地下车站抽水试验成果分析

摘要：以某地下车站为例，提出了抽水试验方法和技术要点，为后期疏干排水和降承压水的设计提供依据，以供类似从事地下工程施工的技术人员参考与讨论。

关键词：地下车站 富水地层渗透系数 稳定性验算

中图分类号： TV53+3 文献标识码： A 文章编号：

在城市地下工程施工中，针对地下承压水对基坑施工安全和周边环境的影响及危害，现以某地铁车站为例，通过抽水试验，提供各分层土体水平向及垂直向渗透系数，实测承压水头，绘制承压水水位变化与时间的关系曲线，为优化基坑围护设计及降水设计方案提供参考依据。

一、工程简况

本工点属于地下车站，场地位于某城市中心城区，车站全场210.7m。基坑深度为：标准段17.3m，端头井18.9m，附属11m；主体围护型式采用800mm地下连续墙，深度为：标准段34.0m，端头井38.7m，基础拟采用直径800mm钻孔灌注桩，有效桩长35m。

基坑具体性质见表1-1：

表1-1基坑工程性质表

工程部位 地面标高（m） 开挖深度(m) 开挖面标高(m) 围护方式 围护深度（m）

标准段 +2.70 17.39 -14.69 地下连续墙 34.0

端头井 18.71~19.16 -16.01~16.46 38.7

注：如无其它说明，本设计中均以+2.70m作为地面设计标高，若无其它说明，方案中提到深度均以此标高计。

二、水文地质条件

根据地下水含水空间介质和水理、水动力特征及赋存条件，拟建工点地下水主要为第四系松散浅层孔隙潜水类型和深部松散岩类孔隙承压水。

1）孔隙潜水

浅层松散岩类孔隙潜水主要赋存于场区浅部填土和粘土、淤泥质土层中。浅部填土富水性和透水性均较好，水量较大；浅层粘土和淤泥质土富水性、透水性一般，渗透系数为5.0×10-6～4.07×10-7cm/s 之间，单井出水量小于5m3/d。场地内孔隙潜水主要接受大气降水竖向入渗补给和地表水的侧向入渗补给，多以蒸发方式排泄。潜水埋深0.50～2.50m 之间，标高介于0.16～2.27m 之间，水位埋深及高程变化均较小。浅层孔隙潜水水位变化受季节及气候环境影响显著，经调查，水位季节性变化幅度为1.0m 左右。

2）孔隙承压水

孔隙承压水可分为浅层孔隙承压水及深部承压水，深部承压水可分为第I-1 层孔隙承压水 、第I-2 层孔隙承压水、第II 层孔隙承压水。

①浅层孔隙承压水浅层孔隙承压水主要赋存于③1层粉土夹粉砂层中，③1层含水层厚7.3～11.6m，含水层夹较多粘性土薄层，透水性一般，在砂质较纯、厚度较大的地段出水量相对较大，水位标高在1.46m左右，渗透系数4.75×10-4cm/s~1.07×10-4cm/s，地下水基本不流动。

②第I-1 层孔隙承压水

第I-1 层孔隙承压水主要赋存于⑤3 层粉土层中，夹有较多粘性土薄层（部分呈粉质粘土夹粉土薄层状），透水性一般，水量相对较小，砂质较纯，厚度较大的地段出水量相对较大，水位标高在0.25左右，层厚1.4～7.8m ，水位标高，渗透系数在1.62×10-4cm/s。

②第I-2 层孔隙承压水

第I-2 层孔隙承压水赋存于⑧1层粉砂，粉土，⑧3 层细砂层中，透水性好，平均渗透系数约2.89×10-3/s，水量丰富，单井开采量500～1000m3/d，含水层顶板埋深48.1～51.5m，含水层厚度多大于10m，层位基本稳定，水位标高-0.02m 左右，动态变化不明显,基本不流动。透水性较好

三、现场抽水试验概况

3.1抽水试验目的及工作量统计

场地微承压水含水层（位于③1、层土）埋深约在地表下13～21m，第一承压含水层（⑤3层）埋深约在地表下33～41m。本工程基坑大面积开挖深度为17～19m，.按上述条件，本工程基坑开挖面位于微承压含水层中下部，需要对微承压水减压疏干，对第一承压含水层进行减压降水。为确保后期基坑工程降水方案安全可靠，确保地铁工程安全顺利施工，需要在基坑开挖前精确探明承压水相关水文地质参数。鉴于此，车站工程开展专项现场抽水试验。试验目的：

1、实测⑤3承压水头，在试验期间，定期观测承压水水位变化，并收集区域内水位的年度、季度变化，绘制承压水水位变化与时间的关系曲线；

2、通过抽水试验，提供各分层土体水平向及垂直向渗透系数；

3、实测试验井相应井结构的单井出水量和工程降水效果及预估承压水抽水的影响范围；

4、通过抽水试验获得的相关数据，为今后本工程实际开挖过程中优化降水设计方案，为优化基坑围护设计提供参考依据。

序 号 项目名称 单位 井深 数量

1 抽水试验井 口 41m 3

表3-1 工作量统计表

3.2试验场布置

试验井平面布置图 图3-1

试验井结构图 图3-2

3.3抽水试验技术要求

1、稳定水位观测

抽水试验开始前，连续2小时观测抽水井及观测井内的地下水位。如果观测水位变化幅度不大于2.0cm，认为地下水位处于稳定状态。

2、抽水试验要求

正式开始抽水之前，要检查电源、水泵是否完好，校正测线，统一时间起点，人员及设备到位，排水途径贯通。通知甲方试验开始时间，并请甲方协调相关事宜，保证抽水试验的顺利进行。

抽水试验的出水量Q，应保持常量，如有变化，其允许波动率应小于3％。

每次抽水试验抽水时间暂定3-4天，一般延续时间按观测孔水位下降与时间关系曲线，即S～lgt曲线确定，若曲线出现拐点后平缓段，并能推出最大水位下降值时，即可结束；若曲线无拐点，竖直线延伸时，其直线段的水平投影在lgt轴的数值不少于两个对数周期。

动水位与出水量应统一指挥同时观测，观测时间按抽水开始后的第1、2、5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120min进行，以后每隔一小时观测一次，观测孔的水位应与抽水孔水位同时观测。

3、恢复水位的观测

停止抽水后，恢复水位观测频率与前述抽水时的观测频率一致，并持续观测到水位稳定为止。地下水位稳定标准为：连续2小时内的水位变幅不大于2.0cm。每次抽水试验结束，待水位恢复稳定后方可进行下一组抽水试验。

4、观测精度

抽水量观测：采用水表测量抽水量，测读精度为0.1m3。

地下水位观测：在同一组抽水试验中，采用同一种工具和方法测量地下水位变化。抽水井的水位测读精度为0.02m，观测井的水位测读精度为0.01m。停止抽水后水位自然恢复，此时水位观测尤为重要，观测频率按抽水时一样直到稳定为止。稳定标准为2小时内水位变幅不大于2cm。

3.4抽水试验工况

成孔、成井施工完成，实测承压水初始水位并进行试抽水完成后。根据抽水试验目的拟采用如下的抽水试验顺序：

1、抽S5（140h）

实测S5出水量、观测井S4及S6的水位降深，绘制水位降深时间曲线，绘制⑤3层降水引起的地面沉降变化曲线。同时根据S4的水位变化，计算⑤3层水文地质参数，为后期坑内降⑤3层承压水方案提供依据。

2、S5恢复试验（48h）

实测停抽后S6及相应观测井水位恢复速率，结合步骤1初步判断⑤3层的工程水文地质条件（赋水性、渗透性及微承压性）。

3、群抽S4、S6（48h）

验证⑤3层降水效果。

表4-2抽水试验工况表

试验工况 抽水井 累计抽水时间 主观测井 历时时间

1抽水 S5 144小时 S4 5月30日8：00～6月5日8：00

2恢复 48小时 S4 6月5日8：00～8月7日8：00

3抽水 S4、S6 48小时 S5 8月7日8：00～8月9日8：00

4恢复 48小时 S5 8月9日8：00～8月11日8：00

四、试验成果

4．1基坑底板抗突涌稳定性验算

基坑开挖后，基坑底部距离承压含水层顶板距离减小，相应地承压含水层上部土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力可能小于其含水层中承压水顶托力，导致基坑底部失稳，发生突涌现象，严重危害基坑安全。因此，需要对基坑在干开挖过程中的开挖面稳定性进行验算。

图4-1基坑底抗突涌验算示意图

基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：Σh・γs ≥ Fs・γw・H

H ― 基坑底至承压含水层顶板间距离(m)；

γs ― 基坑底至承压含水层顶板间的土的平均加权重度(kN/m3)；

h ― 承压水头高度至承压含水层顶板的距离；

γw ― 水的重度(kN/m3)，取10kN/m3；

Fs ― 安全系数，一般为1.0～1.2，本工程取1.10；

根据勘察报告，场区⑤3 层粘土为场区的承压含水层，⑤3层承压水最浅顶板埋深标高为-31.44m。本次降水方案设计中承压含水层水位标高取+0.25m。

当承压水顶板处上覆土压力等于承压水的顶托压力时（安全系数为1.10），为基坑的临界开挖深度。

表4-1基坑抗突涌稳定性验算表(⑤3 层)

开挖部位 开挖面标高

(m) 承压水顶

托力kPa 含水层上部土压力kPa 计算降深

(m) 控制水位标高（m）

标准段 -14.69 348.59 309.87 3.5 -3.25

端头井 -16.46 277.13 6.5 -6.25

针对上述计算结果，为了保证基坑稳定，根据公式Σh・γs ≥ Fs・γw・H，计算得临界开挖面标高为-12.6m当西端头井开挖深度等于或大于15.3m时，需开启⑤3层降压井，以降低基坑突涌风险。

图5-2 基坑开挖深度与安全水位关系曲线图

（1）现场试验通过对S4～S6试验井的观测，⑤3、微承压水水位埋深为3.5～4m，详勘期间初见水位埋深为2.5~3m，该层微承压水水位埋深具有动态变化性质，最大变幅约为1.5m，建议基坑工程开挖期间需要注意该层水位的这种动态变化性质。

（2）基坑端头井及其标准段开挖深度约为17.4～19.2m，安全水位埋深为5.95m～9.95m，需要考虑对该层微承压水进行减压降水。

4.2中部⑤3含水层水文特性

4..2.1含水层赋水性

S5井深41m，滤水管分段设置一段滤水管主要位于⑤3（砂质粉土）层中。

图4-3S5单井试验，实测S5单井累计出水量

图4-4 S5单井试验，实测S5流量变化曲线

（1）通过单井试验观测：S5前期出水量约38m3/d，108小时平均流量36 m3/d；

（2）试验表明该层试验井（降水井）出水量稳定，前期稍大，后期区域稳定后流量约为36 m3/d；

（3）该层微承压水由于埋藏较深，厚度不大，其赋水性一般，但是围护没有将其隔断，后期需要对该层的微承压水进行减压降水。

4.2.2综合渗透性

抽水试验对S5进行了单井试验，利用经典理论的Theis公式的近似表达式Jacob公式，近似计算含水层水力参数，并对所得结果进行工程分析。

Jacob公式：

上式表明：s与lgt呈线性关系。利用直线斜率可求出导水系数，利用直线截距和斜率可以求出贮水系数：

T＝

＝×M；T＝K×M

式中：i――为直线斜率，1；

B――为直线在降深s轴上的截距，1；

r――为观测井到抽水井的距离，m；

Q――流量，m3/d；

T――导水系数，m2/d；

K――渗透系数，m/d；

――贮水系数，1/m；

――贮水率，1；

图4-5 S5抽水，直线图解法计算含水层综合渗透系数及贮水系数s－lgt曲线

导水系数；

渗透系数K＝T/M＝1.846/5＝0.369m/d，即：4.27×10-4 cm/s；

贮水系数（1/m）；

贮水率＝/M＝5.59×10-4/5＝1.12×10-4（1）。

渗透系数现场试验一览表 表4-1

试验方法 综合渗透系数（cm/s） 贮水率（1） 备注

S5抽水，S4（S6）观测 4.27×10-4 1.12×10-4

4.2.3微承压性

通过⑤3层试验井S6水位恢复情况，判断该层土水位恢复情况：

观测井S6水位恢复历时曲线图4-6

群抽S4、S6，观测S5水位降深曲线图 图4-7

试验第一阶段对S5进行了抽水6天，观测井S4水位埋深降至约14.1m，然后对S4进行水位恢复试验，经过24个小时水位恢复至7.94m，水位恢复6.16m。24小时内平均恢复速率为0.26m/h。水位恢复较为缓慢。根据含水层的赋水性和渗透性综合判断其应具有明显的微承压性，应将其定性为（微）承压水。

五、结论和建议

（1）现场试验通过对S4～S6试验井的观测，⑤3微承压水水位埋深为3.5~4m，详勘期间初见水位埋深为2.5m，该层微承压水水位埋深具有动态变化性质，最大变幅约为1.5m，建议基坑工程开挖期间需要注意该层水位的这种动态变化性质。

（2）基坑端头井及其标准段开挖深度约为17.4～19.2m，安全水位埋深为5.95m～9.95m，需要考虑对该层微承压水进行减压降水。

（3）及时降低下部承压含水层的（微）承压水水头高度，防止基坑底部突涌的发生，确保基坑在水下开挖之前的干开挖施工时坑底的稳定性。

（4）基坑开挖深度较深，坑内降水井井管宜采用钢制井管。土层渗透性较差，施工过程中应严格控制成井施工质量。

（5）根据实验数据，单井出水量及渗透系数的变化，对初步降水方案进行优化。

【参考文献】

[1]宁波市轨道交通2号线孔浦站岩土工程勘察报告，宁波市冶金勘察设计研究院，2010年8月

[2]《基坑工程手册》第二版，刘国彬、王卫东，2009年10月

[3]《地下铁道工程施工及验收规范》GB50299―1999（2003年）