趙靜波

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222）

近年來(lái)，在復(fù)雜的城市環(huán)境中進(jìn)行深基坑開(kāi)挖已經(jīng)成為城市發(fā)展的重要途徑.日趨狹小的工作空間和愈發(fā)嚴(yán)格的變形控制對(duì)降水安全提出了更高要求.因此，對(duì)降水引起的水位變化和結(jié)構(gòu)變形的研究具有重要意義.

為防止降水引起坑外較大沉降，工程中通常通過(guò)布置止水帷幕隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，并采用預(yù)降水評(píng)估其隔斷效果.未插入隔水層的懸掛式止水帷幕具有工期較短、造價(jià)較小等優(yōu)勢(shì)，逐漸在工程中得到應(yīng)用，但懸掛式止水帷幕不能完全徹底阻隔基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，降水時(shí)容易引發(fā)坑外水位降低從而產(chǎn)生較大沉降[1-2].馮曉臘[3]利用數(shù)值模擬方法分析了在基坑降水過(guò)程中懸掛止水帷幕對(duì)地下水滲流特性的影響；肖明釗[4]對(duì)降水量的計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化；周火垚等[5]結(jié)合實(shí)際工程和理論分析，提出了懸掛式止水帷幕與深井降水相結(jié)合的降水方式控制地下水位；鄭剛[6-8]等結(jié)合一系列降水試驗(yàn)，提出了解決懸掛式止水帷幕引起坑外較大沉降的工程措施.上述研究對(duì)于懸掛式止水帷幕在工程中的應(yīng)用具有重要的借鑒意義.實(shí)際工程中地質(zhì)水文條件較為復(fù)雜，承壓水往往不連續(xù)，落地式止水帷幕不能完全阻隔坑內(nèi)外水力聯(lián)系，懸掛止水帷幕憑借造價(jià)低、施工快等特點(diǎn)應(yīng)用前景較好.但由于目前工程中仍多采用落地式止水帷幕阻斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，懸掛止水帷幕缺乏充足的理論支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

本文結(jié)合天津某分布于既有車站兩側(cè)的異形基坑，開(kāi)展單井降水和群井降水試驗(yàn)，對(duì)降水過(guò)程中基坑內(nèi)外水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷地連墻對(duì)承壓水的阻隔作用，監(jiān)測(cè)降水引起地連墻和既有車站主體結(jié)構(gòu)的變形情況.在此基礎(chǔ)之上，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有車站變形控制策略進(jìn)行探討，以期為類似工程提供參考.

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

天津某基坑工程分布于思源道車站主體結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)，基坑平面圖如圖1所示.基坑為不規(guī)則形狀，東側(cè)基坑最長(zhǎng)處191.08 m，最寬處107.57 m；西側(cè)基坑最長(zhǎng)處145.113 m，最寬處95.778 m.既有思源道地鐵車站已于4年前施工完成.本工程地下一層橫跨思源道站體上方，地下一層底板與思源道車站頂板同一標(biāo)高，地下二層底板與思源道車站中板同一標(biāo)高，在既有思源道站站廳層設(shè)置兩個(gè)連接通道，從而既有車站和本工程負(fù)二層能夠無(wú)高差接駁.

圖1 基坑平面

1.2 工程地質(zhì)水文條件

基坑場(chǎng)地地連墻深度范圍內(nèi)以滲透性較好的粉質(zhì)黏土為主，摻雜粉土和少量的粉砂，如表1所示.

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

場(chǎng)地潛水水位埋深0.40～2.10m（高程0.27～2.21m）.第一承壓含水層位于⑧2粉土層中，以上端的⑦黏土層和下部的⑧1粉質(zhì)黏土為主要隔水層頂板，層頂埋深約16.9～20.4 m.第二承壓含水層位于⑨2層粉土和⑩2層粉土層中，頂部隔水板為⑨1粉質(zhì)黏土層.層頂埋深約24.0～27.8 m，局部以透鏡體形式存在，如圖2所示.

1.3 基坑與圍護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑采用厚度0.8 m的地連墻進(jìn)行支護(hù)，其標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度為15 m，對(duì)應(yīng)地連墻深度為32 m，與既有地鐵站零接兩側(cè)共用既有地鐵車站的地連墻，新舊地連墻接縫處設(shè)置高壓旋噴樁加固.基坑內(nèi)支撐均為混凝土支撐；東西側(cè)為獨(dú)立封閉基坑，均為環(huán)形輻射支撐體系，東側(cè)設(shè)置兩個(gè)環(huán)梁支撐體系.結(jié)合水文地質(zhì)條件可知，地連墻作為止水帷幕能夠切斷基坑內(nèi)外第一層承壓水之間的水力聯(lián)系，但由于地連墻深度較淺，基坑內(nèi)外第二層承壓水可能存在一定的水力聯(lián)系，但其抗突涌驗(yàn)算滿足規(guī)范要求.

圖2 地質(zhì)水文剖面

2 降水試驗(yàn)概況

由于該基坑與既有車站零距離接駁，為了保證既有車站結(jié)構(gòu)和線路的安全穩(wěn)定，兩側(cè)基坑開(kāi)挖需要對(duì)稱降水.根據(jù)地質(zhì)水文條件可知，該場(chǎng)地分布有大量高滲透性土體，且承壓含水層不連續(xù)，存在基坑內(nèi)外水力聯(lián)系的可能.為降低降水過(guò)程中基坑內(nèi)外水力聯(lián)系發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，本工程先后進(jìn)行單井和群井降水試驗(yàn)，通過(guò)基坑內(nèi)外觀測(cè)井觀測(cè)基坑內(nèi)外水位變化和建筑物變形量.

2.1 降水井、觀測(cè)井及變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

降水井、觀測(cè)井及變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示.基坑中共布置47口疏干井，其中西側(cè)基坑內(nèi)布置22口，東側(cè)基坑布置25口；基坑外共布置36口觀測(cè)井，其中主要普通潛水觀測(cè)井GCJ0共18口，深度為10 m，重點(diǎn)關(guān)注GCJ0-1至GCJ0-4；第一層承壓水觀測(cè)井GCJ1共9口，深度為18 m，重點(diǎn)關(guān)注GCJ1-1至GCJ1-4；第二層承壓水觀測(cè)井GCJ2共9口，深度為30 m，重點(diǎn)關(guān)注GCJ2-1至GCJ2-4.

變形監(jiān)測(cè)主要包括基坑周邊地表沉降、地連墻水平位移和豎向位移及既有車站結(jié)構(gòu)水平和豎向位移.其中，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)繞基坑外邊緣分布，共設(shè)30組，每組5個(gè)測(cè)點(diǎn)，由內(nèi)向外間隔均為2 m.地連墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑四周均勻布置，其中DC1-5為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，DS1-5為水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn).既有車站主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)包括沉降和水平位移監(jiān)測(cè)，沿行車方向布置，其中JGS01-06為水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，JGC01-10為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn).

圖3 井點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 降水試驗(yàn)過(guò)程

3.1 單井降水試驗(yàn)

單井降水試驗(yàn)在基坑開(kāi)挖之前進(jìn)行，在監(jiān)測(cè)單井降水效果的同時(shí)也觀察坑外潛水位觀測(cè)井和第一承壓水觀測(cè)井水位變化.降水時(shí)長(zhǎng)24 h，JD1（10 m）、JD3（18 m）、JX1（10 m）、JX3（18 m）設(shè)計(jì)降水深度為3 m；JD2（10 m）、JD4（18 m）、JX2（10 m）、JX4（18 m）設(shè)計(jì)降水深度為4m，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為各井深度，其他試驗(yàn)參數(shù)如表2所示.

表2 單井降水試驗(yàn)h

東側(cè)基坑抽水井JD1-4周圍坑內(nèi)水位觀測(cè)井及坑外臨近水位觀測(cè)井水位變化如圖4a所示；西側(cè)基坑抽水井JX1-4周圍坑內(nèi)水位觀測(cè)井及坑外臨近水位觀測(cè)井水位變化如圖4b所示.

圖4 單井降水引起的水位變化

由上圖可知，東西側(cè)基坑降水井水位變化規(guī)律較為接近，試驗(yàn)可靠性較強(qiáng).僅以東側(cè)基坑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：隨著抽水時(shí)間的增大，水位逐漸降低，降水時(shí)間超過(guò)7 h后，JD-1（10 m）和JD-3（18 m）水位下降接近3 m；JD-2（10 m）和JD-4（18 m）水位下降接近4 m，基本達(dá)到設(shè)計(jì)降深，說(shuō)明抽水井降水效果較好，停止抽水后，觀測(cè)井水位迅速恢復(fù)至原地下水位.

基坑外潛水層觀測(cè)井GCJ0-3水位變化整體較小，最大降深僅10 mm；但第一承壓水層觀測(cè)井GCJ1-3水位變化相對(duì)較大，最大降深達(dá)30 mm.分析該現(xiàn)象的原因?yàn)椋簶?biāo)準(zhǔn)段地連墻深度為32 m，深入10-2層粉土粉砂層，切斷了基坑內(nèi)外潛水層水力聯(lián)系；因此，在坑內(nèi)對(duì)10 m深的抽水井進(jìn)行抽水時(shí)，基坑外的潛水層觀測(cè)井水位變化較小，但第一承壓水觀測(cè)井水位變化較大，初步表明基坑內(nèi)外該承壓水層存在一定的水力聯(lián)系.

3.2 群井降水試驗(yàn)

群井降水試驗(yàn)在單井試驗(yàn)之后基坑開(kāi)挖之前實(shí)施，監(jiān)測(cè)群井降水效果的同時(shí)也監(jiān)測(cè)坑外潛水位觀測(cè)井和第一、第二承壓水觀測(cè)井水位變化.降水井深度分為10，18，30 m，分別與潛水、第一承壓水和第二承壓水聯(lián)通.降水時(shí)長(zhǎng)60 h，設(shè)計(jì)降水深度為10 m且所有井同時(shí)降水，其他試驗(yàn)參數(shù)如表3所示.

表3 群井降水試驗(yàn)h

降水過(guò)程中水位變化如圖5所示.

圖5 群井降水引起的水位變化

由圖5可知，東西側(cè)基坑降水井水位變化規(guī)律較為接近：隨著抽水時(shí)間的增大，水位逐漸降低；降水時(shí)間超過(guò)17 h后，坑內(nèi)水位觀測(cè)井水位下降接近10 m，達(dá)到設(shè)計(jì)降深，說(shuō)明抽水井降水效果較好；停止抽水后，觀測(cè)井水位迅速恢復(fù)至原地下水位.

與單井試驗(yàn)類似，基坑外潛水層觀測(cè)井GCJ0-1水位變化較小，最大降深僅0.2 m，說(shuō)明地連墻切斷了基坑內(nèi)外潛水層水力聯(lián)系.深度為18 m的抽水井JX-3（18 m）、JD-3（18 m）和坑外觀測(cè)井GCJ1-1均深入地下第一承壓水層.抽水開(kāi)始后，坑內(nèi)水位迅速降低，至設(shè)計(jì)深度后保持穩(wěn)定，坑外觀測(cè)井隨著坑內(nèi)水位的變化也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，但水位變化幅度較小，基坑內(nèi)外第一承壓水存在微弱的水力聯(lián)系.深度為30 m的抽水井JX-5（30 m）、JD-5（30 m）和坑外觀測(cè)井GCJ2-1均深入第二承壓水層.抽水開(kāi)始后，坑內(nèi)水位迅速降低，至設(shè)計(jì)深度后保持穩(wěn)定，坑外觀測(cè)井隨著坑內(nèi)水位的變化也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，水位變化幅度達(dá)4 m，說(shuō)明此處基坑內(nèi)外第二承壓水存在較大的水力聯(lián)系.

除此之外，分析圖中水位降低速率可知，潛水水位降低速率最快，第一承壓井次之，第二承壓井最慢.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于基坑內(nèi)外承壓水存在水力聯(lián)系，抽水時(shí)基坑內(nèi)外承壓水相互補(bǔ)給造成的.

通過(guò)上述分析可知基坑內(nèi)外承壓水存在水力聯(lián)系，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于地勘點(diǎn)間距一般在25～30 m之間，勘察結(jié)果無(wú)法預(yù)測(cè)承壓水的不連續(xù)性.為避免此類事件的發(fā)生，可在基坑開(kāi)挖前做預(yù)降水試驗(yàn)，以全面掌握?qǐng)龅厮牡刭|(zhì)情況.

4 沉降及支護(hù)位移觀測(cè)

4.1 地連墻變形

降水期間，對(duì)基坑地連墻水平和豎向位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖6和圖7所示.

由圖6可知，開(kāi)始降水后，地連墻頂部沉降逐漸增大，0～17 h之內(nèi)地連墻沉降速率較大；當(dāng)水位穩(wěn)定后，沉降保持穩(wěn)定，沉降最大值為DC-1處的9 mm，發(fā)生在東西兩側(cè)基坑中間的位置，而東側(cè)基坑西南側(cè)的DC-6和DC-7兩處沉降較小.分析其原因?yàn)椋簴|西兩側(cè)基坑均降水引起的疊加效果使DC-1處沉降較大；而DC-6和DC-7沉降主要受到東側(cè)基坑降水影響.停止抽水后，地連墻有小幅回彈.

圖7中，地下連續(xù)墻表面的水平位移方向均指向基坑內(nèi)部.開(kāi)始降水后，水位逐漸降低，基坑內(nèi)土體有效應(yīng)力增加，沉降增大.地連墻向內(nèi)發(fā)生位移，最大水平位移為5 mm，為基坑深度的0.03%，發(fā)生在DC-1處，達(dá)到整個(gè)基坑施工水平位移控制值的23.8%.

圖6 地連墻沉降隨抽水時(shí)間變化曲線

圖7 地連墻水平位移隨抽水時(shí)間變化曲線

4.2 既有車站變形

降水試驗(yàn)過(guò)程中既有車站主體結(jié)構(gòu)的豎向位移如圖8所示.

圖8 既有車站沉降隨抽水時(shí)間變化曲線

從圖8可看出，降水過(guò)程中既有車站主要發(fā)生沉降變形，最大豎向沉降量為2 mm左右，對(duì)車站自身安全影響較?。磺以谕Ｖ钩樗?，既有車站發(fā)生了小幅度回彈.

5 降水控制策略探討

通過(guò)上述降水試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，本基坑地連墻并未完全截?cái)嗦裆钶^深且橫向不連續(xù)的第二承壓水層，基坑內(nèi)外第二承壓水存在水力聯(lián)系，東西兩側(cè)基坑降水導(dǎo)致了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有車站主體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的沉降和水平位移.導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因?yàn)榈乜秉c(diǎn)布置間隔較大，勘察結(jié)果無(wú)法完全反應(yīng)實(shí)際地質(zhì)水文條件.因此，為了避免實(shí)際開(kāi)挖降水過(guò)程中的工程災(zāi)害，開(kāi)展預(yù)降水試驗(yàn)十分必要；同時(shí)，可在坑外設(shè)置相應(yīng)的承壓層回灌井，并在坑外承壓層水位觀測(cè)井發(fā)生水位下降時(shí)，及時(shí)進(jìn)行回灌.

6 結(jié)論

本文結(jié)合天津某分布于既有車站兩側(cè)的異形基坑降水試驗(yàn)，對(duì)降水過(guò)程中水位變化、地連墻和既有結(jié)構(gòu)變形展開(kāi)了分析，主要結(jié)論如下.

（1）場(chǎng)地內(nèi)第二承壓水不連續(xù)，基坑地連墻未能完全阻斷該承壓含水層，通過(guò)基坑試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基坑內(nèi)外第二承壓水存在橫向水力聯(lián)系，造成降水過(guò)程中地連墻和既有結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的沉降和水平變形.

（2）當(dāng)?shù)叵滤牡刭|(zhì)分布復(fù)雜時(shí)，間隔較大的勘察點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確描述地下水力地質(zhì)分布，在基坑開(kāi)挖前進(jìn)行降水試驗(yàn)十分必要.

（3）采用懸掛式止水帷幕且存在基坑內(nèi)外承壓水聯(lián)通的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可在坑外設(shè)置相應(yīng)的承壓層回灌井，并在坑外承壓層水位觀測(cè)井發(fā)生水位下降時(shí)，及時(shí)進(jìn)行回灌.

（4）降水會(huì)引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平和豎向位移增大，且當(dāng)水位穩(wěn)定后，上述變形達(dá)到最大值；隨著地下水位升高，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平和豎向位移均降低，但降低幅度較小.