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天津地鐵二期工程水文地質(zhì)條件分析論文
摘 要 通過天津地鐵二期工程的巖土工程勘察,分析了沿線地下水類型、特征、富存條件及各類地下水間的相互關(guān)系,結(jié)合地鐵工程性質(zhì)及施工工藝分析評(píng)價(jià)了不同類型地下水對(duì)工程的影響,為設(shè)計(jì)方案的選擇提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞 地鐵 淺層地下水 水文地質(zhì)條件 分析評(píng)價(jià)
天津地鐵二期詳勘工作始于2003年8月份,目前累計(jì)完成勘探量67000多m。為查明水文地質(zhì)條件,結(jié)合不同的工程類型,有針對(duì)性地投入了大量的勘察工作,并結(jié)合工程施工情況和區(qū)域水文地質(zhì)特征,對(duì)沿線水文地質(zhì)條件進(jìn)行總結(jié)和分析研究,為設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。
1 地質(zhì)條件
天津地鐵2、3號(hào)線沿線為沖積平原,皆為新生界沉積層覆蓋,以陸相沉積為主。第四紀(jì)晚期受海進(jìn)海退影響,形成了海陸交互相沉積層。線路沿線沉積的海陸交互相沉積層具有明顯沉積韻律,各地層沉積厚度、沉積層位、巖性特征在線路不同地段雖有差異,但在成因上有明顯的規(guī)律性。
1 1 地層巖性
地層分布自上而下依次為:人工填土層①、新近沉積層②、第Ⅰ陸相層③、第Ⅰ海相層④、第Ⅱ陸相層⑤、第Ⅲ陸相層⑥、第Ⅱ海相層⑦、第Ⅳ陸相層⑧、第Ⅲ海相層⑨。
1 2 各地層地質(zhì)條件
第四系全新統(tǒng)人工填土層:雜填土、素填土,多分布于市區(qū)內(nèi),厚薄不均,差別較大。該層土密實(shí)程度差,易變形。
新近沉積層(故河道、洼淀沖積):以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥、粉土為主,分布于故溝坑、河漫灘、河流故道內(nèi),該層土工程性質(zhì)較差。
第Ⅰ陸相層(Q43al):以軟塑—可塑狀粘土、粉質(zhì)粘土為主,層底埋深4～7m,為淺基礎(chǔ)的良好持力層。
第Ⅰ海相層(Q42m):由灰色粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土組成,層底埋深12～16m,觸變性和靈敏度高,工程性質(zhì)較差。
第Ⅱ陸相層的湖沼相沉積層(Q41h):以粉質(zhì)粘土為主,厚度一般小于2 0m,粘性土為相對(duì)隔水層。
第Ⅱ陸相層的河床—河漫灘相沉積層(Q41al):以粉質(zhì)粘土、粉土為主,層底埋深一般18～20m。上部粘性土為相對(duì)隔水層。
第Ⅲ陸相層(Q3eal):以黃褐色的粉質(zhì)粘土、粉土為主,可塑—硬塑,局部夾粉細(xì)砂和粘土透鏡體。層底埋深25～30m。該層工程性質(zhì)較好。
地鐵工程地下段洞身主要位于第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層(Q42al)和第Ⅱ陸相(Q41al)中,局部位于第Ⅲ陸相層(Q4eal)中。
2 區(qū)域水文地質(zhì)條件
2.1 天津市區(qū)域水文地質(zhì)條件
地下水按賦存介質(zhì),可分為松散巖類孔隙水和以巖溶水為主的基巖裂隙水兩大類型。第四系孔隙水分布廣,厚度大,在水平和垂向上巖相變化復(fù)雜。在前人研究成果的基礎(chǔ)上,以地質(zhì)分層為基礎(chǔ),依據(jù)埋藏條件、水質(zhì)等水文地質(zhì)特征,并考慮多年延用的習(xí)慣,對(duì)含水巖組進(jìn)行劃分,將第四系孔隙水劃分為4個(gè)含水組,3個(gè)含水亞組,其中第1含水組相當(dāng)于全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)(Ⅰ,Q 4+3),底界深度一般在70m左右。另外從地下水資源評(píng)價(jià)和地下水開采條件方面,將賦存于不同含水組的地下水劃分為淺層地下水和深層承壓水。一般將埋藏較淺、由潛水及與潛水有水力聯(lián)系的微承壓水組成的地下水稱為淺層地下水,而將埋藏相對(duì)較深、與淺層地下水沒有直接聯(lián)系的地下水稱為深層承壓水。第1含水組屬于淺層地下水系統(tǒng),第2～4含水組屬深層地下水系統(tǒng)。
2.2 天津市地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)
在天然條件下,總的地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)是:在水平方向上,淺層水和深層水由北向南形成補(bǔ)給,在垂向上,下伏含水巖組接受上覆含水巖組的越流補(bǔ)給。
淺層地下水有下列補(bǔ)給、徑流和排泄特點(diǎn)。
補(bǔ)給:淺層地下水接受大氣降水入滲和地表水體入滲補(bǔ)給,地下水具明顯的豐、枯水期變化,豐水期水位上升,枯水期水位下降。
徑流:在水位作用下,淺層地下水由山前平原向?yàn)I海平原徑流,但由于含水介質(zhì)顆粒較細(xì),水力坡度小,淺層地下水徑流十分緩慢。
排泄:淺層地下水主要的排泄方式有潛水蒸發(fā)、向深層承壓水越流和人工開采。
根據(jù)地鐵工程結(jié)構(gòu)物的埋深和特點(diǎn),對(duì)工程影響較大的地下水主要是淺層地下水。
3 淺層地下水的水文地質(zhì)特征
3.1地鐵工程影響范圍內(nèi)地下水的類型
(1) 上層滯水
上層滯水水位埋深為0 5m左右,主要以松散的人工填筑土層①為含水層,下部新近沉積層和第Ⅰ陸相層中粘土層(②3、③3)為相對(duì)隔水層。部分地段與地表坑塘水體連通,接受大氣降水和地表水體的補(bǔ)給。穩(wěn)定水位受季節(jié)性變化影響極其明顯,僅分布在天津市局部地區(qū)。
(2) 潛水
第四系孔隙潛水的地下水位埋深一般為0 5～2 5m,年平均地下水位埋深為1 6～1 8m,年變化幅度的多年平均值約為0 8m。高水位期出現(xiàn)在雨季后期的9月份,低水位期出現(xiàn)在干旱少雨的4～5月。潛水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補(bǔ)給,故地下水位的波幅變化較大,賦存于人工填土層①層、第Ⅰ陸相層③層及第Ⅰ海相層④層的相對(duì)含水層中,以第Ⅱ、第Ⅲ陸相層的⑤1、⑥1層粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水底板。潛水層一般埋深為12～15m。
(3) 微承壓水
賦存于第Ⅱ陸相層及以下粉砂和粉土中的地下水具有微承壓性,第Ⅱ陸相層及以下的⑤2、⑥2、⑦2、和⑧2粉土、⑤4、⑥4、⑥5、⑧4、⑧5和⑨4粉細(xì)砂層中的地下水為微承壓水。以第Ⅱ、第Ⅲ陸相層的⑤1、⑥1層粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水頂板,含水層厚度較大,分布相對(duì)穩(wěn)定,微承壓水穩(wěn)定水位埋深3 0～5 0m左右,水位受季節(jié)影響不大,水位變化幅度小。微承壓水接受上層潛水的越流補(bǔ)給,同時(shí)以滲透方式補(bǔ)給深層地下水。水位觀測(cè)初期,該層水上升很快,一般在30min之內(nèi)即完成全部上升高度的80%左右,30min之后水位上升速度變緩,經(jīng)過24h之后,水位一般穩(wěn)定于潛水位以下。粉土中微承壓性沒有粉細(xì)砂層中微承壓水表現(xiàn)的強(qiáng)烈。微承壓水一般埋深為12～70m。
3.2 含水層透水性分類
根據(jù)有關(guān)規(guī)范,可將含水層的透水性分為6類(見表1)。
3.3 地層透水性特征
(1) 滲透系數(shù)和透水性關(guān)系
潛水、微承壓水含水層含水介質(zhì)顆粒較細(xì),水力坡度小,地下水徑流十分緩慢。部分地層的滲透系數(shù)及透水性統(tǒng)計(jì)如表2所示。
(2) 地層透水性分析
勘察范圍內(nèi)的地層由粘性土、粉土和粉細(xì)砂等組成,其中第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層(Q42m)和第Ⅱ陸相層(Q41al)主要由粘性土和粉土組成,局部夾淤泥質(zhì)土,滲透系數(shù)均小于1m/d,一般為弱透水層。第Ⅱ陸相層(Q41al)中的粉質(zhì)粘土和粘土的滲透系數(shù)約0 01m/d,為弱—微透水層,可劃分為相對(duì)隔水層。第Ⅲ陸相層(Q3eal)主要由粘性土、粉土和粉細(xì)砂組成,粘性土、粉土的滲透系數(shù)均小于1m/d,為弱透水層,粉細(xì)砂的滲透系數(shù)大于1m/d,為中等透水層。
(3) 淺層地下水的水文地質(zhì)特征
潛水:人工填土層為①1雜填土、①2素填土,土體結(jié)構(gòu)松散,含水量豐富,土層滲透系數(shù)大。第Ⅰ陸相層以③1粉質(zhì)粘土為主,土體滲透性能差,土層滲透系數(shù)小。第Ⅰ海相層主要含水層為④2、④9粉土。④1及④8粉質(zhì)粘土中夾有大量粉土透鏡體,儲(chǔ)水量較大,但出水量較小,垂直、水平方向滲透系數(shù)差異較大。
微承壓水:在天然狀態(tài)下,賦存于第Ⅱ陸相層(Q41、Q41al)、第Ⅲ陸相層(Q3eal)和第Ⅳ陸相層(Q3cal)粉土、粉細(xì)砂中的地下水具微承壓性質(zhì),但不宜被稱為典型的承壓水。因?yàn)榈湫偷某袎核畱?yīng)該有穩(wěn)定的水源補(bǔ)給,并應(yīng)有穩(wěn)定的不透水頂?shù)装?而作為相對(duì)隔水層的第Ⅱ陸相層(Q41al)粉質(zhì)粘土和粘土中有夾層,個(gè)別地方還有“天窗”。特別是第Ⅲ陸相層(Q3eal)中的粉細(xì)砂并非穩(wěn)定分布,規(guī)模小,呈透鏡體狀,故自身無穩(wěn)定的補(bǔ)給來源,而是由上下滲透性小的粉質(zhì)粘土、粉土滲透補(bǔ)給。
賦存于第Ⅱ陸相層和第Ⅲ陸相層粉土、粉細(xì)砂中的微承壓水屬于第1層微承壓水,分布在地表以下16～28m,接受上部潛水補(bǔ)給的同時(shí)又排泄給下部第2層微承壓水。該層水對(duì)地鐵工程影響最大。
賦存于第Ⅳ陸相層及以下的粉土、粉細(xì)砂中的微承壓水屬于第2層微承壓水,分布在地表30m以下,接受上部第1層承壓水補(bǔ)給的同時(shí)又排泄給下部的深層承壓水。由于埋深較大,該層水對(duì)地鐵工程影響相對(duì)較小。
(4) 潛水和微承壓水的關(guān)系
由于上部潛水補(bǔ)給下部微承壓水,承壓水層之間又相互補(bǔ)給,所以淺層承壓水各含水層存在明顯的水力聯(lián)系,又具有明顯的垂向不均勻性。淺層地下水是統(tǒng)一含水體,只是由于局部地段地層透水性分布的差異性,對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)物的施工影響程度也不同。
(5) 粉質(zhì)粘土和粉土透水性的分析
粉質(zhì)粘土的塑性指數(shù)(Ip)一般為12～14,砂性較大,不是絕對(duì)的隔水層,具備一定的透水性,所以各含水層上下之間存在地下水補(bǔ)給關(guān)系。粉土的塑性指數(shù)(Ip)一般為8～10,粘粒含量一般為9%～15%,砂性較大、粘粒含量亦較大,其透水性也是相對(duì)的。
3.4 地下水溫度
天津地區(qū)地下水的溫度,埋深在5m范圍內(nèi)隨氣溫變化,5m以下隨深度略有遞增,一般為14～16℃。
3.5 地下水的腐蝕性評(píng)價(jià)
地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性類型一般為硫酸鹽型;潛水一般對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性或具有弱腐蝕性,微承壓水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)一般具有弱或中等腐蝕性,個(gè)別區(qū)段具有強(qiáng)腐蝕性;潛水及微承壓水對(duì)混凝土一般具有弱或中等腐蝕性。
4 水文地質(zhì)勘察方面的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)
4.1微承壓水穩(wěn)定水位的確定
為更加準(zhǔn)確測(cè)定地下水(尤其微承壓水的承壓水頭)水位,應(yīng)采用較有效的水位觀測(cè)方法。鉆進(jìn)距含水豐富地層(第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ陸相層相對(duì)含水層)約1～1 5m之前(不穿透下部含水層,孔底在上部相對(duì)隔水層中),下套管至鉆進(jìn)深度;將套管砸進(jìn)下部相對(duì)含水層;用小直徑鉆具將套管中的相對(duì)隔水層穿透。由于套管打入下部相對(duì)隔水層,套管與周圍地層密貼較好,可起到有效隔離上部潛水的作用。
4.2 臨河地段的鉆探
根據(jù)工程特點(diǎn)布置水上鉆探,勘探孔一般布置在工程邊線外10m左右,勘探孔間距為20～30m;加強(qiáng)抽水和承壓水水位觀測(cè)工作;必要時(shí)布置大口徑群井水文地質(zhì)試驗(yàn),采用穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)確定水文地質(zhì)參數(shù),確定地下水與地表水的水力聯(lián)系。
4.3 確定水位分層
在水文地質(zhì)勘察之前,應(yīng)首先掌握地層的分布情況,進(jìn)而分析各含水層的分布位置、含水情況和相互補(bǔ)給關(guān)系,從而合理布置水文勘探試驗(yàn)工作。要分層確定水位深度,分層抽水試驗(yàn),分層確定水文參數(shù);分層取水樣進(jìn)行水分析。
5 地下水對(duì)地鐵工程影響的分析評(píng)價(jià)
5.1 明挖法施工的車站工程
(1)第I海相層粉土、粉砂層和淤泥質(zhì)土。由于土體松散軟弱,且粉質(zhì)粘土多含粉土夾層,在潛水的作用下,易造成基坑的涌泥(土)、涌水,影響基坑的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意。
(2)第Ⅱ、Ⅲ陸相層中的粉土、粉細(xì)砂層。一般分布在地下16～28m,含有微承壓水,對(duì)基坑的影響最大。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)考慮對(duì)該層微承壓水的封堵,以減少基坑坑底的突水和隆起。
(3)第Ⅳ陸相層以下的粉土、粉細(xì)砂層。一般分布在地下30m以下,含有微承壓水,由于上部相對(duì)不透水層的阻隔,對(duì)基坑的影響相對(duì)不大。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工不需采用針對(duì)性的防護(hù)措施,以加強(qiáng)基坑的坑內(nèi)降水、坑外減壓、坑外回灌和地表監(jiān)測(cè)措施為宜。
(4)采取降水減壓設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格控制抽水井施工質(zhì)量,避免抽微承壓水時(shí)與上部潛水的連通,同時(shí)要嚴(yán)格控制“降壓不降水,出水不出砂”的原則,避免引起對(duì)既有建筑物的沉降破壞,要從降水、減壓、回灌和沉降觀測(cè)均衡等方面采取措施,制定可行方案,并從施工方面加以嚴(yán)格控制。
(5)采用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁進(jìn)行基坑支護(hù)時(shí),應(yīng)注意墻間或樁間咬合,避免潛蝕或漏水現(xiàn)象。
5.2 盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道
(1)密閉型盾構(gòu)最小覆蓋層厚度宜大于8m。
(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮隧道施工中內(nèi)外水頭差的作用。在動(dòng)水壓力的作用下,細(xì)顆粒土容易流失,引起土體結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低,圍巖地層形成管道,從而引起地表沉陷和建筑物破壞。
(3)在隧道洞身分布有淤泥質(zhì)土和粉土,靈敏度較高,在地下水的作用下易產(chǎn)生流動(dòng),在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意。
(4)在隧道通過含有微承壓水的砂類土地層時(shí),設(shè)計(jì)施工要考慮涌水、涌砂的可能性,避免引起開挖面失穩(wěn)和地表塌陷。
(5)在地鐵穿過既有建筑時(shí),要嚴(yán)格控制盾構(gòu)進(jìn)土量,并加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測(cè)。
參考文獻(xiàn)
�。�1］ 夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè).北京：中國(guó)建筑出版社，1999
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