武漢某地鐵基坑降水引發的地面沉降數值模擬分析

熊志濤，葉騰升，文美霞，王 偉

(湖北省地質環境總站，湖北武漢 430034)

在地鐵工程(特別是車站基坑)施工過程中，由于地下水位標高通常大于基坑底面設計標高，為了施工安全，需要進行基坑降水。而基坑防水施工過程，需長時間保持低水位，往往使地鐵車站及周邊一定范圍內形成一個“降落漏斗區”，導致土體中含水量降低，特別是承壓含水層水位的大幅降低，造成地面沉降、塌陷和開裂等災害，同時可能造成周邊地下水流失，加劇城市地下水資源的局部短缺［1］。

本文選取武漢某正在施工建設的地鐵基坑工程為研究對象，首先建立施工區含水層三維水流數學模型，采用有限差分法，分析不同施工方式下地鐵基坑降水對地面沉降的影響，進而提出合理的防治措施。

1 研究區概況

施工區位于長江西岸、漢江北岸，屬河流沖積平原地貌，地形平坦。該區覆蓋層地層巖性為第四系全新統沖積層粘土、粉細砂、砂礫石層。地下水為第四系孔隙承壓水，主要賦存于粉細砂及砂礫石層，土體透水性強，地下水豐富，是區內主要含水層。

根據施工區地層分布規律、巖土體物理力學性質、地下水開采現狀等，結合地下水動態特征、補徑排條件分析，地下水流問題可以概化為非均質三維地下水滲流模型。

2 基坑降水引發地面沉降分析

抽取地下水引起的土層壓縮變形反映在土層孔隙的變化，因而根據土力學原理，由土層孔隙的變化，可以求得土層的壓縮變形量［2-4］。

式中:av為壓縮系數;γw為水體重力密度;H為水頭;S0為土體初始高度為;e0為孔隙比。

可見，當水位降深相等時，即dH不變，土層的壓縮變形量與原始厚度、初始孔隙比和土層壓縮系數有關。依定義土體的側限壓縮模量，所以土層的壓縮變形量，與水位降深、壓縮模量和土層的初始厚度有關［5］。

若共有N層土層，則總的沉降量為:

基坑主要采用明挖法圍護施工，側向隔水帷幕采用地下連續墻，坑底采用封底隔水帷幕。該施工工程具有基坑開挖規模大、地層結構復雜、周邊建筑物密集且重要、施工難度大等特點。基坑降水引發的地面沉降，主要原因可歸結于人工抽水引起周邊土體的孔隙度降低。關于基坑降水引發的地面沉降量計算，首先采用GMS數值模擬方法，模擬計算出某一時刻的基坑降水水位降深，分析基坑區地層巖性及工程地質條件，對于不同土層分別賦予壓縮模量Esi及初始厚度S0i值。最后，分別計算每層土體沉降量，疊加結果即為土層總沉降量［6］。求解過程如下:

(1)建立研究區地下水數值模型，模擬預測基坑降水條件下地下水水位降深值。

(2)分析基坑施工區背景地質條件，對巖土層進行概化。

(3)對不同巖土層分別給定相應的壓縮模量Esi及初始厚度S0i。

(4)分別計算每層土層沉降量，最后計算出綜合沉降量。

該區地層可概括為3層，參數選取如下:

第一層(粘性土層):Es1=12．55 MPa，S01=10 ～15 m。

第二層(粉細砂層):Es2=32．51 MPa，S02=10．5 ～15．5 m。

第三層(砂礫石層):Es3=50．21 MPa，S03=9．5 ～12．7 m。

根據設計資料，本次施工開挖基坑長約300 m，寬約47 m，深約28．32m。基坑四周布置輻射井，基坑水位最大降深為25．5m。根據國內外地鐵施工工期先例［7］，地鐵施工工期一般在三年，分析在不同基坑施工方式下，基坑周邊三年后地面沉降量，將計算沉降量與監測沉降量相對比，為工程施工提供一定的借鑒。

圖1 基坑外降水施工區地層概化圖Fig．1 Formation generaliztion of precipitation of foundation pit exterior in construction area

2．1 基坑外輻射井降水

根據工程基坑降水要求，地下水位降深為25．5 m(圖2)，GMS數值模擬顯示，如果采取基坑外輻射井降水的方式，假設在基坑周邊布設四個井孔，獲取的地下水流場分布見圖2。根據圖2分析可知，輻射井單井涌水量達到3 200 m3/d，中心水位降深可達25．5 m，影響范圍約為2 500 m。根據地面沉降量計算公式及流場分布狀況，在與長江垂直方向上，向基坑兩側選取地面與基坑等距點，結合地層分布情況，計算得到地面沉降量(表1)。從地面沉降數據結果可知，如單純采取基坑外輻射井降水方式處理，在基坑施工過程中，將引發基坑周邊大范圍地下水疏干，從而誘發大規模地面沉降，對周邊建筑和道路造成嚴重影響，應在實際施工中予以避免［8］。

圖2 基坑外單井涌水量3 200 m3/d時地下水流場圖Fig．2 Flow field diagram of water infolw of 3 200 m3/d

表1 基坑外降水引起不同方向地面沉降量計算表Table 1 Calculation table of amount of land subsidence in different directions

2．2 基坑內輻射井降水

地鐵基坑施工過程中，一般采取地下連續墻、隔滲帷幕邊施工邊降水的方式，減小因工程降水對周邊地質環境的影響［9］。在此情況下基坑內布設四個井孔，上層施工過程中，粘土層為相對隔水層;向下施工過程中，應進行基坑降水，防止坑底涌水涌砂。本次基坑內降水主要對單井涌水量500 m3/d、1 000 m3/d兩種情況進行模擬預測，分析不同涌水量下對周邊地面沉降的影響。

當單井涌水量為500 m3/d時，降水影響范圍可達1 800 m，中心水位降深為3．31 m(圖3)，根據地面沉降量計算公式及地下水流場分布狀況(圖4)，計算得到的地面沉降量見表2。

圖3 基坑內降水(500 m3/d)施工區地層概化圖Fig．3 Formation generalization of precipitation of foundation pit in construction area(500 m3/d)

圖4 基坑內單井涌水量500 m3/d時地下水流場圖Fig．4 Flow field diagram of water inflow of 500 m3/d in foundation pit

當單井涌水量為1 000 m3/d時，降水影響范圍可達2 000 m，中心水位降深為6．1 m(圖5)，地下水流場分布情況見圖6，表3給出了相應的地面沉降量。

由表2和表3分析可知，當采用邊開挖邊降水方式，在做好基坑防水的情況下，減小輻射井的單井涌水量，同時做好基坑封底施工，可有效減小周邊地面沉降量，滿足基坑施工要求。

表2 基坑內降水(500 m3/d)引起不同方向地面沉降量計算表Table 2 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit

圖5 基坑內降水(1 000 m3/d)施工區地層概化圖Fig．5 Formation generalization of precipitation of foundation pit in coustruction area(1 000 m3/d)

圖6 基坑內單井涌水量1 000 m3/d時地下水流場圖Fig．6 Flow field diagram of water inflow of 1 000 m3/d in foundation pit

表3 基坑內降水(1 000 m3/d)引起不同方向地面沉降量計算表Table 3 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit(1 000 m3/d)

2．3 現場監測地面沉降量

本例中基坑施工具有工序復雜、施工難度大、工期長的特點，因此加強周邊建筑物的沉降值監測，對于及時反饋周邊建筑物變形信息，調整工程施工方式等具有至關重要的作用。本次監測主要在基坑周邊降水影響范圍內重要建筑物處布設監測點，監測時段僅限于基坑施工期間，目前正在監測過程中，主要監測點為5處，具體監測數據見表4。

表4 基坑周邊監測點地面沉降量監測數值Table 4 Monitoring value of amount of land subsidence of monitoring points around foundation pit

通過模擬計算值與監測點監測值相對比可知，目前實際沉降值與預測值有一定的差距，主要由于地鐵基坑施工工期較長，當前時間沉降量正處于沉降曲線的緩慢發展階段，沉降過程隨著時間延續可能會進一步發展，因此需進一步加強施工期及工程運營后的地面沉降監測［10］。

在采用較為合理的施工方式，對基坑降水引發的地面沉降進行控制的情況下，從目前的監測結果看，地面沉降值控制在了合理的范圍。如單純采用基坑外降水，引起的基坑周邊地面沉降量較大，對周邊建筑物造成危害極大，一般深基坑施工不宜采用。在基坑內降水過程中，除了做好基坑防水外，應采取邊開挖邊降水的方式，在側向隔水帷幕采用地下連續墻，坑底采用封底隔水帷幕等施工方式情況下，可有效減少基坑降水引起的地面沉降問題。

3 結語

通過地面沉降預測值與監測值的對比分析表明，基坑開挖引起的地面沉降模擬計算值均大于監測值，究其原因，主要是目前基坑工程正在施工，當前時間沉降量正處于沉降曲線的緩慢發展階段，且工程完工后地面沉降將持續較長時間，故監測值相對較小，后期應繼續加強監測。不同方位監測數據與模擬結果表明，兩者變形規律基本一致，可以反映和預測基坑施工引發地面沉降的長期趨勢。根據工程設計方案，工程施工引發周邊地面沉降的警戒值為24 mm，控制值為30 mm，從目前施工方案分析，在工程施工做好各項防護措施的情況下，可以保證周邊建筑物的穩定運行。

［1］ 黃家祥，張曉春．城市地鐵工程的地下水問題分析［J］．巖土工程界，2007(1):109-111．

［2］ 黃文熙．土的工程性質［M］．北京:水利電力出版社，1983．

［3］ 華東水利學院土力學教研室．土工原理與設計［M］．北京:水利電力出版社，1982．

［4］ 高過瑞．近代土質學［M］．南京:東南大學出版社，1990．

［5］ 駱祖江，劉金寶，李朗，等．深基坑降水與地面沉降變形二維全耦合模型及其數值模擬［J］．水動力學研究與進展(A輯)，2006，21(4):479-485．

［6］ 駱相江，劉金寶，李朗．第四紀松散沉積層地下水疏降與地面沉降二維全耦合數值模擬［J］．巖土工程學報，2008，30(2):193-198．

［7］ 付剛．北京地鐵降水方法研究與應用［D］．長春:吉林大學建筑工程學院，2005．

［8］ 楊建．工程降水引發的地面沉降研究［D］．北京:中國地質大學(北京)，2005．

［9］ 成璐．成都地鐵1、2號線工程主要水文地質問題分析［D］．成都:成都理工大學，2008．

［10］ 雷宏武．X城地面沉降特征與機理分析及數值模擬研究［D］．武漢:中國地質大學(武漢)，2010．