北京地鐵下穿運河區間地下水流速流向測試*

張 昊 敖 松 劉俊洋

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤礦山工程有限公司,100013,北京;3.中鐵六局集團有限公司,100036,北京∥第一作者,高級工程師)

北京地鐵下穿運河區間地下水流速流向測試*

張 昊1敖 松2劉俊洋3

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,100068,北京; 2.北京中煤礦山工程有限公司,100013,北京;3.中鐵六局集團有限公司,100036,北京∥第一作者,高級工程師)

地下水流速和流向會影響凍結工程施工效果。以北京地鐵6號線下穿運河區間2#聯絡通道凍結工程為背景,針對地層滲透性強、地層擾動大、河水補給充足，以及周邊基坑降水平行施工等復雜條件,采用鉆孔勘察和AquaVISION測試儀測試的方法,開展了地下水流速流向現場測試,得到了聯絡通道處地層地下水流特征數據：流速為11.00～14.00 m/d,流向為北偏道東46°。給出了該聯絡通道凍結設計和施工時的注意事項。

地鐵區間; 凍結法施工; 地下水流速流向；測試

First-author′s address Beijing Urban Rail Transit Construction Management Co.,Ltd.,100068,Beijing,China

人工地層凍結施工技術以其對復雜的工程地質條件和水文地質條件較強的適應性在地下工程中備受重視,尤其是針對城市地下工程中的松軟含水層,具有不可替代的優勢[1]。一般情況下,地下水的自然流速在5 m/d以下,對凍結效果影響甚微,所以在進行凍結時通常不予考慮[2]。但在實際工程中,由于河水補給和人為抽水等原因。使得地下水水力梯度增大,地下水流速加快。動水將加速冷量的耗散并會沖刷凍結壁,導致凍結壁長時間達不到設計厚度或凍結壁長時間無法交圈,影響工程安全[3]。

1 工程概況

北京地鐵6號線下穿北運河區間線路西起玉帶河東街北濱河北路西側的玉帶河大街站,線路出站后自西向東下穿濱河中路、北運河、北運河熱力隧道以及京哈鐵路到達楊坨村中的會展中心站,在通過會展中心站(會展中心站主體基坑后期再建)后,繼續下穿楊坨村民房區、東六環路，到達東六環路東側運河東大街北側的郝家府站。線路全長2 209.12 m,埋深8.74～19.40 m。區間共設2座聯絡通道,其中2#聯絡通道兼做集水泵房。該處隧道中心線間距為15 m,擬采用“隧道內水平凍結法加固土體,礦山法暗挖構筑”的施工方法。

2#聯絡通道所處場地主要坐落在溫榆河沖積扇下部,地形基本平坦。聯絡通道所處位置距京哈鐵路約280 m,距正在施工的會展中心站約540 m,距北運河約335 m。值得一提的是,車站基坑降水將與2#聯絡通道同時施工。聯絡通道與周邊環境位置關系如圖1所示[4]。

2 工程地質與水文地質條件

2.1工程地質條件

2#聯絡通道結構中心標高為-4.98 m,地面標高為+20.45 m,所處地層以砂層為主,滲透系數較大。聯絡通道所處地層情況如表1所示。

圖1 2#聯絡通道平面位置

2.2 水文地質條件

北運河與該區間線路斜交,河寬約400 m,河底高程15.43 m,河水面平均標高為17.06 m,河底未

襯砌且含一定厚度流塑～軟塑狀態淤泥質土。地層主要賦存上層滯水(一)及潛水(二)兩層地下水。其中，潛水(二)層水位標高為12.60～14.13 m,水位埋深為5.80～11.40 m。該含水層為中等透水層,連續分布,局部因黏土、粉質黏土等透鏡體存在而具有一定承壓性,主要接受降水入滲及北運河河水側向徑流補給,側向徑流及人工開采方式排泄。

北運河與地下水之間存在水力聯系,河水對潛水(二)層具有一定的補給作用。北運河河底下部的細粉砂②3層及聯絡通道所處的中粗砂⑤1層、細中砂⑦層均屬于潛水(二)含水層。

表1 2#聯絡通道所處地層情況

3 地下水流速流向測試

3.1 測試方法

測試包含鉆孔勘察和AquaVISION地下水流速流向測定儀測試兩部分。鉆孔勘察的目的是查明區間的地下水類型、水位及埋深。AquaVISION地下水流速流向測定儀測試的目的是測定2#聯絡通道位置附近地下水的流速和流向。

(1) 鉆孔勘察。采用DPP-100型汽車鉆機套管護壁鉆設3個孔,呈三角形分布,鉆孔深度為35 m；鉆孔施工完成后,現場制作水文觀測孔,井管采用PVC(聚氯乙烯)管,在指定深度范圍內設置花管,在井管與孔壁之間回填2～4 mm豆石濾料；最后沖洗水文觀測孔,使地下水滲流渠道通暢。根據水文觀測孔測得的穩定水位埋深和穩定水位標高繪制場地的地下水等水位線圖。

(2)AquaVISION地下水流速流向測定儀測試。該測定儀采用專有的視頻管道顯微照相技術和軟件技術,實時測量地下水的流速、流向及粒子大小。它融合了高分辨率磁通量閥門羅盤和高放大率膠質顆粒追蹤攝像機,不僅能拍攝到懸浮在鉆孔攝像機鏡頭內膠質顆粒的高放大率圖片,而且可提供精確的磁航向信息。攝像頭拍攝到的圖像通過AquaLITE軟件以數字化的形式表現出來并進行分析,通過點線關系,該軟件可以確定每個膠質粒子的流速及相應的流向,軟件的羅盤則會確定捕獲的圖像所示的磁向,從而確定實際的膠質粒子的運行軌跡,而粒子的流速可由軟件自動運算得出。

3.2 鉆孔勘察結果

區間3個水文觀測孔測得的地下水水位及埋深情況如表2所示,地下水類型為潛水。根據3個水文觀測孔的穩定水位埋深和穩定水位標高,繪制出地下水等水位線圖,如圖2所示。由圖2[4]可得區間地下水流向為北偏東46°。

表2 地下水水位埋深及標高

圖2 地下水等水位線圖

3.3 AquaVISION地下水流速流向測定結果

采用Colloidal Borescope型AquaVISION地下水流速流向測定儀在2#聯絡通道場地內的1#、2#、3#、4#水文觀測孔內測定地下水流速及流向。其中,1#和2#水文觀測孔分別在21 m和27 m處布設測試點,3#和4#水文觀測孔在15 m處布設測試點。

2#水文觀測孔在21 m處的地下水流速流向測試結果如圖3所示。圖中方位角是以正北為0°,順時針方向的夾角。

圖3 2#水文觀測孔在21 m處的測試結果

AquaVISION地下水流速流向測定儀測試結果匯總如表3所示。部分水文觀測孔受孔內局部地層條件、花管開孔結構、濾網及已建地鐵隧道等因素影響,測試所得的地下水流向圖較為離散,參考價值不高,但地下水流速圖較為穩定連續,客觀地反映了孔內不同深度處的地下水流速情況。

表3 地下水流速流向測試結果匯總

4 測試結果分析

根據鉆孔勘察所測得的地下水等水位線圖,并參考AquaVISION測試儀測得的地下水流向,聯絡通道所處地層地下水流向按北偏東46°考慮。

AquaVISION測試儀測得區間水文觀測孔測試點處地下水流速在6.96～18.20 m/d范圍內,而地下水流速沿水力梯度方向(北偏東46°)逐漸減小,考慮到場地范圍內地下水主要為潛水,地層主要為砂層,因此,場地內同一點不同深度位置水力梯度基本相同。根據測試點與2#聯絡通道的位置關系,2#聯絡通道位置地層的地下水流速在11.00～14.00 m/d范圍內。

(1) 由地下水等水位線圖可以看出,地下水流方向大致為由北運河途徑2#聯絡通道向正在進行基坑降水施工的會展中心車站方向。根據DG/TJ 08-902—2006《旁通道凍結法技術規程》相關規定，凍結壁形成期間,凍結區域200 m范圍內的透水砂層中不宜采取降水措施[5]。但根據地下水流向測試結果,同時考慮地層滲透性較強,距離聯絡通道540 m處的基坑降水施工對聯絡通道處地層的地下水活動產生了一定的影響。

(2) 由AquaVISION測試儀測得的地下水流速可知,聯絡通道位置地層的地下水流速達11.00 m/d以上。據DG/TJ 08-902—2006《旁通道凍結法技術規程》相關規定,當聯絡通道周邊地層地下水活動頻繁、有集中水流、地下水水位有明顯波動(≥2 m/d)或地下水流速大于5 m/d時,應進行深入分析并采取針對性措施[6]。可見,該聯絡通道處地層地下水流速過大,在凍結設計和施工時應引起高度重視。

(3) 結合地質勘查資料,2#聯絡通道與北運河距離為335 m,與京哈鐵路距離為280 m,聯絡通道所處地層屬于受北運河水流補給的潛水(二)層,因此,在凍結施工時,應重點關注由水分遷移作用引起的凍脹對周圍環境(尤其是京哈鐵路)的影響。

5 建議

在滲透性較強的地層中進行凍結施工,應充分了解工程與周邊環境的聯系,并采取相應的措施排查影響凍結施工安全質量的各種因素。通過對該區間地下水流速流向的測試,建議在進行凍結設計和施工時注意以下幾點。

(1) 盡量降低基坑降水施工對凍結的影響,如有條件,將基坑降水施工與凍結施工錯開,聯絡通道施工宜在降水施工結束之后進行,且凍結壁形成期間不應進行降水施工。

(2) 應采取針對性的措施應對地層地下水流速過大的問題,可采取注漿等措施降低地層滲透性,同時采取多排凍結孔凍結的方式強化凍結，以保證凍結效果。

(3) 進一步分析凍脹效應對京哈鐵路等周邊環境的影響,并采取措施(如切斷水源、減小地層滲透系數等)減小水分遷移作用引起的分凝凍脹。

[1] 李方政.人工地層凍結的環境效應及工程對策研究[J].公路交通科技,2004,21(3):67.

[2] 楊平,皮愛如.高流速地下水流地層凍結壁形成的研究[J].巖土工程學報,2001(2):167.

[3] 周曉敏,王夢恕,張緒忠.滲流作用下地層凍結壁形成的模型試驗研究[J].煤炭學報,2005(2):196.

[4] 李方政,羅富榮,韓玉福,等.復雜條件下地鐵聯絡通道凍結壁不交圈原因分析及對策[J].工業建筑,2015(11):187.

[5] 上海市建設和交通委員會.旁通道凍結法技術規程:DG/TJ 08-902—2006[S].上海：上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，2006：7-8.

[6] 李銳志.高承壓、大流速地下水對立井凍結的影響及處理[J].建井技術,2015(3):27

Test of Groundwater Velocity and Flow Direction in River-crossing Section of Beijing Metro

ZHANG Hao, AO Song, LIU Junyang

Metro freezing construction could be affected by ground water velocity and flow direction.Based on the freezing construction of 2# connecting passage in river-bed crossing section of Beijing metro Line 6,by using borehole investigation and AquaVISION testing device,the groundwater velocity and flow direction test is conducted in complex conditions, including the highly disturbed stratum with strong permeability,sufficient river water recharge and nearby parallel pumping construction of foundation pit. Test result shows that the velocity of the stratum varies from 11 to 14 m/d,and the flow direction is 46 degrees north by east. On this basis, suggestions are put forward for the related design and construction.

metro section; freezing method; groundwater velocity and flow direction; test

*北京市科技計劃項目(Z151100002815023)

TU 472.9； P641.74

10.16037/j.1007-869x.2016.07.006

2015-10-12)