施工機械類型等因素，在搜集地形測繪資料、工程地質資料、棄渣基礎資料、水文氣象資料等的基本資料上進行設計。嚴禁隨意選取取土場和棄土場，嚴禁在對重要基礎設施、人民群眾生命財產安全及行洪安全有重大影響的區域布設棄渣場。

3 結語

地質世界是由巖、土、水三種介質組成，而工程活動是我們改造地質世界獨特方式，工程大師們根據巖、土、水的性質創造了無數令人驚嘆的工程，有高樓大廈，地鐵隧道，架空橋梁，攔水庫壩、填海造地、高速鐵路等，體現了工程與地質的完美結合；但工程活動也引起了一系列災害，如山區邊坡失穩、城市地面塌陷等，這亦需要工程師們利用他們的學識和雙手將災害進行改造，將其化解于無形之中。但不論建造還是改造，都是研究巖、土、水的性質如何的“天人合一”，故而“巖”、“土”、“水”都是工程建設不可忽視的重中之重，廣大工程師們不應“重此薄彼”。