抽水试验在城市轨道交通工程勘察中的运用

李建红

(北京爱地地质勘察基础工程公司，北京 100144)

0 引言

近年来，在城市高层建筑、城市轨道交通等基本建设工程中涉及地下工程建设的项目不断增多，此类项目中需要开挖大量的深基坑工程，而地下水的控制问题是深基坑工程中的关键问题之一[1-8]。水文地质参数是地下水控制设计和施工所必需的基础数据，水文地质参数的客观性和准确性直接关系到工程设计和施工的效果[5-8]；抽水试验是地层渗透性、测定水文地质参数常用的方法之一[6-10]。本文以郑州地铁5号线经开第八大街站为例，针对地层分布特点及地下水发育情况，进行了多孔稳定流抽水试验，取得含水层的渗透系数和影响半径等水文地质参数，有效指导了后续降水设计施工，验证了含水层水文地质参数的准确性。

1 抽水试验的布置

1.1 工程概况

郑州市轨道交通5号线经开第八大街站为地下三层结构，与下穿市政隧道共建，车站基坑总长239 m，宽度21 m，基坑深约24.1 m。

1.2 场地地质条件

根据地质勘察报告①，地铁工程开挖范围所涉地层主要为第四系全新统冲洪积层和第四系上更新统冲洪积层。自地表向下依次为：①素填土；②21粉质黏土；②33D粉细砂；②35黏质粉土；②51细砂；②52细砂；③24粉质黏土。地铁工程开挖范围内的地下水主要为潜水，水位埋深14.5 m，赋存于第四系全新统冲洪积②51细砂和②52细砂层中，下伏地层③24粉质黏土为硬塑-坚硬状，为不透水层(图1)。

1.3 水井布置

(1)水井布置。在场地内设置1个抽水孔和2个观测孔，抽水孔深35 m，井底进入下伏隔水层3.2 m，观测孔深30～35 m。水井间距布设时考虑避免三维流和紊流的影响，各孔孔深和间距见表1。

(2)水井结构。抽水试验井采用反循环钻机成井，终孔口径600 mm，井管采用井径300 mm的无砂水泥管，井壁外侧围填2～4 mm砾料，砾料围填厚度不小于100 mm；观测井井径150 mm，井管采用89 mm的PVC管作为滤水管，管壁外侧包扎尼龙布并围填2～4 mm砾料，砾料围填厚度不小于50 mm。

(3)止水及洗孔。止水需在洗孔前进行，抽水井及各观测井在含水层顶、底板做好止水，采用半荫干黏土球捣实止水。抽水井及观测井下滤管后进行止水，然后洗孔。下管投砾后，用清水冲孔，活塞和空压机反复进行洗孔，直至水清、砂净、水位反应灵敏为止。洗孔达到要求后再施工新孔。

表1 抽水孔、观测孔孔深及孔距Table 1 The holes’ depth and distance between the holes

图1 抽水孔、观测孔位置及地层分布示意图Fig.1 Sketch showing localities of the pumping hole and observation holes and the strata distribution

1.4 试验过程

(1)地下水位测量。地下水位以上土层采用干钻工艺，直至观测到初见水位为止，其余采用湿法钻进，洗孔符合要求后测量孔内水位，开始每半小时测量一次，4 h后，每隔1 h测量一次，最后3次测量结果误差在2 cm之内且无持续上升或下降现象时视为稳定。

(2)试验性抽水。抽水孔及观测孔按要求完成实施，测得稳定水位后，进行一次最大降深试验性抽水，抽水时间约4 h，以了解降深、流量、洗孔、止水效果及各孔连通性，便于调整降深和流量，为正式抽水试验提供依据。

(3)稳定流抽水。①每次试验完成3个降深，3个降深的间距保证分布均匀，分别为Smax、2/3Smax、1/3Smax，采用由小至大的抽水顺序，最大降深Smax按工程降水深度控制；②本次试验含水层为细砂层，抽水稳定延续时间按不少于24 h控制；③抽水稳定的标准：主抽水井水位误差不超过水位降低平均值1%，稳定水位幅度不超过3～5 cm，观测孔水位波动不超过2～3 cm，在涌水量无连续增大或变小的区间内各次流量的最大差值与平均流量值之比不大于3%；水位稳定的标准：在抽水试验稳定延续时间内水位无持续上升或下降趋势，动水位不大于平均水位降深的1%；④水位观测：动水位与出水量同时观测，应认真测准抽水初始阶段的动水位和出水量，观测井和抽水井按规定时间统一进行观测，抽水按2、5、10、20、30 min间隔进行观测，之后每30 min观测一次[2]；⑥恢复水位观测：抽水井和观测井的恢复水位按1、2、3、4、6、8、10、15、20、25和30 min的时间间隔进行观测，之后每30 min观测一次，直至稳定为止；⑦水温、气温观测：在抽水开始和结束时各观测一次，抽水过程中每隔2～4 h观测一次，在抽水中气温、水温同时观测，温度计浸入水中时间不少于15 min，同时，注意观测及时发现和分析并处理稳定延续时间内涌水量可能出现的不稳定情况；⑧水样采取：抽水开始及抽水稳定后水样各一组。本次抽水试验降水、流量与时间关系如图2所示。

(4)井损的测定。在抽水试验孔井壁外侧下置50 mm PVC滤管，同时观测抽水井和井外水位。

(5)注水试验。待抽水试验完毕，根据水位和含水层情况，对地下水水位以上透水地层进行注水试验。注水试验采用钻孔常水头注水法，注水前测定孔内的静止水位，用流量箱连续向孔内注入清水，使管内水位升高到设计高度后，控制注水量，使水头和水量稳定。

注水开始后，在第1、2、3、4、5、10、15、20、25、30 min同时观测一次水位、水量，以后每隔30 min观测一次，至稳定后再延续4 h结束。

注水试验结束后立即观测钻孔中的水位下降，其时间间隔与注水试验相同，直到水位下降到静止水位为止。

注水试验进行3次水位升高，每次水位升高采用2、4、6 m，间距为2 m。

图2 降深、流量与时间关系曲线Fig.2 Water table drop and discharge rate VS time plot

表2 稳定流试验计算参数结果统计Table 2 Statistics of parameters calculated from the stable flow test

2 水文地质参数的确定

2.1 试验资料的整理

本次抽水试验分别进行3个落程带有观测孔的完整井稳定流抽水试验，抽水延续48 h，主井降深分别为5.24 m、2.07 m、1.04 m。选用《YS 5215—2000 抽水试验规程》中潜水完整井条件下，2个观测孔，中心井抽水推荐的公式(1)求取K，公式(2)求取影响半径R。

(1)

(2)

2.2 水文地质参数的计算

经计算，含水层②51细砂、②52细砂的主要水文地质参数结果统计见表2。

经过抽水试验得出含水层②51细砂、②52细砂的渗透系数平均值为10.16 m/d。

2.3 试验参数评述

该地铁车站降水设计及施工过程中采用了通过本次抽水试验所取得的水文地质参数，目前该地铁车站已经竣工。经施工期间对降水施工数据实测验证，水文地质参数与本次抽水试验取得的结果基本吻合。

3 结论与建议

(1)通过本次抽水试验，确定了含水层的渗透系数，为地铁基坑降水工程设计和施工提供了基础数据和依据。

(2)采用带观测孔的多孔抽水试验，通过合理布设观测孔，可以避开紊流、三维流和造孔对抽水孔附近含水层扰动的影响，可以使成果能比较真实地反映含水层的透水性。

(3)根据观测孔水位降低值可以更准确地计算含水层渗透系数，无需考虑难以确定的抽水影响半径，同时也可较准确地计算影响半径。

注释：

① 中铁第五勘察设计院集团有限公司. 郑州市轨道交通5号线工程勘察02标段经开第八大街站岩土工程勘察报告. 北京: 中铁第五勘察设计院集团有限公司, 2014: 14.