天津地铁深基坑深层承压水水力联系试验研究

随着天津市轨道交通建设步伐的加快，地铁深基坑工程越来越多，深度越来越大。在建设过程中基坑和地下水的处理往往是凭经验，一些工程由于不合理的降水措施，造成资源浪费、延误工期，甚至对周边建（构）筑物造成不利影响。

地铁车站的基坑降水工程中，当基坑开挖深度较大且坑底以下承压含水层厚度较大，有时会出现地下连续墙或止水帷幕不能截断承压含水层的情况，即为悬挂式止水帷幕的情况。由于悬挂式止水帷幕不能完全截断深层承压含水层，在基坑内降水过程中，坑内降水会导致坑内外水力联系，上部降水也会影响下部含水层的水位变化，进而导致基坑外建（构）筑物发生沉降或变形。

在地下水丰富的软土地区，基坑降水专项设计越来越引起重视，而降水设计合理与否很大程度取决于土层的渗透系数提供的准确与否，因此在含水层丰富、地层条件较复杂的地区往往通过现场抽水试验来确定各含水层的渗透系数、水量大小、影响半径等参数。目前很多学者对天津地区含水层进行了抽水试验研究[1～4]；屈新文[5]对天津滨海新区某深大基坑工程进行了水文地质勘察，获取了混合含水层的渗透系数以及混合地层的单井涌水量等参数；张俊红[6]对天津滨海新区土体的渗透系进行了试验研究，从室内试验和现场试验两种方法中，获取了含水层的渗透系数。

以上研究所开展的抽水试验大多是为获取含水层的渗透系数、单井出水量、影响半径等参数，忽略了含水层间水力联系的研究。由于含水层在垂向上呈层状分布，地下连续墙只能截断局部含水层，而不能截断垂向分布的所有含水层，因此查清含水层之间的水力联系，明确上部降水过程中下部未被止水帷幕隔断的含水层失水情况，即查明含水层之间弱透水层的越流补给情况，也是抽水试验的重点。该工作将为降水井的深度、降水井布置等深化设计提供理论依据，最大限度降低坑内降水对深层含水层的影响，从而降低对周边环境的不利影响。

本文采用现场抽水试验的方法，在天津某地铁深基坑工程的场地外选择典型地层分布区域，进行群井、分层抽水试验，确定含水层的渗透系数并且通过数值模拟反演的方法，获取深层承压含水层间弱透水层的垂向越流系数，判断上下含水层的水力联系。

1 工程概况

某地铁车站为地下三层岛式站台车站，标准段底板埋深25.97 m，盾构井段基坑最大开挖深度约27.77 m。场地60 m深度范围内地下水可划分依次为潜水、第一微承压水、第二微承压水，见图1。

图1 典型地质剖面

潜水含水层与第一微承压含水层间的弱透水层较厚，第一微承压含水层呈层状分布，局部存在隔水层，第二微承压含水层与第一微承压含水层间弱透水层较薄。

2 试验目的

1）测得各含水层埋深。

2）通过单井试验，获取观测水位数据，绘制观测井水位随时间的变化曲线。

3）通过单井试验数据，求取各含水层的渗透系数、单井涌水量等参数。

4）通过群井抽水试验，模拟计算深层承压水间弱透水层的越流系数，探明场地潜水含水层与第一承压含水层、第一承压含水层上下部地层、第一承压含水层与第二承压含水层的水力联系特征，为确定合理的降压井降水方案提供依据。

3 试验井布置

根据抽水试验目的，分别在潜水含水层、第一承压含水层和第二承压含水层设置试验井。其中，潜水含水层设置2口抽水井和1口观测井，均采用孔径700 mm，井径400 mm的无砂水泥管，井深24 m；第一承压含水层呈层状分布且局部不连续，设置2口42 m深的试验井和1口51 m深的观测井，观测井用于观测抽取潜水井和第一承压水降水井过程中，第一承压含水层下部地层水位变化；第二承压含水层距离第一承压含水层较近，为判定第一和第二承压含水层的连通性，在第二承压含水层设置1口观测井，主要是观测上部承压含水层抽水对下部承压含水层的影响，判定上下含水层的水力联系。承压含水层试验井采用孔径≮650 mm，井径≮273 mm的钢管井。见表1-表2和见图2。

表1 试验井

表2 试验工况

图2 试验井平面布置

4 单井试验

对每一含水层初始水位进行了连续2 d的观测，潜水含水层平均埋深约为3.3 m，第一承压水平均埋深约为9.54 m，第二承压含水层平均埋深约为10.56 m，初始水埋深变化约6 cm/d。

潜水含水层单井试验采用额定出水量6 m3/h的水泵，实际出水1.5 m3/h，试验期间动水位降至约-16 m，潜水观测井水位降深2.18～3.06 m，第一承压水和第二承压水观测井水位均未出现下降趋势；第一承压含水层单井抽水试验期间，抽水井动水位降深约6 m，同层与试验井相同深度的观测井水位降深1.42 m，第一承压含水层下部地层观测井水位降深0.95 m，第二承压层试验井水位降深0.1 m，潜水观测井水位未有明显变化，见图3和图4。

图3 潜水含水层单井试验期间各井水位变化曲线

图4 第一微承压含水层单井试验期间各井水位变化曲线

通过实测数据绘制的降深曲线与标准曲线相匹配，能完成数据分析。采用Aquifer Test软件，对本次抽水试验的实测曲线与标准曲线进行拟合并求取了各含水层的水文地质参数。见图5-图6和表3。

图5 G1-1实测数据与标准曲线拟合

图6 K2-2实测数据与标准曲线拟合

表3 含水层水文地质参数

5 群井试验结果与分析

分别在潜水含水层和第一承压含水层进行了群井抽水试验。潜水含水层群井抽水试验期间，动水位降深约15 m，潜水观测井水位降深4.13 m，第一承压含水层和第二承压水观测井水位并未出现下降趋势；第一承压含水层群井试验期间，动水位降深约10 m，第一承压含水层观测井水位降深2.23 m，第二承压含水层观测井水位降深0.12 m，潜水观测井并未出现下降趋势。

通过单井试验取得的含水层水文地质参数和群井试验取得的井流和水位观测数据，通过数值模拟的方法进行反演分析，获得场地弱透水层的拟合参数，见图7。通过模拟计算，拟合出第一和第二承压含水层之间的弱透水层的垂向渗透系数为0.042 m/d。

图7 G3-1实测数据与模拟计算结果拟合曲线

6 试验结论

1）分析单井和群井试验期间各含水层观测井水位变化数据，说明潜水与其下部承压含水层水力联系不明显，而第一承压含水层上下地层存在连通性，第二承压含水层与第二承压含水层存在一定的水力联系。

2）通过抽水试验获取了各含水层的初始水位。

3）通过单井抽水试验数据，获取了各含水层渗透系数以及储水系数。

4）通过群井抽水试验数据，数值模拟反演得出第一、第二微承压含水层间弱透水层的垂向渗透系数为0.042 m/d，为后续确定合理的减压降水方案提供了理论依据。