抽水试验在盾构井中预测涌水量的应用研究

莫任冬

(广东省地球物理探矿大队，广东 广州 510800)

0 引言

近年来，随着我国城际轨道交通高速发展，盾构挖掘技术得以广泛应用，但盾构井所处水文地质条件往往复杂多变，涌水量预测与实际情况相比相差较大，因此需要不断积累盾构井涌水量预测模型，总结经验，为轨道挖掘提供水文地质参数[1-4]。本文以广州某城际轨道交通盾构井抽水试验为实例，查明工区各地层含水性、透水性、富水性，进一步摸清工区地表水与第四系孔隙水之间、第四系孔隙水与基岩裂隙水之间的水力联系程度，通过分层抽水试验分析，采用均质含水层承压～潜水非完整井简化的基坑涌水量模型预测盾构井涌水量，为后期盾构挖掘涌水防治提供数据支撑。

1 工区概况

工区位于广州市海珠区官洲街道仑头环村南路，属于珠江河口冲淤积区，地形低洼、平坦，周边河网水系发育，地表水体发育、河涌密布。工区南部与珠江近在咫尺，直线距离约60 m；西面为珠江另一支流，直线距离约750 m。工区所处位置比较特殊，位于珠江洲心小岛之冲积地貌中，四周为珠江及其支涌环绕，其中珠江从工区南侧附近流过，工区水文地质边界：东、南、西三面为震旦系基岩，北面为震旦系与白垩系基岩，并处于广三断裂、沙河断层、北亭端侧等区域断裂的影响范围内，断裂构造对基岩裂隙水有一定的影响。

工区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水两类，第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四系冲积粗砂层中[5]，钻井揭露厚度为14.80～17.50 m，地下水稳定水位埋深为1.68～1.92 m，埋藏浅，属潜水(局部承压)。块状岩类裂隙水主要赋存于震旦纪混合花岗岩节理裂隙中。根据钻井资料，强～微风化花岗岩节理裂隙稍发育，局部较发育，裂隙以闭合或微裂隙为主，透水性较弱～较强，富水性为贫乏～中等。

地表水与第四系松散岩类孔隙水相互间的水力联系较为密切，相互补给，另外，第四系孔隙潜水还受潮汐的涨退影响明显。第四系松散岩类孔隙水与基岩裂隙水间通过垂直下渗及越流形式补给，水力联系受两者之间的地层透水性、厚度、地形条件，甚至构造条件等诸多因素控制[6]。大气降水是地下水主要的补给来源，次为江河侧向补给，另外涨潮也有一定的补给作用[7]。工区降雨充沛、地处珠江冲积区、地形低洼，补给条件好同时也受到涨潮有顶托，径流、排泄条件差。地下水的动态变化受季节性、涨退潮等因素影响，地下水位年变幅在1.5～3.0 m之间。

2 抽水试验

2.1 抽水井结构

本次布设2口抽水主井，分别是砂层孔隙水抽水井(编号：ZK1)，基岩裂隙水抽水井(编号：ZK2)及2口观测井，分别是砂层孔隙水观测井(编号：GC1)、基岩裂隙水观测井(编号：GC2)，抽水试验的井点布置见图1。钻井施工设备采用XY-1型油压钻机，钻探施工基本工艺(方法)是：采用回转钻进与锤击钻进相结合、泥浆护壁或跟管钻进相协调的工艺施工，使用合金钻头或金刚石钻头钻进。工区按第四系松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水分层进行抽水试验，并在抽水井分别进行三次降深抽水试验，记录附近观测井的水位变化[8]。

(1)砂层孔隙水抽水井(编号：ZK1)：孔深0～34.20 m，口径为350 mm。其中，深度0～14.37 m，下入直径为210 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为14.60 m(高出地面0.23 m)；深度14.37～32.37 m，下入直径为210 mm过滤管，井管材料为钻眼PVC塑料管，井管长度为18.00 m；深度32.37～34.20 m段，下入直径为210 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为1.83 m。井管外(孔身内)全部填入碎石。

(2)基岩裂隙水抽水井(编号：ZK2)：孔深0～37.30 m，口径为170 mm。其中，深度0～37.30 m段，下入直径为130 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为37.56 m(高出地面0.26 m)，井管外(孔身内)填入粘土球止水；孔深37.30～50.10 m，口径为91 mm，未下入井管，属于自然井壁。

(3)砂层孔隙水观测井(编号：GC1)：孔深0～33.35 m，口径为170 mm。其中，深度0～13.35 m段，下入直径为110 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为13.60 m(高出地面0.25 m)；孔深13.35～29.35 m段，下入直径为110 mm过滤管，井管材料为钻眼PVC塑料管，井管长度为16.00 m；深度29.35～33.35 m段，下入直径为110 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为4.00 m。井管外(孔身内)全部填入碎石。

(4)基岩裂隙水观测井(编号：GC2)：孔深0～39.60 m，口径为130 mm。其中，深度0～39.60 m段，下入直径为110 mm井管，井管类型为套管，套管材料为PVC塑料管，井管长度为39.75 m(高出地面0.15 m)，井管外(孔身内)填入粘土球止水；孔深39.60～47.00 m，口径为75 mm，未下入井管，属于自然井壁。

图1 抽水试验井点布设示意图

图2 砂层孔隙水抽水井(ZK1)抽水试验S-t曲线 图3 砂层孔隙水抽水井(ZK1)抽水试验Q-t曲线

图4 砂层孔隙水抽水井(ZK1)抽水试验Q-s曲线 图5 基岩裂隙水抽水井(ZK2)抽水试验S-t曲线

图6 基岩裂隙水抽水井 图7 基岩裂隙水抽水井(ZK2)抽水试验Q-t曲线 (ZK2)抽水试验Q-s曲线

2.2 抽水试验结果

本次抽水试验，抽水设备采用深井潜水泵，动力采用20 kw柴油发电机供电，水量观测工具采用标定过的水表和三角堰，水位观测工具采用万能表电测式观测[9-10]。采用多孔抽水试验，将砂层孔隙水和基岩裂隙水进行分层抽水试验，各抽水孔段、降深[11]、时间详见表1和表2。

利用本次抽水试验，绘制了砂层孔隙水流量、降深与时间抽水试验曲线图：S-t、Q-t、Q-s(图2～图4)和基岩裂隙水的流量、降深与时间曲线图：S-t、Q-t、Q-s(图5～图7)

表2 基岩裂隙水抽水井试验成果表

2.3 渗透系数及影响半径计算

第四系砂层孔隙水：根据抽水试验取得数据资料，按以下有一个观测孔潜水完整井稳定流、承压水完整井稳定流公式计算水文参数渗透系数(K)、影响半径(R)，计算结果如表3和表4。

有一个观测孔的潜水完整井渗透系数计算公式：

(1)

有一个观测孔的潜水完整井影响半径计算公式：

(2)

有一个观测孔的承压完整井渗透系数计算公式：

(3)

有一个观测孔的承压完整井影响半径计算公式：

(4)

式中：Q为涌水量(m3/d)；H为天然情况下潜水试验段的平均厚度(m)；Sw为稳定水位降深值(m)；S1为观测井降深值(m)；r1为观测孔稳定水位降深值(m)；rw为钻孔半径(m)。

表3 砂层孔隙水水文参数计算表

表4 基岩裂隙水水文参数计算表

3 盾构井涌水量预测

盾构井拟采用明挖法施工，可类比基坑开挖，考虑到施工时，必须先进行支护及阻截水工程，所以采用坑底进水计算公式[12]。计算公式采用国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[13-15]附录E的均质含水层承压水完整井的基坑降水总涌水量计算(图8)，公式如下：

(5)

根据表3、表4，计场地砂层孔隙水渗透系数平均值为4.63 m/d，基岩裂隙水渗透系数平均值为0.30 m/d，基坑底坐落在震旦纪混合花岗岩，渗透系数(k)应根据钻井地层岩性渗透系数加权平均求得，进而求得盾构井总涌水量[16](见图8)，假设基坑长约45 m，宽约30 m，含水层厚度38 m，水位降深40 m，综合渗透系数取4.0，计算结果见表5。

图8 均质含水层承压水完整井简化的基坑涌水量计算

表5 涌水量计算一览表

4 结论与建议

4.1 结论

本次盾构井预测涌水量，采用收集资料、水文地质钻探、抽水试验(带观测孔抽水试验)等综合方法进行，基本查明了工区地表水、第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水之间的水力联系情况。

(1)工区地下水类型包括第四系松散岩类孔隙水和块状岩类裂隙水两种，其中松散岩类孔隙水富水性中等～丰富；块状岩类裂隙水的富水性贫乏～中等，工区处于上述复杂的地下环境中，地下水对建设工程影响大，尤其是对盾构挖掘工程，综合评定其水文地质条件复杂程度为复杂。

(2)影响盾构井涌水量的因素有很多，主要包括围岩渗透特性、涌水水头压力、基岩裂隙发育程度、方向及充填状态、地应力垂向分布特性、大气降水、周边断裂构造、施工工法等均有关系，故上述各类条件下的涌水量均根据抽水试验资料判别和计算的预估值，仅供参考，实际施工时，涌水量可能会与预估有出入，应根据上述条件的变化，结合施工中已积累的实际经验，选择合适的涌水量预测模型，以便确保施工顺利进行。

4.2 建议

(1)工区地处珠江附近，地表水发育、地下水丰富，水力联系密切，水文地质边界条件复杂，邻近又有仑头隧道，由于第四系孔隙水水量丰富，且与地表水联系密切，盾构井施工开挖需要进行排水，形成水头压力差，岩土层中的土粒在地下水动水压力作用下，沿地下水运移通道受到冲刷、运移、潜蚀，使土体结构破坏，可能会形成管涌，对基础、基坑(槽)坑壁及底板造成破坏，极易引发基坑失稳，因此，盾构井基坑必须做好支撑及阻截水工作。由于深基坑开挖时须进行大量的抽、排地下水，建议施工时对地面已有建(构)筑物，特别是仑头隧道、地下管网及基坑水平、垂直位移等进行有效的监测工作，做到信息化施工，确保基坑的正常施工及其它建(构)筑物的安全正常使用。

(2)工区第四系孔隙水水量丰富、透水性强，丰富的第四系孔隙水可对基础钻冲孔桩用来护壁的泥浆起到稀释作用，严重的造成泥浆大量漏失，可能会造成孔璧坍塌；对桩基施工、成桩质量有影响。地下水控制措施可采用截水，即利用截水帷幕切断基坑外的地下水流入基坑的内部，截水帷幕可采用地下连续墙+内支撑。