天津地铁二期工程水文地质条件分析论文
摘 要 通过天津地铁二期工程的岩土工程勘察,分析了沿线地下水类型、特征、富存条件及各类地下水间的相互关系,结合地铁工程性质及施工工艺分析评价了不同类型地下水对工程的影响,为设计方案的选择提供了依据。
关键词 地铁 浅层地下水 水文地质条件 分析评价
天津地铁二期详勘工作始于2003年8月份,目前累计完成勘探量67000多m。为查明水文地质条件,结合不同的工程类型,有针对性地投入了大量的勘察工作,并结合工程施工情况和区域水文地质特征,对沿线水文地质条件进行总结和分析研究,为设计提供了准确的依据。
1 地质条件
天津地铁2、3号线沿线为冲积平原,皆为新生界沉积层覆盖,以陆相沉积为主。第四纪晚期受海进海退影响,形成了海陆交互相沉积层。线路沿线沉积的海陆交互相沉积层具有明显沉积韵律,各地层沉积厚度、沉积层位、岩性特征在线路不同地段虽有差异,但在成因上有明显的规律性。
1 1 地层岩性
地层分布自上而下依次为:人工填土层①、新近沉积层②、第Ⅰ陆相层③、第Ⅰ海相层④、第Ⅱ陆相层⑤、第Ⅲ陆相层⑥、第Ⅱ海相层⑦、第Ⅳ陆相层⑧、第Ⅲ海相层⑨。
1 2 各地层地质条件
第四系全新统人工填土层:杂填土、素填土,多分布于市区内,厚薄不均,差别较大。该层土密实程度差,易变形。
新近沉积层(故河道、洼淀冲积):以淤泥质粉质粘土、淤泥、粉土为主,分布于故沟坑、河漫滩、河流故道内,该层土工程性质较差。
第Ⅰ陆相层(Q43al):以软塑—可塑状粘土、粉质粘土为主,层底埋深4～7m,为浅基础的良好持力层。
第Ⅰ海相层(Q42m):由灰色粉土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土组成,层底埋深12～16m,触变性和灵敏度高,工程性质较差。
第Ⅱ陆相层的湖沼相沉积层(Q41h):以粉质粘土为主,厚度一般小于2 0m,粘性土为相对隔水层。
第Ⅱ陆相层的河床—河漫滩相沉积层(Q41al):以粉质粘土、粉土为主,层底埋深一般18～20m。上部粘性土为相对隔水层。
第Ⅲ陆相层(Q3eal):以黄褐色的粉质粘土、粉土为主,可塑—硬塑,局部夹粉细砂和粘土透镜体。层底埋深25～30m。该层工程性质较好。
地铁工程地下段洞身主要位于第Ⅰ陆相层(Q43al)、第Ⅰ海相层(Q42al)和第Ⅱ陆相(Q41al)中,局部位于第Ⅲ陆相层(Q4eal)中。
2 区域水文地质条件
2.1 天津市区域水文地质条件
地下水按赋存介质,可分为松散岩类孔隙水和以岩溶水为主的基岩裂隙水两大类型。第四系孔隙水分布广,厚度大,在水平和垂向上岩相变化复杂。在前人研究成果的基础上,以地质分层为基础,依据埋藏条件、水质等水文地质特征,并考虑多年延用的习惯,对含水岩组进行划分,将第四系孔隙水划分为4个含水组,3个含水亚组,其中第1含水组相当于全新统和上更新统(Ⅰ,Q 4+3),底界深度一般在70m左右。另外从地下水资源评价和地下水开采条件方面,将赋存于不同含水组的地下水划分为浅层地下水和深层承压水。一般将埋藏较浅、由潜水及与潜水有水力联系的微承压水组成的地下水称为浅层地下水,而将埋藏相对较深、与浅层地下水没有直接联系的地下水称为深层承压水。第1含水组属于浅层地下水系统,第2～4含水组属深层地下水系统。
2.2 天津市地下水补、径、排特点
在天然条件下,总的地下水补、径、排特点是:在水平方向上,浅层水和深层水由北向南形成补给,在垂向上,下伏含水岩组接受上覆含水岩组的越流补给。
浅层地下水有下列补给、径流和排泄特点。
补给:浅层地下水接受大气降水入渗和地表水体入渗补给,地下水具明显的丰、枯水期变化,丰水期水位上升,枯水期水位下降。
径流:在水位作用下,浅层地下水由山前平原向滨海平原径流,但由于含水介质颗粒较细,水力坡度小,浅层地下水径流十分缓慢。
排泄:浅层地下水主要的排泄方式有潜水蒸发、向深层承压水越流和人工开采。
根据地铁工程结构物的埋深和特点,对工程影响较大的地下水主要是浅层地下水。
3 浅层地下水的水文地质特征
3.1地铁工程影响范围内地下水的类型
(1) 上层滞水
上层滞水水位埋深为0 5m左右,主要以松散的人工填筑土层①为含水层,下部新近沉积层和第Ⅰ陆相层中粘土层(②3、③3)为相对隔水层。部分地段与地表坑塘水体连通,接受大气降水和地表水体的补给。稳定水位受季节性变化影响极其明显,仅分布在天津市局部地区。
(2) 潜水
第四系孔隙潜水的地下水位埋深一般为0 5～2 5m,年平均地下水位埋深为1 6～1 8m,年变化幅度的多年平均值约为0 8m。高水位期出现在雨季后期的9月份,低水位期出现在干旱少雨的4～5月。潜水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给,故地下水位的波幅变化较大,赋存于人工填土层①层、第Ⅰ陆相层③层及第Ⅰ海相层④层的相对含水层中,以第Ⅱ、第Ⅲ陆相层的⑤1、⑥1层粉质粘土为相对隔水底板。潜水层一般埋深为12～15m。
(3) 微承压水
赋存于第Ⅱ陆相层及以下粉砂和粉土中的地下水具有微承压性,第Ⅱ陆相层及以下的⑤2、⑥2、⑦2、和⑧2粉土、⑤4、⑥4、⑥5、⑧4、⑧5和⑨4粉细砂层中的地下水为微承压水。以第Ⅱ、第Ⅲ陆相层的⑤1、⑥1层粉质粘土为相对隔水顶板,含水层厚度较大,分布相对稳定,微承压水稳定水位埋深3 0～5 0m左右,水位受季节影响不大,水位变化幅度小。微承压水接受上层潜水的越流补给,同时以渗透方式补给深层地下水。水位观测初期,该层水上升很快,一般在30min之内即完成全部上升高度的80%左右,30min之后水位上升速度变缓,经过24h之后,水位一般稳定于潜水位以下。粉土中微承压性没有粉细砂层中微承压水表现的强烈。微承压水一般埋深为12～70m。
3.2 含水层透水性分类
根据有关规范,可将含水层的透水性分为6类(见表1)。
3.3 地层透水性特征
(1) 渗透系数和透水性关系
潜水、微承压水含水层含水介质颗粒较细,水力坡度小,地下水径流十分缓慢。部分地层的渗透系数及透水性统计如表2所示。
(2) 地层透水性分析
勘察范围内的地层由粘性土、粉土和粉细砂等组成,其中第Ⅰ陆相层(Q43al)、第Ⅰ海相层(Q42m)和第Ⅱ陆相层(Q41al)主要由粘性土和粉土组成,局部夹淤泥质土,渗透系数均小于1m/d,一般为弱透水层。第Ⅱ陆相层(Q41al)中的粉质粘土和粘土的渗透系数约0 01m/d,为弱—微透水层,可划分为相对隔水层。第Ⅲ陆相层(Q3eal)主要由粘性土、粉土和粉细砂组成,粘性土、粉土的渗透系数均小于1m/d,为弱透水层,粉细砂的渗透系数大于1m/d,为中等透水层。
(3) 浅层地下水的水文地质特征
潜水:人工填土层为①1杂填土、①2素填土,土体结构松散,含水量丰富,土层渗透系数大。第Ⅰ陆相层以③1粉质粘土为主,土体渗透性能差,土层渗透系数小。第Ⅰ海相层主要含水层为④2、④9粉土。④1及④8粉质粘土中夹有大量粉土透镜体,储水量较大,但出水量较小,垂直、水平方向渗透系数差异较大。
微承压水:在天然状态下,赋存于第Ⅱ陆相层(Q41、Q41al)、第Ⅲ陆相层(Q3eal)和第Ⅳ陆相层(Q3cal)粉土、粉细砂中的地下水具微承压性质,但不宜被称为典型的承压水。因为典型的承压水应该有稳定的水源补给,并应有稳定的不透水顶底板,而作为相对隔水层的第Ⅱ陆相层(Q41al)粉质粘土和粘土中有夹层,个别地方还有“天窗”。特别是第Ⅲ陆相层(Q3eal)中的粉细砂并非稳定分布,规模小,呈透镜体状,故自身无稳定的补给来源,而是由上下渗透性小的粉质粘土、粉土渗透补给。
赋存于第Ⅱ陆相层和第Ⅲ陆相层粉土、粉细砂中的微承压水属于第1层微承压水,分布在地表以下16～28m,接受上部潜水补给的同时又排泄给下部第2层微承压水。该层水对地铁工程影响最大。
赋存于第Ⅳ陆相层及以下的粉土、粉细砂中的微承压水属于第2层微承压水,分布在地表30m以下,接受上部第1层承压水补给的同时又排泄给下部的深层承压水。由于埋深较大,该层水对地铁工程影响相对较小。
(4) 潜水和微承压水的关系
由于上部潜水补给下部微承压水,承压水层之间又相互补给,所以浅层承压水各含水层存在明显的水力联系,又具有明显的垂向不均匀性。浅层地下水是统一含水体,只是由于局部地段地层透水性分布的差异性,对地铁结构物的施工影响程度也不同。
(5) 粉质粘土和粉土透水性的分析
粉质粘土的塑性指数(Ip)一般为12～14,砂性较大,不是绝对的隔水层,具备一定的透水性,所以各含水层上下之间存在地下水补给关系。粉土的塑性指数(Ip)一般为8～10,粘粒含量一般为9%～15%,砂性较大、粘粒含量亦较大,其透水性也是相对的。
3.4 地下水温度
天津地区地下水的温度,埋深在5m范围内随气温变化,5m以下随深度略有递增,一般为14～16℃。
3.5 地下水的腐蚀性评价
地下水对混凝土结构的腐蚀性类型一般为硫酸盐型;潜水一般对混凝土结构不具腐蚀性或具有弱腐蚀性,微承压水对混凝土结构一般具有弱或中等腐蚀性,个别区段具有强腐蚀性;潜水及微承压水对混凝土一般具有弱或中等腐蚀性。
4 水文地质勘察方面的几点经验
4.1微承压水稳定水位的确定
为更加准确测定地下水(尤其微承压水的承压水头)水位,应采用较有效的水位观测方法。钻进距含水丰富地层(第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ陆相层相对含水层)约1～1 5m之前(不穿透下部含水层,孔底在上部相对隔水层中),下套管至钻进深度;将套管砸进下部相对含水层;用小直径钻具将套管中的相对隔水层穿透。由于套管打入下部相对隔水层,套管与周围地层密贴较好,可起到有效隔离上部潜水的'作用。
4.2 临河地段的钻探
根据工程特点布置水上钻探,勘探孔一般布置在工程边线外10m左右,勘探孔间距为20～30m;加强抽水和承压水水位观测工作;必要时布置大口径群井水文地质试验,采用稳定流、非稳定流抽水试验确定水文地质参数,确定地下水与地表水的水力联系。
4.3 确定水位分层
在水文地质勘察之前,应首先掌握地层的分布情况,进而分析各含水层的分布位置、含水情况和相互补给关系,从而合理布置水文勘探试验工作。要分层确定水位深度,分层抽水试验,分层确定水文参数;分层取水样进行水分析。
5 地下水对地铁工程影响的分析评价
5.1 明挖法施工的车站工程
(1)第I海相层粉土、粉砂层和淤泥质土。由于土体松散软弱,且粉质粘土多含粉土夹层,在潜水的作用下,易造成基坑的涌泥(土)、涌水,影响基坑的稳定性,设计和施工中应注意。
(2)第Ⅱ、Ⅲ陆相层中的粉土、粉细砂层。一般分布在地下16～28m,含有微承压水,对基坑的影响最大。围护结构的设计和施工中应考虑对该层微承压水的封堵,以减少基坑坑底的突水和隆起。
(3)第Ⅳ陆相层以下的粉土、粉细砂层。一般分布在地下30m以下,含有微承压水,由于上部相对不透水层的阻隔,对基坑的影响相对不大。围护结构的设计和施工不需采用针对性的防护措施,以加强基坑的坑内降水、坑外减压、坑外回灌和地表监测措施为宜。
(4)采取降水减压设计时要严格控制抽水井施工质量,避免抽微承压水时与上部潜水的连通,同时要严格控制“降压不降水,出水不出砂”的原则,避免引起对既有建筑物的沉降破坏,要从降水、减压、回灌和沉降观测均衡等方面采取措施,制定可行方案,并从施工方面加以严格控制。
(5)采用地下连续墙或钻孔灌注桩进行基坑支护时,应注意墙间或桩间咬合,避免潜蚀或漏水现象。
5.2 盾构法施工的区间隧道
(1)密闭型盾构最小覆盖层厚度宜大于8m。
(2)设计时应充分考虑隧道施工中内外水头差的作用。在动水压力的作用下,细颗粒土容易流失,引起土体结构破坏、强度降低,围岩地层形成管道,从而引起地表沉陷和建筑物破坏。
(3)在隧道洞身分布有淤泥质土和粉土,灵敏度较高,在地下水的作用下易产生流动,在设计和施工中应注意。
(4)在隧道通过含有微承压水的砂类土地层时,设计施工要考虑涌水、涌砂的可能性,避免引起开挖面失稳和地表塌陷。
(5)在地铁穿过既有建筑时,要严格控制盾构进土量,并加强地表沉降监测。
参考文献
［1］ 夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册.北京：中国建筑出版社，1999
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