淺談城市地下空間開發中的地下水控制問題

鄭小燕，張志林

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

0 前言

隨著我國經濟建設的高速發展，城市土地資源日趨緊張，這種形勢迫使越來越多的建筑物往深的方向發展，地下停車場、商業綜合體等建、構筑如雨后春筍般出現，地鐵、地下交通隧道也在城市中大量出現，我國許多城市進入了地下空間開發利用的“黃金”時期（錢七虎，1998；劉景礦等，2009）。地下空間開發利用的深度越來越大，而伴之而來的是在地下結構施工過程中受地下水影響也越來越嚴重，如國家大劇院工程的深基坑，最大埋深為32.5m, 受到二層承壓水影響（張志林等，2005）；北京地鐵7號線雙井站，結構最大埋深達33.73m，受到二層承壓水影響。與此同時，權威的數據統計顯示，地下結構施工過程中出現的質量事故和安全事故80%以上的事故原因都是由于地下水影響造成的，比如北京東三環附近某基坑，開挖至槽底后，已做完CFG樁復合地基處理，遭遇承壓水突涌，基坑內積水深達4m，只能采用排水量100m3/h水泵抽水來維持現狀，造成經濟損失不可謂不大，教訓不可謂不慘痛，因此，如何控制好地下水是城市地下空間開發利用中的重中之重。雖然人們日益認識到地下水控制在城市地下空間開發中的重要作用，但在現實工程中，由于對地質條件認識不清，對地下水控制理論、方法把握不好，在地下結構施工中盲目采用不適當的方法，造成的工程事故或巨大財產損失的情況還是屢見不鮮。基于此，本文探討了城市地下空間中地下水控制的難點，通過多個成功的地下水控制案例展現了地下水控制的方案方法，為城市地下空間的開發及利用提供了有益的借鑒。

1 地下水控制存在的主要問題

（1）認識不深。認識不到城市地下空間開發利用中由于地下水控制不當所帶來的各種問題其嚴重性遠大于城市以外地區，因此在地下水控制方面要考慮的因素更多，所涉用的范圍更廣。

（2）措施不當。盲目降水，對城市供水造成影響。在富水較好地區，一個地鐵車站施工時的日排水量相當于一個大型水源地日供水量，若工程降水區域處于水源地補給區時，將造成水源井開采能力下降，對城市供水造成影響。

（3）后果嚴重。引起地面沉降，對工業民用建筑及市政設施造成影響。在工業民用建筑及市政設施密集的城市，若地下水控制措施不當將產生較大沉降或不均勻沉降，造成建筑物傾斜、橋梁沉降、地下管線破裂等破壞，對城市安全影響極大。

（4）影響較大。設計、施工不當，對城市環境影響極大。地下水控制施工場區一般在繁華市區和交通要道，對交通影響極大；噪聲和場地排污將影響周邊居民正常生活，特殊情況下需拆遷民房建筑或占用主要干道、河渠等，造成工程成本巨額增加。

（5）難以處置。設計、施工受環境條件所限，對工程質量進度影響很大。城市中各種地下管線和地下建筑物密布，空中設施也較多，并且還受到交通要道、地表水體、既有建(構)筑等各種條件限制，使地下水控制設計、施工困難重重，這使地下結構施工的質量、進度受到很大影響。

（6）污染環境。當地下水控制采用注漿堵水時，將參有化學物質的水泥漿(雙液或多液漿)注入地下含水層，漿液在注漿壓力下在含水層中擴散，絕大部分在地層中形成結石體，但仍有污染物質殘留在含水層中，若控制不好易對地下水環境造成污染。

2 新技術及新方法介紹

2.1 降水-回灌技術

在城市地下空間開發利用中，為確保地下結構施工而采用降水措施時，若遇到對城市供水產生影響或對地面沉降非常敏感地區，可采用降水-回灌技術來解決。

（1）當采用降水-回灌技術是為了解決資源性問題時，應結合場區水文地質條件，采用“淺抽深灌”或“近抽遠灌”方法，這樣既不影響降水區域，又不影響水源地地下水補給（侯景巖等，1997）。

應用實例：在北京地鐵復—八線施工時，降水量巨大，為保護水資源，采用降水-回灌的方法對地下水進行回補，具體采用“淺抽深灌”方式（圖1），其回灌量達6500m3/d,回灌率達到55%左右，單井回灌量最高可達900m3/d（圖2），回灌水經沉沙過濾等措施的處理，水質均符合北京地區回灌水質標準，達到了保護水資源，回補地下水的目的，符合北京市“最嚴格水資源管理制度”的規定。

圖1 復—八線降水—回灌示意圖Fig.1 Relation between recharge wells and dewatering wells in fu-ba line

圖2 復—八線單井回灌量與回灌水頭關系圖Fig.2 Relation between recharge rate of single well and water head in fu-ba line

（2）當采用降水-回灌技術是為了解決地面沉降問題時，回灌應選擇同一含水層，回灌區應布設在降水區和預防沉降區之間。

應用實例：北京地鐵5號線雍和宮站緊鄰古建筑雍和宮，降水井距離雍和宮約20m，由于降水時產生的沉降較大，對雍和宮古建筑將造成危害性影響。為此，采用了防止沉降的降水-回灌措施，采用同層回灌的方式，回灌井平面布置圖見圖3。通過在降水井與古建筑之間布置回灌井，提高了降水水位線，有效的降低了降落漏斗的的影響范圍（圖4）。通過施工期間的沉降監測表明，由于采取了降水-回灌措施，雍和宮院內的所有古建筑物都沒有發生沉降變化。

圖3 雍和站降水井與回灌井布置關系圖Fig.3 Relation between recharge wells and dewatering wells in Lama Temple station

圖4 雍和宮站降水—回灌示意圖Fig.4 Schematic diagram of recharge wells and dewatering wells in Lama Temple station

2.2 輻射井降水技術

國內外輻射井技術主要用于供水井，其深度一般不超過20m，井徑也較大。為了解決地鐵暗挖隧道穿越鐵路、高速公路、護城河、立交橋、高層建筑物、重要交通路口及民房集居區等路段時，常規降水方法無法施工問題，輻射井技術越來越多的引入到城市地下空間開發利用中（何運晏等，2005；葉峰等，2005）。但采用該技術首先要解決以下問題。

（1）輻射井成井問題：①豎井深度較大，施工場地狹窄，豎井施工很困難；②水平井長度要達到50～80m，在砂卵石地層中施工難度很大；③在流砂地層中易蹋孔，尤其是水平井施工，會產生較大地面沉降；④沒有成熟的施工水平井設備（在豎井里施工）。

（2）輻射井計算理論問題：采用供水井的輻射井水量計算方法，與降水工程的計算方法相差很大，在實際工程中也相差很大，必須對計算方法進行修正。

關于輻射井的施工，通過在北京地鐵項目中的應用及實踐，漂浮法、沉井法和倒掛井壁法是可用于城市內部輻射井豎井施工的適宜方法，可根據地質條件、周邊環境來選擇，而水平井施工可采用三級套管潛孔錘成孔、雙壁水力反循環成孔以及高壓水沖頂進成孔的方式，適用條件見表1，表2。

對于輻射井降水計算方法，通過各種水文地質條件下的試驗，總結出3種比較有效的水量計算方法，以此作為輻射井設計依據。這3種方法分別是：①等效替代法，傳統方法計算其控制范圍的涌水量，分配管井井點數量及排水量，將受制約不能布管井的部位用輻射井替代，再用自然管道流方法計算水平井數去匹配所替代部位的流量。②過水斷面法，將輻射井要控制的斷面長作為計算長度，用斷面法計算其斷面出水量，再用自然管道流方法計算所需水平井數。當地層為多層含水層時，必須分層計算，分層匹配水平井點數。③經驗公式法，在原輻射井水量計算公式中加入折減系數ζ和干擾系數α，根據在各種水文地質條件下的試驗數據確定了ζ范圍值，根據不同出水量和水平井數量關系確定了α 取值范圍，水平井單孔出水量計算公式見式（1）、式（2）。

當hr＞h時:

式中：R為影響半徑（m），一般取 5～10m；L為水平井長度（m）；hr為水平井距以下含水層厚度；m為含水層厚度(m)；h為動水位以下含水層厚度(m)。

表1 輻射井豎井施工方法比較表Tab.1 Comparison of construction methods for shaft in radial well

表2 三種水平井施工工藝比較表Tab.2 Comparison of construction technology of three horizontal wells

應用實例：北京地鐵5號線東四站建筑物林立，部分地段普通管井難以實施，最后在管井難以布設的地段采用輻射井進行降水（圖5），豎井采用沉井法施工，水平井采用雙臂反循環法施工，水量計算采用經驗公式法進行計算，該輻射井于2003年4月開工， 2003年8月完工，完全達到設計要求，實際豎井深度為28.45m，分別在潛水和承壓水卵石地層中施工了8眼長40～45m的水平井，出水量達到50m3/h，解決了東四車站暗挖穿過朝內菜市場的潛水和承壓水降水難題，為輻射井降水技術在地鐵施工中廣泛應用創造了良好的開端，也驗證了以上施工方法和計算方法的可行性。

圖5 東四站降水平面布置圖Fig.5 The Plan of Dewatering of Dongshi Subway Station

2.3 大直徑潛孔錘套管成井技術

當城市地下空間開發地區位于地層條件為漂石、卵石或風化巖石富水區時，地下水控制遇到注漿堵水難度大、效果差，降水成井條件差、排水量較大等困難，據統計，這種地質條件下地下水控制成本高于其它地質條件下幾倍，并且效果較差，大直徑潛孔錘套管成井工藝成井速度快，主要應用于基巖地區的飲水井的成井，將其應用于降水井的施工需要解決井參數的匹配問題。經過在大連、北京地鐵的多次試驗，針對潛孔錘常見設備，與之匹配了相應的降水井的結構參數（圖6），使之可應用于降水井的施工。

應用實例：大連地鐵1號線星醫區間屬于板巖發育地區，地下水主要為基巖裂隙水，降水井施工困難，成井效率低，將以上井結構參數的降水井施工采用大直徑潛孔錘套管成井，成井速度快。降水井深度為25m，基本上可保證一臺鉆機一天可實施一眼降水井，其成井效率可達到其他工藝的3倍以上，并且由于采用氣動吹渣的工藝，成井后無需專門洗井，特別適用于基巖地區的降水井成井。

圖6 大直徑潛孔錘應用于降水施工時的井參數設置Fig.6 Parameter setting of large diameter DTH hammer used in dewatering construction

2.4 水泥土咬合樁帷幕堵水技術

傳統的堵水方法一般采用高壓注漿、高壓噴射（旋噴、擺噴或定噴）注漿、地下連續墻等方法，但施工成本較高，在一些特殊地質條件下不宜采用。通過在北京地區試驗水泥土樁相互咬合，或水泥土樁和支護樁相互咬合形成阻水帷幕的阻水方法，發現其阻水效果好，施工成本低，適宜條件廣，可作為現有止水技術的有效補充。

應用實例：李家嶼村循環水務示范工程需要在北京山前特殊地質條件下實現截潛流而形成人造濕地，采用人工挖孔實現咬合水泥土樁形成地下帷幕結構。樁體材料由素水泥漿按試驗的配比與素土或地層中原狀土拌合而成，樁體強度3～5Mpa，樁體滲透系數K≤1×10-6cm/s。施工方法采用跳樁法施工，即先施工1#、3#、5#......樁，再施工2#、4#、6#......樁，若和支護樁結合形成帷幕時，應先施工水泥土樁，再施工支護樁，樁端應進入含水層底板以下弱透水層2m左右。成樁精度要求，垂直度誤差≤1%，交圈厚度≥300mm，樁位偏差≤50mm，樁體壓水試驗結果應為透水率＜ 0.1 Lu 。其施工順序及布置見圖7。工程實施后，帷幕截流壩上游水位抬升1.5m，攔蓄地下水效果顯著，達到了預期設計效果。

圖7 水泥土咬合樁帷幕堵水布置及施工順序示意圖Fig.7 Water blocking arrangement and construction sequence diagram of cement soil occlusive pile curtain

2.5 利用綜合技術解決復雜地質條件下地下水控制問題

沿海城市地下空間開發利用時，由于地質條件復雜（海水倒灌、巖溶裂隙、風化裂隙發育等），給地下水控制帶來很大困難，這種情況下往往不能用傳統的地下水控制方法來解決問題，而需要采用綜合技術方法來輔助進行做地下水控制設計和施工。由于沿海城市的基巖裂隙水分布不均勻，需要確定其賦存的主要位置，來進行有的放矢的控制，目前，可考慮使用高密度電法，地震波法進行探明基巖裂隙水的分布（田小甫等，2016）。

應用實例：大連地鐵西安路站沿海地帶，第四系孔隙水含水層底板起伏較大，并且受海水補給時，對地下結構施工影響極大，往往需對進入結構范圍的松散含水層進行注漿處理，需要查明注漿點的位置，但要在一個大場區找出所有的注漿位置比較困難，通過地震波物探方法對區域進行全覆蓋探測，可以比較準確地確定注漿位置（圖8）。

圖8 大連地鐵1號線西安路地震波探測成果立體圖Fig.8 Stereoscopic map of seismic exploration results of Xi'an road in Dalian Metro Line 1

此外當地下空間開發位于地質條件非常復雜的場區時，可利用場區的勘探資料建立三維地質體模型，了解基巖強風化層的平面分布及縱向的頂底板埋深，確定風化裂隙水的賦存位置。

應用實例：大連地鐵星醫區間位于板巖地區，其基巖裂隙水主要賦存于強風化板巖中，通過三維地質模型和基巖分層（從地質模型中分層）展示（圖9），比較全面地撐握了場區板巖的風化裂隙含水層分布和對地下結構施工的影響情況，可有的放矢地設計地制定地下水控制方案，減少盲目性。

圖9 隧道與含水層聯合展示模型Fig.9 The combined display model of the tunnel and the aquifer

3 發展方向探討

目前國內城市地下空間開發利用中工程開挖深度基本都在15～20m之間，超過30m的很少見，因此對更深地下結構施工的地下水控制技術研究相對較少。目前北京的地下空間開發已接近60m埋深（西二環地下快速路），地下水影響問題更加突出，因此對地下水控制技術研究更加重要。我們根據多年從事地下水控制工作方面的經驗，提出一些深層地下水控制方面的研究意向，共同探討。

（1）進一步研究降水-回灌技術

當城市地下空間開發區域的水文地質條件只能允許采用降水措施時，為了既保證地下工程的順利實施，又能盡量減少地下水資源浪費，可研究各種各樣的回灌技術，比如輻射井回灌技術、復合井回灌技術等。

（2）分層降水技術

當暗挖施工的地下地構位于多個地下含水層之中時，可針對地下結構埋深受影響的地下含水層進行降水，對其它含水層段則采取分段阻水方法。這樣即可提高降水的有效性，又可以減少工程降水的抽排地下水。

（3）水-堵水相結合技術

對城市地下空間開發利用的區域遇到沉降敏感、地表水體發育、承壓水影響較大等不利條件時，可采用降水-堵水相結合的方法來進行地下水控制。在地下結構埋深范圍內，對采用降水對環境影響較大的含水層段（地層），應采用堵水措施，對采用堵水施工困難或效果很差的含水層段，可采用降水措施。

（4）數值模擬技術

建立城市地下空間開發利用場區三維地質體模型、滲流場數值模型、溶質場數值模型和土力學模型，模擬由地下水控制引起的場區地下水位、水質變化，準確反映出地下結構施工期間不同時間、不同部位的地下水位情況以及場區地下水環境、地面沉降變化。

（5）洞內地下水控制技術

對城市地下空間開發利用的區域不具備地面施工降水或堵水條件時，可研究在暗挖隧道內采用堵水或降水措施，傳統的全斷面注漿堵水方法存在很多問題需改進，而洞內降水受各種條件限制到目前還沒有完整成熟的技術方法。

總之，城市地下空間開發利用中地下結構施工離不開地下水控制，由于在城市中進行地下水控制受各方面制約因素影響使很多常用方法難以實施，必須要研究其相適應的技術方法，而隨著城市地下空間開發利用的深度不斷增大，其地下水控制的難度也越大，這對從事地下工程的專業技術人員來說需要不斷地研究新技術新方法，而且還需進行綜合的技術研究，相信經過不斷地努力研究試驗以及工程實踐，會有更多的新技術新方法誕生，為城市地下空間開發利用提供地下水控制方面的安全保證。

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