昆明巨厚圆砾层中降水井隔水帷幕作用研究

赵 浩

(上海康营环境工程有限公司,上海 200125)

0 引言

巨厚圆砾层作为昆明的代表性土层，主要分布在北京路沿线环城北路—金色大道区域及周边，具有厚度大、储水量丰富、渗透性强、工程风险大等特点。目前昆明地区关于地下水控制的研究较少，尤其是储水量丰富的巨厚圆砾层的地下水研究更是极少，对于无围护状态下的敞开式降水，其降水难度、降水风险及工程施工风险都非常大。本次课题研究依托昆明轨交首期工程某出入口暗挖通道，对昆明巨厚圆砾层中地下水控制起到借鉴作用。

1 工程概况

本暗挖通道横穿昆明市北京路，采用暗挖法施工。暗挖通道尺寸为60 m×8.2 m×5.5 m，埋深9.65 m。暗挖通道在大管棚和平顶直墙顶部的单排小导管施工后，便进入开挖阶段，期间无任何围护及隔水措施。

2 工程降水分析

本工程地基土主要为：①1杂填土(层厚0.30 m～6.00 m),①2素填土(层厚2.10 m～4.00 m),②3粘土(层厚1.00 m～3.10 m，顶面埋深2.00 m～5.00 m),②4粉土(层厚1.00 m～2.10 m),③1圆砾土(局部50 m未揭穿，顶面埋深4.60 m～8.10 m),③1-2粘土(层厚0.80 m～4.20 m),③1-3粉土、粉砂(层厚0.80 m～4.20 m)，其中圆砾层为本工程的主要含水层，尤其是圆砾层具有饱和、渗透性强、厚度大、埋藏浅、局部胶结等物理特性，易发生大量涌水、涌砂、塌方等工程风险。在施工中，为保证施工安全和工程质量，应尽量避免在水下作业。当地下水位高于作业面时，应采取隔水、降水措施。

降水施工阶段测得含水层的水位埋深为7.90 m(施工时处于枯水期，该水位低于勘察水位5.99 m)，因含水层水位随季节呈周期性变化，降水设计时取不利值5.99 m。暗挖通道整体位于巨厚的圆砾层中上部，考虑在暗挖通道周边布设降水井，降低圆砾层中地下水的水位，减小暗挖通道施工的地下水风险。含水层的水位降至掌子面仰拱以下1.50 m，即安全水位应控制在11.15 m(降深5.16 m)。

降水井隔水帷幕作用机理：本工程为无围护状态下的敞开式降水，当开启降水井进行长时间抽水，其动水位和出水量逐渐趋于稳定状态，会形成一个以抽水范围为中心的漏斗状地下水浸润面，从而改变周围地下水的渗流路径，类似在漏斗区域内形成隔水帷幕，有效控制地下水对工程施工的风险，见图1，图2。

3 抽水试验

3.1 单井抽水试验

利用J1～J3进行单井抽水试验，其中J1为抽水井，J2,J3为观测井，试验井的间距为6 m～6.5 m，抽水及观测时间为24 h，实测含水层的初始水位埋深为7.90 m。单井抽水24 h，观测井J2的最终水位降至8.89 m(降深0.99 m)；观测井J3的水位降至8.67 m(降深0.77 m)；抽水井J1的动水位降至11.50 m(降深3.60 m)，单井出水量约为285.6 m3/d。单井抽水试验相关数据曲线见图3。

3.2 群井抽水试验

利用J1～J3进行群井抽水试验，其中J1,J3为抽水井，J2为观测井，抽水及观测时间为24 h。群井抽水试验初期，观测井的水位下降速率较大，随着抽水时间的延续，增长速率逐渐减小。群井抽水24 h，观测井J2的最终水位降至10.07 m(降深2.17 m)，抽水井的单井出水量约为233.5 m3/d。群井抽水试验相关数据曲线见图4。

3.3 求参

利用单井抽水试验数据计算含水层的水文地质参数。本工程为潜水非完整井井流，根据下列公式计算含水层渗透系数：

其中,Q为单井出水量，取285.6 m3/d；R为抽水影响半径，m；r为抽水井半径，0.135 5 m；Ha为含水层有效厚度,15.76 m；ha为滤水管进水端到含水层有效端底部的距离，12.16 m；L为过滤器进水部分长度，6.85 m。

根据抽水试验相关数据及计算结果可以看出，本工程含水层水位埋深较浅、厚度大、单井出水量大、渗透性强，且抽水影响范围内不存在隔水边界，贮藏丰富的地下水成为工程施工的重大危险源，因此工程施工过程中应采取有效的地下水控制措施。

4 降水设计

4.1 降水井数量设计

根据本工程设计特性、工程地质、水文地质条件，主要需控制浅部圆砾层中的地下水，经分析采用管井降水进行地下水重点控制。含水层的水位降至掌子面仰拱以下1.50 m，安全水位应控制在11.15 m(降深5.16 m)。

本工程为无隔水帷幕状态下的敞开式降水，降水井布置于暗挖通道两侧。参考抽水试验，结合渗流规律，降水井设计间距为6 m～8 m，在验算范围内共布置20口降水井(含备用兼观测井)，井号为J1～J20。

4.2 降水井平面位置设计

降水井的平面位置是否合理，决定了降水的成败及其技术经济指标，需结合地下水渗流规律、工程及降水特点进行布置。本工程暗挖通道为条带状，设计水位降深5.16 m，降水井沿暗挖通道两侧呈单排直线形布置，考虑管棚的施工范围影响，降水井沿暗挖通道两侧离开暗挖通道边缘3 m。降水井平面位置见图5。

若地下工程位于巨厚圆砾层的中下部，水位降深需求大，则需采用深层管井降水。根据地下水渗流规律，水位降深增加，同一过水断面的水力坡度增加，抽水的补给量增加，当抽水时间足够长时，Q补给≈Q抽水，井流逐渐趋于稳定状态，则水位下降变缓，巨厚圆砾层深层降水的难度和风险也随之加大。若水位降深需求大，且无其他隔水措施或隔水措施效果不佳，则可采用双排或多排“阶梯式分级降水”方式。即将降水井分双排或多排错落布置于工程周边，降水井深度可“内深外浅”呈阶梯状，外排降水井主要降低施工区域含水层上部地下水，同时改变周围地下水渗流路径，减小补给；内排降水井主要降低施工区域含水层下部地下水，使其达到工程施工要求。

以昆明轨交首期工程某联络通道为例，其地质及水文条件与该暗挖工程类似，开挖深度大，最大开挖深度为25.179 m(控制水位埋深26.679 m，水位降深20.099 m)。仅在工程施工位置及其外围3 m范围内采取了高压旋喷加固，除此之外无其他隔水措施。根据工程降水特点，采用双排井点进行阶梯式分级降水，外排井点主要降低联络通道上层的水位，内排井点则将含水层的水位降至联络通道及废水泵房以下1.5 m。该联络通道共施工10口降水井(含备用兼观测井)，内排井点的深度为35 m，井号为Y1～Y4；外排井点的深度为32 m，井号为Y5～Y8；备用兼观测井布置于降水井中部，深度为35 m，井号为YG1～YG2。通过合理的降水设计与施工运行，地下水最终控制在安全水位，为工程安全施工提供保障。某联络通道降水井平面位置见图6。

4.3 降水井结构设计

降水井结构包括：井管、过滤器、沉淀管及围填滤料。井管主要起保护井壁的稳固作用，和过滤器的直径相同；过滤器应有足够的孔隙率，保证降水井正常进水；沉淀管可防止沉砂淤塞影响过滤器进水，直径与过滤器相同，长度一般为1 m～2 m；过滤器外部应围填滤料，起过水滤砂作用。根据本工程降水特点，综合考虑基坑开挖深度、井损及水力梯度的影响，降水井的深度设计为19 m。详细降水井结构见图7。

4.4 降水效果反演计算

根据本工程工程地质、水文地质条件建立三维数值模型进行降水计算分析：降水井开启抽水时，水位可降至11.20 m～11.70 m，能够满足安全水位控制要求。水位埋深模拟计算结果如图8所示。

5 抽水验证

正式降水运行前期，开启降水井J6,J8,J10,J18,J20进行抽水验证，期间观测J19水位，抽水3 d时，观测井的水位降至11.15 m(等于安全水位埋深11.15 m)。由此可见，现有降水井抽水水位可以满足开挖阶段降水要求，对地下水的控制方法合理、可行。测量结果见表1。

表1 降水运行水位记录表(J19)

观测时间初始水位第1天第2天第3天水位埋深/m7.9011.0011.0311.15水位降深/m—3.103.133.25

本工程采用额定流量为15 m3/h～20 m3/h潜水泵抽水，起初群井抽水单井出水量约为8 m3/h～15 m3/h，抽水约1 d后开始出现出水口喘气现象，最终单井出水量稳定在5.75 m3/h～12.5 m3/h。

6 结语

本工程以降水作为主要的地下水控制措施，抽水运行过程中暗挖通道地层中的水位降至掌子面以下，各抽水井的水位基本位于井底，形成一个以抽水范围为中心的漏斗状地下水浸润面，从而改变周围地下水的渗流路径，类似在漏斗区域内形成隔水帷幕，有效的阻隔了周围地下水向暗挖通道的渗流。通过开启布置于暗挖通道两侧的降水井进行抽水，暗挖通道施工顺利完成，达到了成功控制地下水的目的。可见，降水井作为隔水帷幕措施在本工程的应用是可行的，可以在类似工程中进行推广应用。

若以此方法作为地下水的主要控制措施，应注意以下几点：

1)正式施工前必须进行现场实际抽水试验，了解工程施工区域含水层的水力特性，制定合理的降水设计、施工、运行方案。

2)需设置备用兼观测井，一般情况作为观测井不开启，当出现异常或含水层水位不能满足要求时开启。

3)降水运行时配备备用电源，即采用二路用电，且在一路电源异常时能迅速启动。

4)降水深度越大，地下水的风险越大，除注意以上几点外，建议采用降水井的同时，配合地基加固等水土处理措施。

5)若水位降深需求大，且无其他隔水措施或隔水措施效果不佳，则可采用双排或多排“阶梯式分级降水”措施。