板岩地区降水设计初探——以大连地铁星医区间为例

田小甫，贾 雷，王小冬，郑小燕，贾瑞燕（北京市地质工程勘察院，北京 100195）

板岩地区降水设计初探
——以大连地铁星医区间为例

田小甫，贾 雷，王小冬，郑小燕，贾瑞燕
（北京市地质工程勘察院，北京 100195）

板岩地区地下水类型多以基岩裂隙水为主，其具有赋存区域不规律，补给条件复杂，径流、渗透参数各向异性等特点。在该区域进行基坑、隧道或其他类地下工程施工时，对于地下水的控制较第四系孔隙水地区更为复杂。目前，对于该类型区域地下水控制技术的研究开展不多，还没有形成一套较为成熟的设计方法，且在该区域提高降水井成井效率的施工工艺也在摸索之中。为此，本文以大连地铁星医区间为例，提出以高密度电法、三维地质建模技术、现场抽水实验相结合的降水设计思路，最后采用潜孔锤技术作为该区域降水井的主要成井工艺，大大提高了成井效率。以上的尝试在大连地铁的降水工程中取得了很好的应用效果，为板岩地区地下水控制工作提供了有益的借鉴。

板岩地区；降水设计；三维地质建模；高密度电法；地下水控制

0　前言

随着我国经济的发展，地铁、地下空间开发类项目如火如荼的开展，在地下水富集地段，需对地下水进行控制以保证工程施工的安全。目前，对第四系孔隙水的地下水控制已经形成了一套较完善的设计和施工体系（降水、堵水和排水）（周志芳等，2014；姜清华等，2006；李再兴，2008），但对于基岩地区地下水控制的研究工作不多，未形成一套成熟的设计思路，在该区域进行地下水控制较平原区更为复杂，稍有不慎则造成较严重的事故，例如大连地铁在修建过程中，由于对于基岩地区地下水控制工作认识不够，且地质条件复杂，先后造成海事大学站、山东路站及春光街站施工现场地面塌陷，造成了巨大的经济损失。为此，在基岩地区开展地下水控制的研究工作是十分必要的，也具有重大的经济及现实意义。本文选取大连星海广场—医大二院区间为例，探讨了大连地区板岩地层内地下水的控制方法及设计流程，为基岩地区地下水控制提供一种新的思路。

1　地下水赋存特点及控制难点

板岩地区的地下水多为基岩裂隙水，根据赋存条件又可细分为风化裂隙水及构造裂隙水。风化裂隙水主要赋存于风化裂隙中，此类地下水发育程度与风化裂隙的发育程度密切相关，全风化板岩遇水极易崩解，形成泥状物，地下水在全风化带内渗透系数低，因此板岩全风化带内地下水不发育，可以等同于弱透水层；板岩中风化带岩石较新鲜，风化裂隙不发育，风化裂隙水在该带内不发育；强风化带裂隙发育规模较大，岩石又具有一定的强度，可以维持裂隙的张开，是板岩地区风化裂隙水发育的主要层位；故板岩地区风化裂隙水在发育程度上随深度先增大后减小，与全风化带、强风化带及中风化带随深度上分布具有一致性。构造裂隙水与地质构造伴生，一般延伸较长、埋深较深，可切穿不同岩层；在板岩地区，当板岩层理具有较平缓的产状时，层间易构成地下水迁移通道，板岩层理与垂直方向的基岩构造裂隙形成联合，又易形成地下水的富集（赵树林，2008），此外，风化裂隙水往往与下部基岩构造裂隙相通，接受大气降水的入渗补，形成具有统一水位的基岩裂隙水系统。

鉴于板岩地区地下水赋存有以上特点，在工程实践中对其进行控制主要有以下难点：①与第四系孔隙水区相比，板岩地区地下水的富集区分布不规律，在同一场地条件下，不同区段差异较大，因此，采用降水井控制措施时，其降水井的平面位置布置、降水井间距难以确定；②与松散岩类孔隙水相比，板岩地区地下水含水层顶底板起伏较大，如风化裂隙水受强风化层的埋深控制，而构造裂隙水受构造切割深度的影响较大，因此，在采用降水井等控制措施时，降水井的成井深度难以确定；③由于富水区域的平面位置、竖向层位均变化较大，且含水层渗透系数各向异性，因此，对于基坑或隧道涌水量的计算，不能采用平原区基坑涌水量的等效“大井法”；④板岩地区由于岩石硬度高，破碎难度大，对成井工艺的效率要求较高。

2　降水设计思路

（1）根据勘察钻孔资料，建立场区三维地质模型，将场区内强风化层进行三维上的展示，以其作为风化裂隙水的含水层，了解其平面分布及纵向的顶底板埋深，确定风化裂隙水的赋存位置；

（2）采用高密度电法查明控水构造的位置及产状，找出构造裂隙水的富集位置及埋藏深度，已有的工程实践表明，高密度电法是一种相对有效、速度快的物探方法，在基岩地区地下水勘查中取得了良好的应用效果（鲍世才等，2012）；

（3）在地下水富集地段进行现场抽水试验确定渗透系数；

（4）根据基岩地下水的富集程度、含水层位顶底板埋深将场区边界分成若干的进水断面，对每个进水断面采用断面法计算流入场区水量，将各个断面的进水量叠加即为整个基坑或隧道的涌水量；

（5）在场区边界布置降水井，降水井的布置遵循以下原则：①在构造裂隙水富集区边界适当加密布置降水井；②在强风化底板低洼处的边界加密布置降水井；③在结构底板由强风化层进入全风化层交界处加密布置降水井；

（6）根据每个断面的降水井数量及计算得到的断面进水量，确定每个降水井采用的泵量；

（7）根据构造富水区埋藏范围、强风化层底板及结构底板深度确定降水井的深度，遵循以下原则：①对于构造裂隙水不发育地段，降水井进入中风化基岩2m；②若基岩构造裂隙水发育，且在结构底板以上时，降水井井深应以穿过构造裂隙2m并进入中风化基岩控制；③当构造裂隙范围超过结构底标高则井深应以进入结构底板以下2m控制。

小型农田水利工程的管理不到位也是导致生态环境破坏的主要原因之一，施工期间加大现场环境的管理力度，使施工各单位严格按规章制度施工，对环境产生影响的各环节要严格检查，施工标准必须符合国家标准，例如在污水处理过程中，相关管理监督部门要严格监督废水处理达标才能进行排放，确保在建设过程中给生态坏境的伤害降到最低。在小型水利工程投入使用后，管理部门要定期对库区水质进行检测能够及时发现问题，对水底淤泥进行合理清理，保证生态环境的平衡。

板岩地区降水设计流程如图1所示。

图1　降水设计流程图Fig.1 The dewatering design flow chart in slate area

3　工程实例

3.1工程概况

拟建大连地铁1号线工程星海广场站至医大二院站区间位于中山路沿线主干道之上；区间起始里程为DK14+718.733～DK15+689.087，长约970.4m，设计范围为DK14+718.733～DK15+150；设计结构底板高程-8.0～-0.24m，拟采用暗挖法施工。隧道正线北侧建筑主要包括医大二院办公楼、中科院化物所办公楼、宿舍楼，南侧为军区大院，建筑以砖混结构的低层建筑为主，拟建区间周边环境示意图见图2。

图2　拟建区间周边环境示意图Fig.2 A sketch map of the surrounding environment of the proposed range

3.2场区工程地质、水文地质条件

场区地层分为第四系及基岩地层。第四系主要包括全新统人工堆积层，上更新统的冲洪积卵石层、坡洪积碎石层、含碎石粉质粘土、含角砾粉质粘土层，底板高程0.80～24.80m。基岩地层主要包括震旦系长岭子组（Zwhc）板岩、青白口系细河群桥头组（Qnq）石英岩板岩互层（石英岩、板岩、石英岩夹板岩），位于第四系之下。

本场地地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，孔隙水主要赋存在卵石层中，基岩裂隙水主要赋存于强风化及中风化板岩中，水位高程7.2～12m，由西北向东南径流。

3.3建立隧道与地质体三维模型

建模采用Creatar三维建模及展示系统。将勘察钻孔资料导入建模系统建立星医区间地质体模型，如图3所示，并将隧道模型导入该三维建模系统中，观察隧道结构与孔隙水含水层及基岩地层的位置关系，如图4所示。由图4可知，基岩面由SW至NE方向逐渐变低，隧道在SW方向主要位于中风化板岩岩层中，中风化板岩较完整，风化裂隙水不发育，在隧道SW方向一段范围内不需要考虑风化裂隙水的影响；隧道在NE方向逐渐进入至强风化板岩地层中，风化裂隙发育，与上部卵石层水力联系密切，因此，该段地下水控制需要考虑风化裂隙水的影响，布井时降水井深度穿透强风化层进入中风化层2m。

图3　地质体模型Fig.3 Geologic body model

图4　隧道与含水层联合展示模型Fig.4 The combined display model of the tunnel and the aquifer

3.4高密度电法确定构造裂隙水发育位置

板岩地区基岩裂隙水不仅存在于风化裂隙之中，还存在于构造裂隙之中，因此，除了利用三维地质模型确定风化层与隧道的相对关系外，还需要利用高密度电法确定构造裂隙水的发育位置。通过对本区地层构造和已知的测量与高密度电法测量视电阻率比对，建立本区地层构造的电阻率“标定值”，依据“标定值”对视电阻率剖面进行裂隙划分，将多个剖面划分的初步结果与地质及勘察钻孔资料综合比对，确定构造裂隙走向和划定，最终将高密度电法测试解译结果与隧道左右线地质剖面图叠加形成隧道左右线富水裂隙分布图，见图5、图6。

图5　隧道左线富水裂隙分布图Fig.5 Distribution of water-rich fracture in left line of tunnel

图6　隧道右线富水裂隙分布图Fig.6 Distribution of water-rich fracture in right line of tunnel

3.5降水段划分及涌水量计算

由于风化裂隙、构造裂隙分布的深度、范围不同，因此，采用断面法计算区间隧道涌水量。首先，根据风化裂隙、构造裂隙分布的深度、范围将隧道左线分为4个降水计算段，将隧道右线分为5个降水计算段，见图5、图6，每段采用断面法计算隧道涌水量，计算公式如式1所示，将孔隙水与基岩裂隙水分开计算，渗透系数根据分段抽水试验结果确定，计算结果见表1。

式中：Q为基坑涌水量（m3/d），K为含水体的渗透系数（m/d），H为潜水含水层厚度（m），h为降水后剩余含水层厚度（m），R为降水影响半径（m），L为基坑长度（m）。

3.6降水井平面布置及竖向布置

降水井间距6～12m，在构造裂隙水富集区、强风化底板低洼处加密布置。对于构造裂隙水不发育地段，降水井深进入中风化基岩2m；若构造裂隙水发育，降水井井深以穿过赋水裂隙2m并进入中风化基岩控制，当构造裂隙水发育范围超过结构底标高则井深以进入结构底板以下2m控制。

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

3.7降水井施工工艺

大连地区常规降水井施工工艺为冲击钻和正循环钻进，成井效率低，需要更新降水井施工工艺，提高风化层及岩石地层的成井质量及效率。因此，结合地层的情况和地铁施工的特点，采用了气动潜孔锤套管钻进工艺。气动潜孔锤成井周期短，钻进效率高，经过星医区间试验，其成井效率可达到其他工艺的3倍以上，并且由于采用气动吹渣的工艺，成井后无需专门洗井，特别适用于基岩地区的降水井成井。

3.8降水效果

目前星海广场站—医大二院站区间降水段结构施工已顺利结束，降水效果得到了中铁二十局107标项目部和大连地铁指挥部的认可，仅局部存在残留水，基本保证了结构的“无水”施工。

4　结论

在大连星医区间采用三维地质建模技术与高密度电法物探作为设计辅助手段，根据风化裂隙水及构造裂隙水的富集位置及富集程度进行设计分区，采用断面法分区计算隧道涌水量，并对传统的降水井平面布置及纵向布置方法进行了改进，针对板岩地区基岩裂隙水发育不均匀的情况，采用了局部密集布置及加深控制的布井方式，最后采用潜孔锤施工工艺进行了降水井施工，成功完成了地下水控制，保证了隧道施工的安全。通过以上工程实例，证明了在板岩地区采用高密度电法、三维地质建模技术、现场抽水实验相结合的降水设计思路是可行、有效的。

基岩裂隙水的发育错综复杂，本文仅就板岩地区地下水的控制进行了初步探讨与实践，在其他类型岩石发育地区譬如灰岩地区，裂隙的发育及地下水的富集程度将比板岩地区更为强烈，局部甚至有溶洞存在，此时，地下水由沿裂隙的缓慢渗流转变为流速更大的管道流，其地下水的控制将更为复杂，是今后降水工程研究的一个重要方向。

［1］周志芳，郭耿新，钟建驰，等. 深基坑降水设计中几个问题讨论［J］. 勘察科学技术，2004，22（4）：16～21.

［2］姜清华，颜克诚，蔡枫，等. 浅谈基坑降水发展及优化设计［J］. 中国水运，2006，4（12）：99～101.

［3］李再兴. 有关基坑降水方法的探讨［J］. 地下水，2008，30（2）：72～75.

［4］赵树林. 浅析岩质基坑中的基岩裂隙水［J］. 西部探矿工程，2008，（5）：4～6.

［5］鲍世才，马彪. 物探方法在基岩地下水勘查中的应用［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，高级工程师，主要从事地下水环评及基坑降水设计。E-mail：tianxiaofu2002@126.com。