城市建設基坑降水引發地面沉降的影響研究

時紹瑋，朱慶川，徐　冬

城市建設基坑降水引發地面沉降的影響研究

時紹瑋，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，往往能達到墻后5～10倍基坑開挖深度的距離，而實際基坑工程坑外沉降的測點往往布置在墻后1～4倍基坑開挖深度的距離，因此難以全面獲得不同類型基坑降水對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，研究不同開挖深度（5～25 m）的基坑降水對地面沉降的影響范圍，并探討不同止水帷幕截斷方式工況下坑內降水后坑外水位及地面沉降隨時間發展關系。

基坑；沉降；范圍；發展；關系

隨著城市發展速度與建設規模的不斷加大，特別是市政工程和高層建筑的大量興建，導致城市地下空間被廣泛利用，隨之產生深基坑工程數量驟增，建筑基坑規模和深度也隨之加大，基坑降水量不斷攀升。研究成果表明，天津市建筑密集區基坑降水引發地面沉降的貢獻率已經占到地面沉降總量的16％左右，但是由于基坑降水引發地面沉降在天津發生的歷史較短，導致對基坑降水過程中進行回灌所采用的方式方法及相關技術要求的研究起步較晚，學者對其發生、發展及影響范圍的規律研究不深，管理上缺乏有力的科研依據。因此，筆者以典型基坑工程為案例，探討不同深度及不同截斷方式的基坑降水對地面沉降的影響范圍及發展關系，為進一步制定行之有效的管理措施提供科學依據。

1　有限差分模型建立及驗證

首先依托天津文化中心站抽水試驗對數值模型進行校核。試驗流程，見表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井；DCCJ01—DCCJ10為地面沉降監測點，為了保護測點，將其布置在地表下2 m；分層沉降監測點和分層孔壓監測點分別布置4組，每組包括3個位置接近的測孔，如FCCJ1-1—FCCJ1-3、KXS1-1—KXS1-3，其埋置深度分別為4、8、12 m。

表1　抽水試驗流程

根據土層分布，建立了三維地下水滲流數值模型，模型參數見表2。分別對W2井、W3井抽水試驗進行數值模擬，并分別將計算的觀測井P2-1—P2-3 及P3-2—P3-3的水位降深與現場抽水試驗的觀測井降深作對比，如圖1—2所示。

表2　模型土層分布及滲透系數

圖1　W2抽水試驗過程中觀測井P2-1—P2-3的水位降深計算值與實測值對比

圖2　W3抽水試驗過程中觀測井P3-2—P3-3的水位降深計算值與實測值對比

由圖1—2可以看出，建立的三維地下水滲流數值模型可以反映實際場地土層特性，因而用該模型來研究基坑降水引發沉降的范圍。

2　沉降影響范圍

2.1基坑深度5及10 m

基于驗證過的數值模型，通過對不同開挖深度（5、10 m）的基坑分別進行模擬，通過對截斷第一承壓含水層的程度來控制沉降的影響范圍，從而對地下支護結構設計方案進行優化。截斷方式有3種，即工況1：未對第一承壓含水層進行處理；工況2：截斷第一承壓含水層總厚度的1/2；工況3：對第一承壓含水層全部截斷。

經計算，結果如下：

（1）開挖深度5 m的基坑。用驗證后的模型，降深滿足深度為5 m的基坑，對3種截斷方案均進行了模擬。由于開挖深度較淺，經過抗凸涌計算，基坑施工過程中并不需要對第一承壓含水層進行減壓處理。但發現第一承壓含水層是否截斷對基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過0.5 mm。沉降等值線，如圖3所示。

圖3　開挖深度5 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

（2）開挖深度10 m的基坑。同上，由于開挖深度較淺，所以在基坑施工過程中并不需要對第一承壓含水層進行減壓處理。但發現第一承壓含水層是否截斷對基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過0.5 mm。沉降等值線，如圖4所示。

圖4　開挖深度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

基于驗證過的數值模型，通過對不同開挖深度（15、20、25 m）的基坑分別進行模擬，通過對截斷第二承壓含水層的程度來控制沉降的影響范圍，從而對地下支護結構設計方案進行優化。截斷方式有5種，即工況1：未對第二承壓含水層進行處理；工況2：截斷第二承壓含水層總厚度的1/4；工況3：截斷第二承壓含水層總厚度的1/2；工況4：截斷第二承壓含水層總厚度的3/4；工況5：對第二承壓含水層全部截斷。

（1）開挖深度15 m的基坑。用驗證后的模型，降深滿足深度為15 m的基坑，對5種截斷方案均進行了模擬。由于開挖深度較淺，所以在基坑施工過程中并不需要對第二承壓含水層進行減壓處理。但發現第二承壓含水層是否截斷對基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未超過3 mm。沉降等值線，如圖5所示。

圖5　開挖深度15 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

（2）開挖深度20 m的基坑，4個工況下，基坑外沉降等值線如圖6—9所示。

圖6　開挖深度20 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

圖7　開挖深度20 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降

圖8　開挖深度20 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降

圖9　開挖深度20 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降

（3）開挖深度25 m的基坑。當未對第二承壓含水層進行處理時，基坑外沉降嚴重，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　開挖深度25 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降

圖11　開挖深度25 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降

圖12　開挖深度25 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降

圖13　開挖深度25 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降

圖14　開挖深度25 m的基坑工況5降水完成后180 d沉降

基于地下連續墻對第二承壓含水層的的截斷方式的不同，來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，如圖15所示。統計計算結果，見表3—6。

圖15　基坑周圍地表沉降等值線與基坑距離示意

表3　地連墻中點與10 mm等值線距離m

表4　地連墻中點與20 mm等值線距離m

表5　地連墻中點與30 mm等值線距離m

表6　地連墻中點與40 mm等值線距離m

經過上文計算，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，從而根據不同需要進行止水帷幕優化設計。此外，對于基坑開挖深度為5、10 m的基坑，由于基坑開挖深度相對較小且坑底距離天津市區穩定第一承壓含水層層頂距離較大（一般約10 m），故一般不需對第一承壓含水層進行降壓處理，基坑降水引起的坑外地面沉降范圍很小（在止水帷幕不發生滲漏的條件下）。

3　地面沉降發展過程

基于上文數值模型，以25 m深基坑為例，探討5種不同止水帷幕截斷方式工況下坑內降水后坑外水位及地面沉降隨時間發展關系，選取坑外距離地連墻中點約10 m位置進行分析。圖16為地面沉降時程曲線，圖17為坑外承壓層水位變化時程曲線，圖18為坑外承壓層上覆弱透水層水位變化時程曲線。

由圖16可以看出，地面沉降在降水開始后10～20d發展較快，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，地面沉降在所計算的180 d后仍未穩定，尤其是止水帷幕沒有截斷承壓層的各工況。

圖16　深25 m基坑不同工況下沉降隨時間變化曲線

圖17　深25 m基坑不同工況下承壓水位隨時間變化曲線

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間變化曲線

4　結論

（1）對于開挖深度為5、10 m的基坑，由于基坑開挖深度相對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），一般不需對第一承壓含水層進行降壓處理，基坑降水引起的坑外地面沉降范圍很小（在止水帷幕不發生滲漏的條件下）。

（2）深15 m基坑由于不需要對第二承壓含水層進行減壓，所以基坑降水并不會引發該含水層水位明顯下降，第二承壓含水層是否截斷對坑外地表沉降影響較小。

（3）深20 m基坑需要對第二承壓含水層進行減壓，加深止水帷幕深度會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。

對于10 mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～42 m；對于20 mm的沉降影響范圍，根據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斷第二承壓含水層，深20 m基坑滿足降壓要求后，基本不會出現坑外30 mm的沉降。具體情況，見表3—6。

此外，當止水帷幕截斷50％以上時，10 mm沉降影響范圍有明顯“收縮”，當止水帷幕截斷75％以上可將10 mm沉降控制在距離基坑10 m以內。具體情況，見表3—6。

（4）深25 m基坑開挖較深，如地下連續墻未截斷第二承壓含水層，為防止坑底凸涌，需對該含水層進行減壓處理，由于降深較大，坑外地表會出現較大沉降（約40 mm）。

對于10 mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～140 m；對于20 mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～88 m；對于30 mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～46 m；對于40 mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～10 m。具體情況，見表3—6。

此外，對于10 mm的沉降影響范圍，增加止水帷幕深度對其影響不大，如果周圍建筑對沉降敏感，沉降需要控制在10 mm以內時，建議將第二承壓含水層截斷；對于20 mm的沉降影響范圍，止水帷幕截斷50％以上時，其沉降影響范圍有明顯“收縮”；對于30 mm的沉降影響范圍，止水帷幕截斷25％以上時，其沉降影響范圍有明顯“收縮”。具體情況，見表3—6。

（5）基坑降水后，地面沉降在降水開始后10～20 d發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，地面沉降在較長時間內仍不能穩定，尤其是止水帷幕沒有截斷承壓層的工況。

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1004-7328（2016）04-0045-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.015

2016—03—15

時紹瑋（1983—），女，工程師，主要從事地面沉降控制與管理工作。