摘 要 通過天津地鐵二期工程的岩土工程勘察,分析了沿線地下水類型、特徵、富存條件及各類地下水間的相互關係,結合地鐵工程性質及施工工藝分析評價了不同類型地下水對工程的影響,爲設計方案的選擇提供了依據。
關鍵詞 地鐵 淺層地下水 水文地質條件 分析評價
天津地鐵二期詳勘工作始於2003年8月份,目前累計完成勘探量67000多m。爲查明水文地質條件,結合不同的工程類型,有針對性地投入了大量的勘察工作,並結合工程施工情況和區域水文地質特徵,對沿線水文地質條件進行總結和分析研究,爲設計提供了準確的依據。
1 地質條件
天津地鐵2、3號線沿線爲沖積平原,皆爲新生界沉積層覆蓋,以陸相沉積爲主。第四紀晚期受海進海退影響,形成了海陸交互相沉積層。線路沿線沉積的海陸交互相沉積層具有明顯沉積韻律,各地層沉積厚度、沉積層位、巖性特徵在線路不同地段雖有差異,但在成因上有明顯的規律性。
1 1 地層巖性
地層分佈自上而下依次爲:人工填土層①、新近沉積層②、第Ⅰ陸相層③、第Ⅰ海相層④、第Ⅱ陸相層⑤、第Ⅲ陸相層⑥、第Ⅱ海相層⑦、第Ⅳ陸相層⑧、第Ⅲ海相層⑨。
1 2 各地層地質條件
第四系全新統人工填土層:雜填土、素填土,多分佈於市區內,厚薄不均,差別較大。該層土密實程度差,易變形。
新近沉積層(故河道、窪澱沖積):以淤泥質粉質粘土、淤泥、粉土爲主,分佈於故溝坑、河漫灘、河流故道內,該層土工程性質較差。
第Ⅰ陸相層(Q43al):以軟塑—可塑狀粘土、粉質粘土爲主,層底埋深4～7m,爲淺基礎的良好持力層。
第Ⅰ海相層(Q42m):由灰色粉土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土組成,層底埋深12～16m,觸變性和靈敏度高,工程性質較差。
第Ⅱ陸相層的湖沼相沉積層(Q41h):以粉質粘土爲主,厚度一般小於2 0m,粘性土爲相對隔水層。
第Ⅱ陸相層的河牀—河漫灘相沉積層(Q41al):以粉質粘土、粉土爲主,層底埋深一般18～20m。上部粘性土爲相對隔水層。
第Ⅲ陸相層(Q3eal):以黃褐色的粉質粘土、粉土爲主,可塑—硬塑,局部夾粉細砂和粘土透鏡體。層底埋深25～30m。該層工程性質較好。
地鐵工程地下段洞身主要位於第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層(Q42al)和第Ⅱ陸相(Q41al)中,局部位於第Ⅲ陸相層(Q4eal)中。
2 區域水文地質條件
2.1 天津市區域水文地質條件
地下水按賦存介質,可分爲鬆散巖類孔隙水和以岩溶水爲主的基岩裂隙水兩大類型。第四系孔隙水分佈廣,厚度大,在水平和垂向上巖相變化複雜。在前人研究成果的基礎上,以地質分層爲基礎,依據埋藏條件、水質等水文地質特徵,並考慮多年延用的習慣,對含水巖組進行劃分,將第四系孔隙水劃分爲4個含水組,3個含水亞組,其中第1含水組相當於全新統和上更新統(Ⅰ,Q 4+3),底界深度一般在70m左右。另外從地下水資源評價和地下水開採條件方面,將賦存於不同含水組的地下水劃分爲淺層地下水和深層承壓水。一般將埋藏較淺、由潛水及與潛水有水力聯繫的微承壓水組成的地下水稱爲淺層地下水,而將埋藏相對較深、與淺層地下水沒有直接聯繫的地下水稱爲深層承壓水。第1含水組屬於淺層地下水系統,第2～4含水組屬深層地下水系統。
2.2 天津市地下水補、徑、排特點
在天然條件下,總的地下水補、徑、排特點是:在水平方向上,淺層水和深層水由北向南形成補給,在垂向上,下伏含水巖組接受上覆含水巖組的越流補給。
淺層地下水有下列補給、徑流和排泄特點。
補給:淺層地下水接受大氣降水入滲和地表水體入滲補給,地下水具明顯的豐、枯水期變化,豐水期水位上升,枯水期水位下降。
徑流:在水位作用下,淺層地下水由山前平原向濱海平原徑流,但由於含水介質顆粒較細,水力坡度小,淺層地下水徑流十分緩慢。
排泄:淺層地下水主要的排泄方式有潛水蒸發、向深層承壓水越流和人工開採。
根據地鐵工程結構物的埋深和特點,對工程影響較大的地下水主要是淺層地下水。
3 淺層地下水的水文地質特徵
3.1地鐵工程影響範圍內地下水的類型
(1) 上層滯水
上層滯水水位埋深爲0 5m左右,主要以鬆散的人工填築土層①爲含水層,下部新近沉積層和第Ⅰ陸相層中粘土層(②3、③3)爲相對隔水層。部分地段與地表坑塘水體連通,接受大氣降水和地表水體的補給。穩定水位受季節性變化影響極其明顯,僅分佈在天津市局部地區。
(2) 潛水
第四系孔隙潛水的地下水位埋深一般爲0 5～2 5m,年平均地下水位埋深爲1 6～1 8m,年變化幅度的多年平均值約爲0 8m。高水位期出現在雨季後期的9月份,低水位期出現在乾旱少雨的4～5月。潛水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補給,故地下水位的波幅變化較大,賦存於人工填土層①層、第Ⅰ陸相層③層及第Ⅰ海相層④層的相對含水層中,以第Ⅱ、第Ⅲ陸相層的⑤1、⑥1層粉質粘土爲相對隔水底板。潛水層一般埋深爲12～15m。
(3) 微承壓水
賦存於第Ⅱ陸相層及以下粉砂和粉土中的地下水具有微承壓性,第Ⅱ陸相層及以下的⑤2、⑥2、⑦2、和⑧2粉土、⑤4、⑥4、⑥5、⑧4、⑧5和⑨4粉細砂層中的地下水爲微承壓水。以第Ⅱ、第Ⅲ陸相層的⑤1、⑥1層粉質粘土爲相對隔水頂板,含水層厚度較大,分佈相對穩定,微承壓水穩定水位埋深3 0～5 0m左右,水位受季節影響不大,水位變化幅度小。微承壓水接受上層潛水的越流補給,同時以滲透方式補給深層地下水。水位觀測初期,該層水上升很快,一般在30min之內即完成全部上升高度的80%左右,30min之後水位上升速度變緩,經過24h之後,水位一般穩定於潛水位以下。粉土中微承壓性沒有粉細砂層中微承壓水錶現的強烈。微承壓水一般埋深爲12～70m。
3.2 含水層透水性分類
根據有關規範,可將含水層的透水性分爲6類(見表1)。
3.3 地層透水性特徵
(1) 滲透係數和透水性關係
潛水、微承壓水含水層含水介質顆粒較細,水力坡度小,地下水徑流十分緩慢。部分地層的滲透係數及透水性統計如表2所示。
(2) 地層透水性分析
勘察範圍內的地層由粘性土、粉土和粉細砂等組成,其中第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層(Q42m)和第Ⅱ陸相層(Q41al)主要由粘性土和粉土組成,局部夾淤泥質土,滲透係數均小於1m/d,一般爲弱透水層。第Ⅱ陸相層(Q41al)中的粉質粘土和粘土的滲透係數約0 01m/d,爲弱—微透水層,可劃分爲相對隔水層。第Ⅲ陸相層(Q3eal)主要由粘性土、粉土和粉細砂組成,粘性土、粉土的滲透係數均小於1m/d,爲弱透水層,粉細砂的滲透係數大於1m/d,爲中等透水層。
(3) 淺層地下水的水文地質特徵
潛水:人工填土層爲①1雜填土、①2素填土,土體結構鬆散,含水量豐富,土層滲透係數大。第Ⅰ陸相層以③1粉質粘土爲主,土體滲透性能差,土層滲透係數小。第Ⅰ海相層主要含水層爲④2、④9粉土。④1及④8粉質粘土中夾有大量粉土透鏡體,儲水量較大,但出水量較小,垂直、水平方向滲透係數差異較大。
微承壓水:在天然狀態下,賦存於第Ⅱ陸相層(Q41、Q41al)、第Ⅲ陸相層(Q3eal)和第Ⅳ陸相層(Q3cal)粉土、粉細砂中的地下水具微承壓性質,但不宜被稱爲典型的承壓水。因爲典型的承壓水應該有穩定的水源補給,並應有穩定的不透水頂底板,而作爲相對隔水層的第Ⅱ陸相層(Q41al)粉質粘土和粘土中有夾層,個別地方還有“天窗”。特別是第Ⅲ陸相層(Q3eal)中的粉細砂並非穩定分佈,規模小,呈透鏡體狀,故自身無穩定的補給來源,而是由上下滲透性小的粉質粘土、粉土滲透補給。
賦存於第Ⅱ陸相層和第Ⅲ陸相層粉土、粉細砂中的微承壓水屬於第1層微承壓水,分佈在地表以下16～28m,接受上部潛水補給的同時又排泄給下部第2層微承壓水。該層水對地鐵工程影響最大。
賦存於第Ⅳ陸相層及以下的粉土、粉細砂中的微承壓水屬於第2層微承壓水,分佈在地表30m以下,接受上部第1層承壓水補給的同時又排泄給下部的深層承壓水。由於埋深較大,該層水對地鐵工程影響相對較小。
(4) 潛水和微承壓水的關係
由於上部潛水補給下部微承壓水,承壓水層之間又相互補給,所以淺層承壓水各含水層存在明顯的水力聯繫,又具有明顯的垂向不均勻性。淺層地下水是統一含水體,只是由於局部地段地層透水性分佈的差異性,對地鐵結構物的施工影響程度也不同。
(5) 粉質粘土和粉土透水性的分析
粉質粘土的塑性指數(Ip)一般爲12～14,砂性較大,不是絕對的隔水層,具備一定的透水性,所以各含水層上下之間存在地下水補給關係。粉土的塑性指數(Ip)一般爲8～10,粘粒含量一般爲9%～15%,砂性較大、粘粒含量亦較大,其透水性也是相對的。
3.4 地下水溫度
天津地區地下水的溫度,埋深在5m範圍內隨氣溫變化,5m以下隨深度略有遞增,一般爲14～16℃。
3.5 地下水的腐蝕性評價
地下水對混凝土結構的腐蝕性類型一般爲硫酸鹽型;潛水一般對混凝土結構不具腐蝕性或具有弱腐蝕性,微承壓水對混凝土結構一般具有弱或中等腐蝕性,個別區段具有強腐蝕性;潛水及微承壓水對混凝土一般具有弱或中等腐蝕性。
4 水文地質勘察方面的幾點經驗
4.1微承壓水穩定水位的確定
爲更加準確測定地下水(尤其微承壓水的承壓水頭)水位,應採用較有效的水位觀測方法。鑽進距含水豐富地層(第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ陸相層相對含水層)約1～1 5m之前(不穿透下部含水層,孔底在上部相對隔水層中),下套管至鑽進深度;將套管砸進下部相對含水層;用小直徑鑽具將套管中的相對隔水層穿透。由於套管打入下部相對隔水層,套管與周圍地層密貼較好,可起到有效隔離上部潛水的'作用。
4.2 臨河地段的鑽探
根據工程特點佈置水上鑽探,勘探孔一般佈置在工程邊線外10m左右,勘探孔間距爲20～30m;加強抽水和承壓水水位觀測工作;必要時佈置大口徑羣井水文地質試驗,採用穩定流、非穩定流抽水試驗確定水文地質參數,確定地下水與地表水的水力聯繫。
4.3 確定水位分層
在水文地質勘察之前,應首先掌握地層的分佈情況,進而分析各含水層的分佈位置、含水情況和相互補給關係,從而合理佈置水文勘探試驗工作。要分層確定水位深度,分層抽水試驗,分層確定水文參數;分層取水樣進行水分析。
5 地下水對地鐵工程影響的分析評價
5.1 明挖法施工的車站工程
(1)第I海相層粉土、粉砂層和淤泥質土。由於土體鬆散軟弱,且粉質粘土多含粉土夾層,在潛水的作用下,易造成基坑的涌泥(土)、涌水,影響基坑的穩定性,設計和施工中應注意。
(2)第Ⅱ、Ⅲ陸相層中的粉土、粉細砂層。一般分佈在地下16～28m,含有微承壓水,對基坑的影響最大。圍護結構的設計和施工中應考慮對該層微承壓水的封堵,以減少基坑坑底的突水和隆起。
(3)第Ⅳ陸相層以下的粉土、粉細砂層。一般分佈在地下30m以下,含有微承壓水,由於上部相對不透水層的阻隔,對基坑的影響相對不大。圍護結構的設計和施工不需採用針對性的防護措施,以加強基坑的坑內降水、坑外減壓、坑外回灌和地表監測措施爲宜。
(4)採取降水減壓設計時要嚴格控制抽水井施工質量,避免抽微承壓水時與上部潛水的連通,同時要嚴格控制“降壓不降水,出水不出砂”的原則,避免引起對既有建築物的沉降破壞,要從降水、減壓、回灌和沉降觀測均衡等方面採取措施,制定可行方案,並從施工方面加以嚴格控制。
(5)採用地下連續牆或鑽孔灌注樁進行基坑支護時,應注意牆間或樁間咬合,避免潛蝕或漏水現象。
5.2 盾構法施工的區間隧道
(1)密閉型盾構最小覆蓋層厚度宜大於8m。
(2)設計時應充分考慮隧道施工中內外水頭差的作用。在動水壓力的作用下,細顆粒土容易流失,引起土體結構破壞、強度降低,圍巖地層形成管道,從而引起地表沉陷和建築物破壞。
(3)在隧道洞身分佈有淤泥質土和粉土,靈敏度較高,在地下水的作用下易產生流動,在設計和施工中應注意。
(4)在隧道通過含有微承壓水的砂類土地層時,設計施工要考慮涌水、涌砂的可能性,避免引起開挖面失穩和地表塌陷。
(5)在地鐵穿過既有建築時,要嚴格控制盾構進土量,並加強地表沉降監測。
參考文獻
［1］ 夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊.北京：中國建築出版社，1999