基坑工程承壓水降水及引起的沉降分析

吳增金

（江蘇中車城市發(fā)展有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 引言

近年來(lái)隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的建筑需要深基坑建設(shè)，在一些高水位或者是含水豐富的地區(qū)進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，基坑降水是工程中面臨的重要問(wèn)題?；咏邓梢詼p少坑內(nèi)土體含水量，增強(qiáng)土體強(qiáng)度，提高開(kāi)挖條件下土體穩(wěn)定性，便于工人和機(jī)械在坑內(nèi)施工作業(yè)；特別是對(duì)于承壓水含水層，承壓水頭過(guò)大或者基坑開(kāi)挖深度較深面臨承壓水突涌危險(xiǎn)，降水能夠降低基坑內(nèi)承壓含水層水位，防止基坑開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生突涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生，保證施工順利進(jìn)行，但是基坑降水引起的周圍水位下降能夠造成土體自重應(yīng)力的增加，引起地面沉降和不均勻沉降，威脅周圍建構(gòu)筑的安全使用，在以往的工程案例中有很多由于基坑降水設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致基坑失穩(wěn)的事故，特別是在城市建筑密集區(qū)域，周圍環(huán)境對(duì)土體沉降的要求較高，對(duì)基坑降水提出了更高的要求。因此基于水位地質(zhì)條件合理選用承壓水降水方案，準(zhǔn)確判斷基坑承壓水降水滲流引起的周圍水位下降，進(jìn)而分析周邊地面沉降特性對(duì)工程和周邊地區(qū)的施工安全有重要意義。文章以軟土地區(qū)某地鐵基坑工程承壓水降水設(shè)計(jì)為背景，在對(duì)工程水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，闡述了不同承壓水降水方案的影響，探討分析了基坑承壓水降水方案及引起的周邊地表沉降特性，從而為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

某地鐵車站基坑開(kāi)挖工程位于軟土地區(qū)，該地區(qū)地貌為海積平原，地形平緩開(kāi)闊，上部主要地層為淤泥質(zhì)土和黏土，含水層為青灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，局部間夾薄層粉土、粉砂，顆粒細(xì)，透水性相對(duì)差，下部包括圓礫、含黏土圓礫層等，地下水埋深1.0~2.10 m；基坑位于城市交通主要干道、房屋建筑及居民住宅區(qū)等，工程周圍情況復(fù)雜，對(duì)沉降變形要求較高，基坑開(kāi)挖深度約為20 m，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)型式，明挖法施工。

承壓水主要賦存于圓礫、含黏性土圓礫層中，含黏性土圓礫分布不穩(wěn)定且厚度不均，總體厚度較薄，黏粒含量較大，富水性和滲透性一般。根據(jù)測(cè)量承壓水含水層埋深一般30~45 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圓礫層的抽水試驗(yàn)所測(cè)，承壓水頭埋深為地表以下3.5 m。承壓含水層主要接受上部含水層的越流或側(cè)向補(bǔ)給，通過(guò)人工抽汲或越流等方式排泄，地下水位動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化較小。由于該基坑開(kāi)挖深度較深面臨承壓水突涌危險(xiǎn)，降水井設(shè)計(jì)須進(jìn)行基坑抗突涌分析，在各開(kāi)挖分區(qū)內(nèi)針對(duì)性布置坑內(nèi)減壓井，對(duì)相應(yīng)承壓含水層進(jìn)行減壓降水。本工程基坑周邊環(huán)境較復(fù)雜，本基坑工程面臨地下潛水和承壓水的地下水處理問(wèn)題，特別是承壓水的存在會(huì)造成基坑突涌危險(xiǎn)，基坑需要長(zhǎng)時(shí)間、大幅度、大范圍的抽水，基坑降水對(duì)周邊敏感環(huán)境有一定的不利影響。地下工程施工延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，基坑排水周期較長(zhǎng)，排水量大，排水設(shè)施要求較高，需要制定與本工程實(shí)際相符的降水措施。

3 抗突涌穩(wěn)定性分析

為了防止基坑底板突涌的發(fā)生，基坑開(kāi)挖應(yīng)該滿足的穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板之間土的自重壓力應(yīng)大于承壓水含水層頂板處的承壓水頂托力，工程中承壓水抗突涌穩(wěn)定性分析的公式為：

式中：Ps——承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力（kPa），Pw——降水前初始狀態(tài)下承壓水的頂托力（kPa），hi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度（m），γsi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度（kN/m3），H——高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度（m），γw——水的重度，取10.00（kN/m3），F(xiàn)s——安全系數(shù)，一般取1.05~1.20。

上覆土層加權(quán)平均重度γs取18.00 kN/m3，計(jì)算得到的不同基坑開(kāi)挖深度條件下對(duì)應(yīng)的基坑抗突涌安全系數(shù)見(jiàn)表1所示。根據(jù)目前實(shí)測(cè)水頭計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)于“④3承壓含水層”，車站主體區(qū)域均需要進(jìn)行減壓降水，降深幅度為12.10~15.00 m；對(duì)于“⑤3承壓含水層”，車站主體區(qū)域亦需進(jìn)行減壓降水，降深幅度為3.58~6.28 m。因此需在各開(kāi)挖分區(qū)內(nèi)針對(duì)性布置坑內(nèi)減壓井，對(duì)相應(yīng)承壓含水層進(jìn)行減壓降水。

表1 基坑開(kāi)挖深度與對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)

4 承壓水降水方案

本工程基坑開(kāi)挖過(guò)程需要采取降水措施，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本基坑工程的降水設(shè)計(jì)采用減壓深井等分層進(jìn)行針對(duì)性降水。減壓井能夠降低承壓含水層的承壓水水頭，將其控制在安全埋深以內(nèi)，以防止基坑底部發(fā)生突涌，確保施工時(shí)基坑底板的穩(wěn)定性，但減壓井的布置應(yīng)盡量減少由于減壓降水引起的坑外地層沉降，特別是降水對(duì)周邊建構(gòu)筑物和各類設(shè)施的不利影響，避免產(chǎn)生較大差異沉降，同時(shí)控制降水對(duì)坑內(nèi)坑底土體變形的影響，減少在坑內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

本工程可采用的降水方案包括：（1）基坑坑外減壓降水。這種情況下井過(guò)濾器應(yīng)超過(guò)隔水帷幕的深度，當(dāng)止水帷幕深度未進(jìn)入承壓水層或者進(jìn)入深度不長(zhǎng)時(shí)，坑外的降水井能夠減小流向坑內(nèi)的水頭壓力，通過(guò)坑外多點(diǎn)的承壓降水能夠降低基坑范圍內(nèi)的承壓水頭，當(dāng)井在坑內(nèi)影響施工或坑內(nèi)無(wú)法支護(hù)固定井管，周圍的環(huán)境要求并不十分嚴(yán)格，可考慮坑外降水。（2）基坑坑內(nèi)減壓降水。當(dāng)基坑隔水帷幕進(jìn)入承壓水層較深時(shí)可以采用坑內(nèi)降水，這種情況下井過(guò)濾器不應(yīng)超過(guò)隔水帷幕的深度，此時(shí)坑外水通過(guò)帷幕底部繞后進(jìn)入基坑內(nèi)部，能有效地降低承壓水頭，同時(shí)抽水量也相對(duì)小，坑外水頭和水位下降也相對(duì)小，因此引起的周圍地層沉降影響要小。綜上所述，本工程采用坑內(nèi)減壓降水的方式，盡可能減少對(duì)坑外環(huán)境的影響?！阿?層含黏性土圓礫”承壓水位降深較大，厚度分布不均且略有起伏，由于地連墻已將“④3層”隔斷，但由于地連墻止水效果未知，“④3層”仍有一定的突涌風(fēng)險(xiǎn)，因此在坑內(nèi)根據(jù)地層分布均勻布置備用減壓井，坑內(nèi)單獨(dú)布置“④3層”水位觀測(cè)井；“⑤3層圓礫”水位降深為3.58~6.28 m，在小里程端及標(biāo)準(zhǔn)段區(qū)域坑內(nèi)布置減壓井懸掛降水，另外單獨(dú)布置“⑤3層”水位觀測(cè)井兼?zhèn)溆镁?；由于大里程端頭井位置已施工坑底加固封底措施，但加固體質(zhì)量自身也無(wú)法絕對(duì)保證，仍存在一定的突涌風(fēng)險(xiǎn)，因此在大里程端頭井區(qū)域布置備用減壓井一般情況僅作為觀測(cè)井，在應(yīng)急時(shí)開(kāi)啟，盡量減少對(duì)坑外環(huán)境的不利影響。根據(jù)前述基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算結(jié)果，應(yīng)對(duì)第④3層和⑤3層承壓含水層采取減壓降水的有效措施，第④3層備用減壓井井深為27~34 m；第⑤3層減壓井井深設(shè)置為44~47 m，減壓井深度根據(jù)地層起伏布置；減壓降水深井孔徑650 mm，井管及過(guò)濾器外徑273 mm。

5 降水沉降數(shù)值分析

根據(jù)工程的水文地質(zhì)條件，通過(guò)有限元軟件Midas開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，考慮地下水三維滲流模型，研究承壓水降水特性及其引起的周圍地面沉降。模型以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外。模型地層條件、開(kāi)挖條件和降水工況按照實(shí)際情況下進(jìn)行模擬，并且根據(jù)本工程的勘察資料對(duì)模型進(jìn)行賦值。對(duì)應(yīng)本模型的基坑降水模擬，模型邊界在降水井影響邊界以外，故可將模型邊界定義為常水頭邊界，水位不變，模型四周限制水平方向位移，底部限制垂直方向的位移。此外模擬僅考慮承壓水降水分布情況，為了分析方便，未考慮基坑周圍建構(gòu)筑物情況。

根據(jù)目前開(kāi)挖工況，針對(duì)本項(xiàng)目的承壓含水層減壓降水方案，對(duì)基坑降水進(jìn)行三維模型模擬，經(jīng)計(jì)算，坑內(nèi)需對(duì)含黏性土圓礫層需布置6口備用減壓井，圓礫土層需布置5口減壓井。在滿足最大設(shè)計(jì)降深要求時(shí)，假設(shè)第④3層和第⑤3層的減壓降水運(yùn)行時(shí)間為90天，降水運(yùn)行后基坑預(yù)測(cè)第3層水位降深等值線圖如圖1所示。從圖中可以看出，降水條件下水頭由坑內(nèi)向外逐漸變化，坑內(nèi)水位降深較大，坑外水位降深隨矩基坑距離的增加而逐漸降低?？油饨邓杂休^大的降深影響范圍，在影響范圍內(nèi)都可能造成周圍地面的沉降，從而對(duì)周圍建構(gòu)筑的正常使用帶來(lái)安全隱患，因此控制坑外水位的降水對(duì)控制周圍地表沉降有重要意義。對(duì)本工程而言，合理的選擇止水帷幕插入深度，能夠降低坑外水位的降深。

圖1 基坑降水后第3層水位降深等值線圖

考慮到坑外水位的降低會(huì)引起地表及周圍建構(gòu)筑的沉降，進(jìn)一步分析了不同止水帷幕深度條件下引起的基坑周圍地表沉降，降水運(yùn)行完成后，分析得到降水引起的坑外環(huán)境地面累積沉降如圖2所示，與坑外水位降深一致，隨著離基坑距離的增加，土體沉降逐漸減小，止水帷幕越深，降水引起的地表沉降越小，說(shuō)明對(duì)承壓水降水而言，增加止水帷幕深度可以有效地減小坑外水頭降深，從而降低地表沉降，保障周圍建構(gòu)筑的安全。

圖2 不同止水帷幕深度條件下基坑周邊沉降

而另一方面進(jìn)一步增加止水帷幕也受到成本和效能的限制，當(dāng)止水帷幕滿足了基坑降水和穩(wěn)定性要求時(shí)，坑外的地表沉降可以通過(guò)布置回灌井進(jìn)行控制，對(duì)于本工程而言周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)沉降要求較高，由于“⑤3層”未被地連墻隔斷，承壓水降水將對(duì)坑外造成不利影響，可以在基坑外布置回灌兼井，必要時(shí)可通過(guò)回灌井提升地下水水位，減緩地面沉降變形。

6 結(jié)論

文章以軟土地區(qū)某地鐵基坑降水工程為背景，探討分析了基坑承壓水降水方案及引起的周邊地表沉降特性。通過(guò)對(duì)工程水文地質(zhì)條件的分析，并結(jié)合有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了合理的坑內(nèi)承壓水降水方案，分析了承壓水降水引起的坑內(nèi)外水頭分布情況，探討了降水引起的基坑周邊沉降特性，并研究了不同止水帷幕條件對(duì)沉降的影響。通過(guò)分析表明，合理的設(shè)計(jì)承壓水降水方案，采用合理的止水帷幕措施對(duì)控制基坑周邊沉降，保障基坑周邊建構(gòu)筑物安全都有重要意義。