压水试验在海底隧道勘察中的应用

王 兵,张 晴

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

压水试验在海底隧道勘察中的应用

王 兵,张 晴

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

钻孔压水试验是一种在钻孔内进行的岩体原位渗透试验,主要是为了探测岩体的裂隙性和渗透性,为制定防渗措施和基础处理方案等提供重要依据,广泛应用于水利、洞室工程,多在陆域进行。主要介绍了海域实际工作中抑制潮汐干扰、基岩强风化层止水不佳的方法,并重点阐述了该方法在厦门东通道海底隧道水文地质勘察中的应用效果。

压水试验;海域;潮汐抑制;近海隧道工程

0 引言

钻孔压水试验已在陆域得到了广泛的应用,且由于其具有实用性和直观性的特点而不断发展,逐步应用于水域,特别是静水环境。在厦门东通道海底隧道水文地质勘察中,我们将压水试验运用于海域段,用以查明岩土层的水文地质参数,取得了较好的效果。

1 工程概况及压水试验要求

厦门东通道海底隧道工程是中国建设的第一条海底隧道,位于厦门岛东北端的湖里区五通村与翔安区西滨村之间,呈NE50°方向展布,全长约5.9 km,其中海域段长约4.2 km。东通道工程是厦门市公路骨干网规划中的重要组成部分,是厦门岛连接大陆的第三条通道。

东通道工程的建成对厦门市的经济发展,尤其是厦门市东部地区的经济发展将起到重要作用。由于海域隧道所处位置的特殊性,其开挖建设及使用过程中均位于海平面以下,故如何处理好水的问题在隧道设计施工中显得尤为重要,其将直接影响到隧道建设的质量和效益。因此,采用多种手段综合查明隧址区水文地质条件是海底隧道勘察的重中之重。

隧址海域段地层较简单,上部为第四系海积覆盖层,下伏基岩为燕山期侵入岩类花岗闪长岩、黑云母花岗岩及喜山期岩脉,岩体大都较破碎,裂隙发育。隧道轴线段分布有四条与轴线大角度相交的基岩风化深槽。

该工程压水试验的目的是:查明隧道通过地段基岩风化深槽含水层、隔水层的分布规律,通过试验取得各项水文地质参数,为隧道涌水量预测和风化深槽的开挖方案提供必需的水文地质依据。

2 工作方法

2.1 方法原理

钻孔压水试验是采用专用的止水设备和量测工具,在一定的水头压力下,通过钻孔将水压入到孔壁四周的缝隙中,根据压入的稳定水量和压水的时间,计算出代表岩层渗透特性的技术参数。

试验的关键在于洗孔的干净程度和止水的效果,试验方法一般采用单管顶压式机械压水法,自上而下分层分段进行。

图1 机械压水法布置示意图Fig.1 Schematic layout ofmechanical pressure watermethod

2.2 仪器设备

在水域、特别是海域的压水试验,重点是抑制潮汐的波动对止水的影响。

在厦门东通道海底隧道海域压水试验中,为确保试验数据的采集质量和可靠性,我们主要采用了以下设备:

钻探船:800 T级驳船,采用8个锚固定,随潮汐的涨落随时收放锚缆,确保船体在同一位置升降,不左右晃动;钻机:北探XY-2B,确保足够的压力顶开止水栓塞;止水栓塞:单管顶压式;测压仪:量程1.2 MPa。

2.3 试验方法及步骤

试验方法:采用单管顶压式机械压水法,每段采用三级压力五个阶段进行试验,每段三级试验压力值相同。

实验步骤:

(1)钻船定位 按设计要求,采用GPS定位;

(3)洗孔 全、强风化岩层采用清水冲洗,弱风化层采用清水和拉活塞洗孔,以孔口循环水水清砂净,地下水位反应灵敏为原则;

(4)试段隔离 采用单管顶压式机械压水法,利用止水栓塞止水,由于试验段大部分为强风化层,洗孔后孔壁不规则,采用8个止水栓塞串联,确保栓塞长度>7倍孔径,相邻栓塞间设置铜垫片,并将部分栓塞削剪为球形,利于涨开;

(5)试验 测量稳定水位,按三级压力五个阶段进行试验。

3 海上试验数据采集

3.1 试验位置

分别布设于四个风化深槽的隧道两侧。

3.2 试验压力的确定

试验压力值根据最大潮水位、地下水水位及隧道底板设计标高等综合确定,预计在0.7～0.9 MPa之间,为评价基岩风化深槽灌浆的可行性,每段采用三级压力五个阶段进行试验,每段三级试验压力值相同。

3.3 潮汐抑制

东通道所处海域段多年平均潮差4.01 m。多年平均涨、落潮历时分别是6 h7 min和6 h18 min,落潮历时稍长于涨潮历时。属正规半日潮,潮令约3 d,属大潮差水域。

单管顶压式机械压水法是利用钻机液压装置,以主动钻杆顶压栓塞止水进行试验,随着潮汐的涨落,钻船的上升或下降直接控制着顶压栓塞的压力,钻船下降可能顶断钻杆,钻船上升压力消散,止水栓塞收缩漏水。有鉴于此,通过计算潮汐涨落的速度,将试验时间选择在高低平潮期之前的20 min左右,利用主动钻杆卡盘35 cm的行程,在高平潮期前将卡盘置于上端,在低平潮期前将卡盘置于下端,确保试验期间作用于止水栓塞上压力不变,达到规定的止水效果。

3.4 压力计算零点的确定

东通道所处海域试验段地下水分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水和基岩裂隙水三种,其中松散岩类孔隙水赋存于第四系全新统海积层中,风化基岩孔隙裂隙水赋存于基岩全、强风化层中,基岩裂隙水赋存于基岩的风化裂隙及构造裂隙中;海域地层中除海积的砂层及可能存在的富水性好的基岩破碎带外,无明显的含水层与隔水层,总体上富水性弱,渗透性较差,为弱或微含水层。海域地下水主要受海水的垂直入渗补给,受海水压力的影响,地下水具承压性。据钻孔观测结果,海域地下水静止水位变化与潮水位的涨落潮时间并不完全一致,当含水层的渗透性很小时,地下水水位变化滞后于潮水位,而当含水层的渗透性稍大时,地下水水位变化与潮水位基本同步。

图2 潮水位与地下水静止水位关系曲线图Fig.2 Curve of tidalwater level&static water level of groundwater

本次压水试验试验段均为地下水位以下,通过图2观测结果,取压力计算零点为试验时间潮水位变化段对应的地下水静止水位的平均值。

3.5 稳定流量的确定

压力和流量同时观测,每2 min观测一次,压力应始终保持在设计压力值,当流量无持续增大趋势,且最后五次读数流量最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差<1 L/min可视为稳定。

4 试验资料的分析整理

根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31—2003)[1]的有关条文,试段透水率(q)、渗透系数(K)的计算公式如下。

4.1 透水率

式中:q——试段的透水率(Lu);L——试段长度(m);Q3——第三阶段的计算流量(L/min);P3——第三阶段的试段压力(MPa)。

4.2 渗透系数

利用压水试验资料计算岩层的渗透系数需充分考虑p-Q曲线类型,为此,本次压水试验岩层渗透系数的求取分别选用以下两种:

(1)当试段位于地下水位以下,透水性较小(q<10 Lu),且p-Q曲线为A型时,选用《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31—2003)推荐的公式:

式中:Q——试段压入流量(m3/d);H——试验水头(m);L——试段长度(m);r——钻孔半径(m)。

(2)当试段位于地下水位以下,且p-Q曲线为其它类型时,选用《工程地质手册》第三版[2]推荐的公式:

式中:q——试段的透水率(Lu);L——试段长度(m);

r——钻孔半径(m)。

4.3 试验成果

依据上述的计算公式,本次压水试验部分计算结果见表1,典型p-Q曲线图见图3。

表1 压水试验成果表Table 1 Results ofwater pressure test

图3 典型p-Q曲线图Fig.3 Curve of typicalp-Q

4.4 试验成果分析

4.4.1 试验成果可靠性分析

从试验成果分析,当透水率q<3 Lu时,p-Q曲线类型大部分为A型,占总数的78%,当透水率q>3 Lu时,p-Q曲线类型均为C型,与国内外的试验成果基本一致,另外,试验所得的渗透系数K值与同期进行的抽水试验和室内试验结果吻合,表明试验数据是可靠、有效的。

4.4.2 试验结果分析

根据勘察所施工的钻孔岩土体性质、分布特征,结合压水试验结果,隧道轴线区各基岩风化深槽的水文地质情况、可灌性不尽相同,主要表现在:

(1)F1基岩风化深槽段透水性差,水量较贫乏,压水试验p-Q曲线类型大部分为A型,表明试验期间,地下水的渗流状态为层流,当以水泥作为灌浆材料时,灌浆效果不好;

(2)F2、F3、F4基岩风化深槽透水性较F1深槽略大,压水试验p-Q曲线类型大部分为C型,表明在试验压力的作用下裂隙状态发生变化,岩体的渗透量增大,但这种变化是暂时性的、可逆的,随着试验压力的下降,裂隙又恢复到原来状态,呈现出一种弹性扩张性质。在以水泥作为灌浆材料时,大多数耗浆量很小;

(3)从国内、外压水试验的资料来看,同一区域的相同岩层因裂隙的发育程度、充填物等的不同,p-Q曲线类型存在很大的差异,尚不能排除在其它区段因构造裂隙发育而存在岩土层渗透性较大的可能。

5 结语

经过多个环节的改进和质量控制,得到的试验成果真实的反映了四个基岩风化深槽段岩土层的渗透性能和可灌性。

海上压水试验具有直观、高效的特点,对解决水下工程岩土体的渗透性有其自身的优点,在海底隧道、过江管道等江河湖海具有广阔的应用前景,只要合理的选择试验时间、试段,避开特定的不利因素,就能取得良好的地质应用效果。

[1] SL31—2003,水利水电工程钻孔压水试验规程[S].

[2] 常士骠,张苏民,项勃,等.工程地质手册[S].第三版.北京:中国建筑工业出版社,1992:961-935.

(责任编辑:胡立智)

The Application of Pressure Water Test in Submarine Tunnel Exploration

WANG Bing,ZHANGQing
(Wuhan Institute of Geological Engineering Investigation,Wuhan,Hubei430051)

Pressure water test in borehole is a rock-situ permeability test carried out in the borehole that in order to detect fracture and per meability of rock.The test provides an important basis for developing anti-seepage measures and programming foundation treatment and so on.It iswidely used in hydraulic engineering,cavity engineeringwhere more in land area.The methods including the inhibition of tidal interference at sea and good sealing in strong weathered layer is introduced.This paper mainly elaborates application results of the method which is used to hydro-geological survey in Submarine Tunnel in east channel,Xiamen.

pressure water test;sea area;tide inhibition;offshore tunnel application

U455.49

A

1671-1211(2010)04-0401-04

2010-01-19;改回日期:2010-03-05

王兵(1972-),男,工程师,岩土工程专业,从事岩土工程勘察及工程施工工作。E-mail:wangbin8701@163.com