多基坑深層承壓水降水引起地表沉降規(guī)律研究

楊 瀟

( 1.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

我國城鎮(zhèn)化水平的提高帶動了城市地下工程的發(fā)展，城市基坑工程從淺型單一基坑逐漸發(fā)展成深型多基坑．以多基坑為特征的地下工程，對施工環(huán)境和施工條件提出了更高的要求．地下承壓水，因具有較高的水位，對于基坑工程的危害可以歸結(jié)為兩類：一是基坑坑底接近承壓含水層頂板時，承壓水水頭壓力過高導(dǎo)致的坑底突涌破壞；二是基坑開挖穿過了承壓含水層時，由于基坑圍護結(jié)構(gòu)的滲漏導(dǎo)致的流砂管涌[1]．因此，有必要對影響基坑施工的承壓水實施降水．基坑工程對承壓水實施降水，會造成大面積的地層沉降．原因在于，降水一方面導(dǎo)致基坑四周水位降低，土中孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增加；另一方面在水位降落漏斗范圍內(nèi)的水力梯度增大，作用在土體上的滲透力增大[2]．

1923年，Meinzer首次在地下水的研究中提出了地面沉降的概念．1925年，美籍奧地利土力學(xué)家Karl Terzaghi根據(jù)有效應(yīng)力原理率先提出了飽和土一維固結(jié)理論．基于飽和土有效應(yīng)力原理和Terzaghi一維固結(jié)理論，國內(nèi)外學(xué)者對基坑工程中降水引起的地層沉降問題作了較為廣泛的研究．

顧小蕓[3]回顧30年來由抽水引起的地面沉降計算，對計算參數(shù)進行了討論．璩繼立等[4]從某地鐵車站降水實際出發(fā)，對上海地區(qū)降水引起的水頭分布范圍及其與地層沉降之間的一般規(guī)律做了研究．駱冠勇等[5]研究了在深厚弱透水層下臥強透水承壓層的復(fù)雜地質(zhì)條件下，下臥承壓水層減壓引起的土中應(yīng)力變化及周圍地表沉降的計算方法．S. L.Shen等[6]使用有限元模型對未開挖基坑承壓水降壓進行了模擬，并與實測數(shù)據(jù)做了對比分析．李文廣[7]針對淺層承壓含水層基坑降水，以粘彈性理論和隨機介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了一種新的基坑降水引起地面沉降的計算方法．孫振岳等[8]通過離心機模型試驗研究抽水引起的地基變形，探討了滲透作用對地面沉降發(fā)展規(guī)律的影響．葉為民等[9]以某修復(fù)工程深基坑減壓降水實例，基于Biot固結(jié)理論和Hardening-Soil本構(gòu)模型，探討了深基坑承壓水降水對周邊地面沉降的影響因素、范圍和程度．楊天亮[10]根據(jù)某地鐵車站深基坑工程減壓降水和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，分析了深基坑工程的地面沉降效應(yīng)，為工程性地面沉降防治提供一定的科學(xué)依據(jù)和實踐指導(dǎo)．

綜上，目前對于基坑承壓水降水及地層沉降的研究多是集中于單一基坑淺層承壓水的降水實踐或是從理論上推算深層承壓水降水引起土層變形．然而，當基坑工程，特別是多個基坑遭遇深層承壓水的特殊工況，實際施工所面臨的風險是極大的．一方面對深層承壓水降壓引起的土體變形，其影響區(qū)域較大，會對各個基坑的本體穩(wěn)定產(chǎn)生復(fù)雜的影響；另一方面，多個基坑的存在對于土層沉降有一定的控制作用，進而影響周邊環(huán)境的變形規(guī)律．本文基于太沙基一維固結(jié)理論，著眼于多基坑深層承壓水降水，即上海地區(qū)第二承壓含水層的降水，在地下綜合體工程背景下，研究承壓水降水及其周邊土層變形問題，通過數(shù)值模擬手段研究多種基坑布置形式下的地層沉降情況，具有一定的理論價值和工程指導(dǎo)意義．

1 工程背景及有限元模擬

1.1 工程背景

研究背景是上海漢中路地鐵車站換乘樞紐工程，見圖1．基坑開挖最深處達32.88 m，圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻隔斷了第一承壓含水層，并對其實施坑內(nèi)疏干降水；對于第二承壓含水層，按需減壓降水.由于該含水層未被圍護結(jié)構(gòu)隔斷，采取坑內(nèi)降水一會有坑外水源補給，二不利于坑內(nèi)地下結(jié)構(gòu)施工，因此最終采取坑外減壓降水，屬于第二類基坑工程降水[11]．此外，兩層承壓含水層之間沒有水力聯(lián)系．由于第一承壓含水層坑內(nèi)降水不會引起坑外土體沉降，因而本文針對第二層承壓水作降水研究．

1.2 計算條件

利用GeoStudio2007有限元數(shù)值分析軟件，對第二承壓含水層做降水模擬．根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，將土體計算模型總結(jié)為5層：潛水含水層I、第一隔水層II、第一承壓含水層III、第二隔水層IV、第二承壓含水層V．各土層的特性參數(shù)見表1．

圖1 總工程平面圖Fig.1 The general engineering planar graph

表1 土層的計算參數(shù)Tab.1 Computing parameters of soil layers

2 有限元計算結(jié)果分析

研究多個基坑承壓水降水，結(jié)合工程背景，選取典型斷面進行分析．分析工況包括：兩個獨立基坑降壓和坑中坑局部降壓．研究控制變量為承壓含水層厚度M和基坑間距D．第二承壓含水層初始水位埋深6 m，統(tǒng)一水位降深10 m，降壓井插入第二承壓含水層深度3 m.

2.1 兩個獨立基坑降壓

2.1.1 承壓含水層厚度M的影響

基坑間距D為50 m，承壓含水層厚度M取值10 m、15 m、20 m、25 m、30 m．降壓井布設(shè)在目標基坑隔水帷幕外側(cè)5 m處．計算模型如圖2，降壓目標基坑位置對應(yīng)x=525～550 m，相鄰基坑位置對應(yīng)x=450 ～475 m，降壓井位置對應(yīng)x=520 m及x=555 m．

（1）降水結(jié)果分析

降壓后目標基坑處第二承壓含水層頂部水位如圖3．不同承壓含水層厚度的降壓水位曲線基本重合，目標基坑處水位基本不變．因為水位降落僅受到水位降深影響，而與承壓含水層厚度M無關(guān)．

（2）地表沉降結(jié)果分析

降壓后基坑周邊地表沉降如圖4．如圖圍護結(jié)構(gòu)對于地表沉降有隔斷作用，即圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)地表沉降值出現(xiàn)了跳躍突變．當處于降壓井外側(cè)約33 m之間的區(qū)域(x=487～588 m)，地表沉降s隨承壓層厚度M增加呈現(xiàn)先增加后減小的特點；當處于此區(qū)域之外時，地表沉降s隨承壓層厚度M增加而增加．對x=487～588 m區(qū)域內(nèi)地表沉降出現(xiàn)后期減小的現(xiàn)象，原因在于該區(qū)域處于降壓井抽水點附近影響區(qū)域，隨著承壓層厚度M后期逐漸增加，降壓井插入深度有限，使得抽水的地層變形受到了限制，而出現(xiàn)了后期地表沉降減小的特點．

圖2 不同承壓層厚度的雙坑降壓計算模型Fig.2 The computing model of two independent pits with various thickness of confined aquifer

圖3 不同承壓層厚度的雙坑降壓水位Fig.3 Curve of dewatering of two independent pits with various thickness of confined aquifer

圖4 不同承壓層厚度的雙坑降壓后周邊地表沉降Fig.4 Curve of surface settlement of two independent pits with various thickness of confined aquifer

2.1.2 基坑間距D的影響

計算模型如圖5所示．

（1）降水結(jié)果分析

降壓后目標基坑內(nèi)第二承壓含水層水位如圖6．水位降落曲線不受基坑間距D的影響，表現(xiàn)為統(tǒng)一水位降深下各水位降落曲線重合．

圖5 不同基坑間距的雙坑降壓計算模型Fig.5 The computing model of two independent pits with various distances of excavations

圖6 不同基坑間距的目標基坑降壓水位Fig.6 Curve of dewatering of two independent pits withvarious distances of excavations

圖7 不同基坑間距的雙坑地表沉降Fig.7 Curve of surface settlement of two independent pits with various distances of excavations

（2）地表沉降結(jié)果分析

降壓后的地表沉降如圖7所示．圍護結(jié)構(gòu)對地表沉降有隔斷作用；隨著基坑間距D的增加，目標基坑內(nèi)部地表沉降逐漸減小，其外側(cè)地表沉降基本相同；隨著基坑間距D的增加，相鄰基坑內(nèi)部地表沉降減小，其外側(cè)地表沉降衰減速率加快．

2.2 坑中坑局部降壓

2.2.1 承壓含水層厚度M的影響

計算模型如圖8，大基坑位置對應(yīng)x=405 ～595 m，局部深坑位置對應(yīng)x=485 ～515 m，降壓井布設(shè)位置對應(yīng)x=480 m、500 m、520 m．

圖8 不同承壓層厚度的坑中坑降壓計算模型Fig.8 The computing model of pit in pit with various thickness of confined aquifer

圖9 不同承壓層厚度的坑中坑降壓水位Fig.9 Curve of dewatering of pit in pit with various thickness of confined aquifer

圖10 坑中深坑的周邊地表沉降(不同承壓層厚度)Fig.10 Curve of surface settlement of pit in pit with various thickness of confined aquifer

（1）降水結(jié)果分析

在不同承壓層厚度下，坑中深坑在降壓后的承壓層水位如圖9，規(guī)律同前．

（2）地表沉降結(jié)果分析

坑中深坑工況下的地表沉降如圖 10所示．在x=450～550 m范圍以外，隨著承壓層厚度增加，地表沉降逐漸增大；在該范圍內(nèi)，隨著承壓層厚度增加，地表沉降逐漸減小，這與前述地表沉降規(guī)律有所不同，原因在于前述各工況采用的是在目標基坑兩側(cè)進行雙井降壓，而坑中深坑采用的是對目標深坑內(nèi)外三井降壓，后者的降水曲線要高于前者(如圖11)，表明同一降深下，三井降壓對x=460～540 m范圍內(nèi)土層的孔隙水壓力消減程度要弱于雙井降壓，因此沒有表現(xiàn)出地表沉降隨承壓層厚度增加而首先增大的情況，只呈現(xiàn)出了地表沉降隨承壓層厚度增加而減小的特點．

圖11 同一降深下雙井降壓和三井降壓水位曲線Fig.11 Curve of dewatering under two wells and three wells

圖12 不同基坑間距的坑中坑降壓計算模型Fig.12 The computing model of pit in pit with various distances of excavations

2.2.2 基坑間距D的影響

這里研究的基坑間距D，是指深坑邊緣到大基坑邊緣的距離．計算模型如圖 12所示，局部深坑位置對應(yīng)x=485～515 m，降壓井布設(shè)位置對應(yīng)x=480 m、500 m、520 m．

圖13 不同基坑間距的坑中坑降壓水位Fig.13 Curve of dewatering of pit in pit with various distances of excavations

（1）降水結(jié)果分析

降壓后水位曲線如圖13，規(guī)律同前．

（2）地表沉降結(jié)果分析

不同基坑間距的地表沉降結(jié)果如圖14．

圖14 不同間距的坑中坑周邊地表沉降Fig.14 Curve of surface settlement of pit in pit with various distances of excavations

隨著基坑間距D的增加，外側(cè)地下連續(xù)墻對地表沉降的收斂作用愈加明顯．然而，在研究深坑中心處第二隔水層及上覆土層垂直沉降時發(fā)現(xiàn)，隨著基坑間距D的增加，土層沉降出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，以D=30 m為分界點，如圖15.這是因為圍護結(jié)構(gòu)對于地表沉降的隔斷作用，隔斷效果越明顯，深坑內(nèi)部土體沉降值越大．于是，當基坑間距很小時，圍護結(jié)構(gòu)對降壓區(qū)域附近地表沉降隔斷作用未充分發(fā)揮，深坑中心土層沉降值偏?。划敾娱g距達一定數(shù)值時，隔斷作用才充分發(fā)揮，深坑中心土層沉降值增加到最大；而當基坑間距繼續(xù)變大時，隔斷作用逐漸減弱，深坑中心土層沉降值逐漸減?。?/p>

圖15 坑中坑中心處第二承壓含水層以上各土層垂直沉降Fig.15 Settlement of vertical section at the center point of pit in pit

3 結(jié)論

（1）兩個獨立基坑實施承壓水降水，在降壓井形成的一定影響區(qū)域內(nèi)，地表沉降量隨著承壓含水層厚度M增加而先增加后減?。辉谟绊憛^(qū)域外，地表沉降量s隨著承壓含水層厚度M增加而增加．

（2）兩個獨立基坑實施承壓水降水，隨著基坑間距D增加，兩個基坑內(nèi)部的地表沉降均逐漸減?。?/p>

（3）坑中坑實施承壓水降水，在降壓井形成的一定影響區(qū)域內(nèi)，地表沉降隨著承壓含水層厚度M的增加而逐漸減小，在影響區(qū)域外，地表沉降隨著承壓含水層厚度M的增加而逐漸增大．

（4）坑中坑實施承壓水降水，隨著基坑間距D的增加，深坑內(nèi)部的地表沉降先增大后減小．

References

[1] 秦夏強. 超深基坑工程承壓水控制實踐與研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2008.QIN Xiaqiang. Practice and research on the control of confined water in the ultradeep foundation pit projects[D].Xi’an: Xi’an Univ. of Arch. & Tech., 2008.

[2] 周載陽. 地下水開采引起地面沉降的機理研究[J]. 工程勘察, 2012(3): 22-26.ZHOU Zaiyang. Mechanism research of land subsidence caused by groundwater extraction[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2012(3): 22-26.

[3] 顧小蕓. 地面沉降計算的回顧與展望[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 1998, 9(2): 81-85.GU Xiaoyun. Review and prospects of land subsidence computation[J]. The Chinese Journal of geotechnical hazard and control, 1998, 9(2): 81-85.

[4] 璩繼立, 劉國彬, 張建峰. 東昌路地鐵車站降承壓水引起地面沉降的研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2002, 35(5):93-98.QU Jili, Liu Guobin, Zhang Jianfeng. Study on the settlement induced by pumping confined water in subway station on Dongchang Road in Shanghai[J]. China Civil Engineering Journal, 2002, 35(5): 93-98.

[5] 駱冠勇, 潘泓, 曹洪,等. 承壓水減壓引起的沉降分析[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(Supp.2): 196-199.LUO Guanyong, PAN Hong, CAO Hong, et al. Analysis of settlements caused by decompression of confined water[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(Supp. 2):196-199.

[6] SHEN S. L, TANG C. P, BAI Y, et al. Analysis of Settlement Due to Withdrawal of Groundwater Around an Unexcavated Foundation Pit [A]. Underground Construction and Ground Movement GeoShanghai 2006[C]//United States: American Society of Civil Engineers, 2006. 377-384.

[7] 李文廣, 胡長明. 深基坑降水引起的地面沉降預(yù)測[J].地下空間與工程學(xué)報, 2008, 4(1): 181-184.LI Wenguang, HU Changmin. Surface Subsidence Caused by Dewatering in Deep Foundation Pit[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2008, 4(1): 181-184.

[8] 孫振岳, 張嘎, 張建民等. 水井抽水引起地基沉降的離心模型試驗研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2008, 41(4):67-71.SUN Zhenyue, ZHANG Ga, ZHANG Jianmin, et al.Centrifuge modeling of ground settlement due to groundwater pumping[J]. China Civil Engineering Journal, 2008, 41(4): 67-71.

[9] 葉為民, 萬敏, 陳寶, 等. 深基坑承壓含水層降水對地面沉降的影響[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2009,5(Supp.2): 1799-1805.YE Weimin, WAN Min, CHEN Bao, et al. Influence of dewatering of confined aquifers on land subsidence during deep excavation[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(Supp.2):1799-1805.

[10] 楊天亮. 深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降效應(yīng)分析[J].上海國土資源, 2012(3): 41-44.YANG Tianliang. Analysis of the land subsidence impact of dewatering of deep foundation pits[J].Shanghai Land & Resources, 2012(3):41-44.

[11] 吳林高, 李國, 方兆昌, 等. 基坑工程降水案例[M].北京: 人民交通出版社, 2009.WU Lingao, LI Guo, FANG Zhaochang, et al.Dewatering Case History for Excavation[M]. Beijing:China Communications Press, 2009.