時(shí)紹瑋，朱慶川，徐　冬

城市建設(shè)基坑降水引發(fā)地面沉降的影響研究

時(shí)紹瑋，朱慶川，徐冬

（天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061）

由于基坑降水引起地面沉降的范圍較遠(yuǎn)，往往能達(dá)到墻后5～10倍基坑開(kāi)挖深度的距離，而實(shí)際基坑工程坑外沉降的測(cè)點(diǎn)往往布置在墻后1～4倍基坑開(kāi)挖深度的距離，因此難以全面獲得不同類(lèi)型基坑降水對(duì)地面沉降的影響范圍。此次利用有限差分軟件Modflow建立三維地下水滲流模型，研究不同開(kāi)挖深度（5～25 m）的基坑降水對(duì)地面沉降的影響范圍，并探討不同止水帷幕截?cái)喾绞焦r下坑內(nèi)降水后坑外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系。

基坑；沉降；范圍；發(fā)展；關(guān)系

隨著城市發(fā)展速度與建設(shè)規(guī)模的不斷加大，特別是市政工程和高層建筑的大量興建，導(dǎo)致城市地下空間被廣泛利用，隨之產(chǎn)生深基坑工程數(shù)量驟增，建筑基坑規(guī)模和深度也隨之加大，基坑降水量不斷攀升。研究成果表明，天津市建筑密集區(qū)基坑降水引發(fā)地面沉降的貢獻(xiàn)率已經(jīng)占到地面沉降總量的16％左右，但是由于基坑降水引發(fā)地面沉降在天津發(fā)生的歷史較短，導(dǎo)致對(duì)基坑降水過(guò)程中進(jìn)行回灌所采用的方式方法及相關(guān)技術(shù)要求的研究起步較晚，學(xué)者對(duì)其發(fā)生、發(fā)展及影響范圍的規(guī)律研究不深，管理上缺乏有力的科研依據(jù)。因此，筆者以典型基坑工程為案例，探討不同深度及不同截?cái)喾绞降幕咏邓畬?duì)地面沉降的影響范圍及發(fā)展關(guān)系，為進(jìn)一步制定行之有效的管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　有限差分模型建立及驗(yàn)證

首先依托天津文化中心站抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校核。試驗(yàn)流程，見(jiàn)表1。其中，W2、W3分別為第一、二承壓含水層降壓井；P2-1—P2-3、P3-1—P3-3分別為第一、二承壓含水層水位觀測(cè)井；DCCJ01—DCCJ10為地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了保護(hù)測(cè)點(diǎn)，將其布置在地表下2 m；分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和分層孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置4組，每組包括3個(gè)位置接近的測(cè)孔，如FCCJ1-1—FCCJ1-3、KXS1-1—KXS1-3，其埋置深度分別為4、8、12 m。

表1　抽水試驗(yàn)流程

根據(jù)土層分布，建立了三維地下水滲流數(shù)值模型，模型參數(shù)見(jiàn)表2。分別對(duì)W2井、W3井抽水試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分別將計(jì)算的觀測(cè)井P2-1—P2-3 及P3-2—P3-3的水位降深與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的觀測(cè)井降深作對(duì)比，如圖1—2所示。

表2　模型土層分布及滲透系數(shù)

圖1　W2抽水試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)井P2-1—P2-3的水位降深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖2　W3抽水試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)井P3-2—P3-3的水位降深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖1—2可以看出，建立的三維地下水滲流數(shù)值模型可以反映實(shí)際場(chǎng)地土層特性，因而用該模型來(lái)研究基坑降水引發(fā)沉降的范圍。

2　沉降影響范圍

2.1基坑深度5及10 m

基于驗(yàn)證過(guò)的數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)不同開(kāi)挖深度（5、10 m）的基坑分別進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)截?cái)嗟谝怀袎汉畬拥某潭葋?lái)控制沉降的影響范圍，從而對(duì)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。截?cái)喾绞接?種，即工況1：未對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行處理；工況2：截?cái)嗟谝怀袎汉畬涌偤穸鹊?/2；工況3：對(duì)第一承壓含水層全部截?cái)唷?/p>

經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如下：

（1）開(kāi)挖深度5 m的基坑。用驗(yàn)證后的模型，降深滿(mǎn)足深度為5 m的基坑，對(duì)3種截?cái)喾桨妇M(jìn)行了模擬。由于開(kāi)挖深度較淺，經(jīng)過(guò)抗凸涌計(jì)算，基坑施工過(guò)程中并不需要對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行減壓處理。但發(fā)現(xiàn)第一承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過(guò)0.5 mm。沉降等值線，如圖3所示。

圖3　開(kāi)挖深度5 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

（2）開(kāi)挖深度10 m的基坑。同上，由于開(kāi)挖深度較淺，所以在基坑施工過(guò)程中并不需要對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行減壓處理。但發(fā)現(xiàn)第一承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過(guò)0.5 mm。沉降等值線，如圖4所示。

圖4　開(kāi)挖深度10 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

2.2基坑深度15、20及25 m

基于驗(yàn)證過(guò)的數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)不同開(kāi)挖深度（15、20、25 m）的基坑分別進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)截?cái)嗟诙袎汉畬拥某潭葋?lái)控制沉降的影響范圍，從而對(duì)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。截?cái)喾绞接?種，即工況1：未對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行處理；工況2：截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/4；工況3：截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/2；工況4：截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/4；工況5：對(duì)第二承壓含水層全部截?cái)唷?/p>

（1）開(kāi)挖深度15 m的基坑。用驗(yàn)證后的模型，降深滿(mǎn)足深度為15 m的基坑，對(duì)5種截?cái)喾桨妇M(jìn)行了模擬。由于開(kāi)挖深度較淺，所以在基坑施工過(guò)程中并不需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓處理。但發(fā)現(xiàn)第二承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過(guò)3 mm。沉降等值線，如圖5所示。

圖5　開(kāi)挖深度15 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

（2）開(kāi)挖深度20 m的基坑，4個(gè)工況下，基坑外沉降等值線如圖6—9所示。

圖6　開(kāi)挖深度20 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

圖7　開(kāi)挖深度20 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降

圖8　開(kāi)挖深度20 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降

圖9　開(kāi)挖深度20 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降

（3）開(kāi)挖深度25 m的基坑。當(dāng)未對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行處理時(shí)，基坑外沉降嚴(yán)重，且影響范圍較大，基坑外沉降最大值40 mm，180 d沉降等值線如圖10—14所示。

圖10　開(kāi)挖深度25 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

圖11　開(kāi)挖深度25 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降

圖12　開(kāi)挖深度25 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降

圖13　開(kāi)挖深度25 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降

圖14　開(kāi)挖深度25 m的基坑工況5降水完成后180 d沉降

基于地下連續(xù)墻對(duì)第二承壓含水層的的截?cái)喾绞降牟煌?，?lái)控制基坑周邊地表沉降。將地表沉降分為10、20、30、40 mm 4條等值線，研究基坑中部地連墻與4條等值線距離，得出地面沉降影響范圍，從而提出墻深控制指標(biāo)，如圖15所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3—6。

圖15　基坑周?chē)乇沓两档戎稻€與基坑距離示意

表3　地連墻中點(diǎn)與10 mm等值線距離m

表4　地連墻中點(diǎn)與20 mm等值線距離m

表5　地連墻中點(diǎn)與30 mm等值線距離m

表6　地連墻中點(diǎn)與40 mm等值線距離m

經(jīng)過(guò)上文計(jì)算，可以得到15～25 m深度基坑在不同止水帷幕深度的工況下10、20、30、40 mm沉降的影響范圍，從而根據(jù)不同需要進(jìn)行止水帷幕優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于基坑開(kāi)挖深度為5、10 m的基坑，由于基坑開(kāi)挖深度相對(duì)較小且坑底距離天津市區(qū)穩(wěn)定第一承壓含水層層頂距離較大（一般約10 m），故一般不需對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行降壓處理，基坑降水引起的坑外地面沉降范圍很?。ㄔ谥顾∧徊话l(fā)生滲漏的條件下）。

3　地面沉降發(fā)展過(guò)程

基于上文數(shù)值模型，以25 m深基坑為例，探討5種不同止水帷幕截?cái)喾绞焦r下坑內(nèi)降水后坑外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系，選取坑外距離地連墻中點(diǎn)約10 m位置進(jìn)行分析。圖16為地面沉降時(shí)程曲線，圖17為坑外承壓層水位變化時(shí)程曲線，圖18為坑外承壓層上覆弱透水層水位變化時(shí)程曲線。

由圖16可以看出，地面沉降在降水開(kāi)始后10～20d發(fā)展較快，且能完成最終沉降的75％以上，而由于承壓層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土層的存在，地面沉降在所計(jì)算的180 d后仍未穩(wěn)定，尤其是止水帷幕沒(méi)有截?cái)喑袎簩拥母鞴r。

圖16　深25 m基坑不同工況下沉降隨時(shí)間變化曲線

圖17　深25 m基坑不同工況下承壓水位隨時(shí)間變化曲線

圖18　深25 m基坑不同工況下承壓層上覆弱透水層水位隨時(shí)間變化曲線

4　結(jié)論

（1）對(duì)于開(kāi)挖深度為5、10 m的基坑，由于基坑開(kāi)挖深度相對(duì)較小且坑底距離第一承壓含水層層頂距離較大（一般約10 m），一般不需對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行降壓處理，基坑降水引起的坑外地面沉降范圍很?。ㄔ谥顾∧徊话l(fā)生滲漏的條件下）。

（2）深15 m基坑由于不需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓，所以基坑降水并不會(huì)引發(fā)該含水層水位明顯下降，第二承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)坑外地表沉降影響較小。

（3）深20 m基坑需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓，加深止水帷幕深度會(huì)增加地下水滲流路徑，從而改變地下水滲流，減小坑外土體沉降。

對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～42 m；對(duì)于20 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～10 m；而不論基坑止水帷幕是否截?cái)嗟诙袎汉畬?，?0 m基坑滿(mǎn)足降壓要求后，基本不會(huì)出現(xiàn)坑外30 mm的沉降。具體情況，見(jiàn)表3—6。

此外，當(dāng)止水帷幕截?cái)?0％以上時(shí)，10 mm沉降影響范圍有明顯“收縮”，當(dāng)止水帷幕截?cái)?5％以上可將10 mm沉降控制在距離基坑10 m以?xún)?nèi)。具體情況，見(jiàn)表3—6。

（4）深25 m基坑開(kāi)挖較深，如地下連續(xù)墻未截?cái)嗟诙袎汉畬樱瑸榉乐箍拥淄褂浚鑼?duì)該含水層進(jìn)行減壓處理，由于降深較大，坑外地表會(huì)出現(xiàn)較大沉降（約40 mm）。

對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～140 m；對(duì)于20 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～88 m；對(duì)于30 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～46 m；對(duì)于40 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～10 m。具體情況，見(jiàn)表3—6。

此外，對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，增加止水帷幕深度對(duì)其影響不大，如果周?chē)ㄖ?duì)沉降敏感，沉降需要控制在10 mm以?xún)?nèi)時(shí)，建議將第二承壓含水層截?cái)?；?duì)于20 mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?0％以上時(shí)，其沉降影響范圍有明顯“收縮”；對(duì)于30 mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?5％以上時(shí)，其沉降影響范圍有明顯“收縮”。具體情況，見(jiàn)表3—6。

（5）基坑降水后，地面沉降在降水開(kāi)始后10～20 d發(fā)展較快且能完成最終沉降的75％以上，而由于承壓含水層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土層的存在，地面沉降在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍不能穩(wěn)定，尤其是止水帷幕沒(méi)有截?cái)喑袎簩拥墓r。

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1004-7328（2016）04-0045-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.015

2016—03—15

時(shí)紹瑋（1983—），女，工程師，主要從事地面沉降控制與管理工作。