深基坑內降水及坑外回灌對鄰近樁基建筑的影響分析

楊世華

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

城市用地日益緊張，為了開發地下空間，深基坑大量出現，由此帶來的巖土工程問題與環境問題日益增多，其中以地下水的影響尤為突出[1]。稍有不慎，即造成涌水、流砂、基坑失穩，危及工程本身的建設與周邊環境。目前，地下水控制措施，一般采用止水和降水兩種方法[1]。大量工程實踐和研究證明，當采用降水措施時，基坑周邊的土體及建(構)筑物會發生變形，甚至遭受破壞。為了消除或降低降水對周圍環境的影響，通過地下水位回灌技術是一種較為經濟、簡便的控制措施[2-10]。

本文以某一減壓降水深基坑工程為例，通過實測數據分析深基坑減壓降水對鄰近樁基建筑沉降的影響，探討承壓水含水層回灌對控制影響的作用效果。

1 工程概況

某地鐵車站基坑工程位于福州市倉山區螺洲鎮環島路北側，基坑東西長約470.50m，南北寬約19.5m，開挖深度約17.50m，基坑支護采用地下連續墻+3道內支撐體系，其中，第一道為鋼筋砼支撐，第二道、第三道微鋼管支撐，地下連續墻寬度0.8m，深度約41m～45m。地下水控制措施，由于東半部含水層厚度較大，地下連續墻未穿過含水層，采用懸掛式止水。基坑東半部北側為已建3年的別墅小區，別墅地上3～4層、地下1層，框架結構，預應力管樁基礎，樁長約30 m，別墅地下室外墻距地鐵車站基坑地連墻距離約35m。

1.1 工程地質情況

場地屬于沖海積-海陸交互相平原地貌單元，地面高程5.0m～8.0m，場地土層自上而下為：<1-2>雜填土，厚約3.13m；<2-1>黏土，厚1.7m；<2-4-2>淤泥夾砂，厚3.86m；<2-4-4>淤泥夾砂，厚2.87m；<2-5>(含泥)中細砂，厚0.90m～13.90m；<3-1-1>粉質黏土，厚1.20m～7.20m；<3-2-1>中細砂，厚0.8m～6m；<3-7>(含砂)圓礫，厚0.90m～11.70m；<3-8>(含砂)卵石，厚1.60m～8.50m；<4-1-1>粉質黏土，厚0.45m～9.61m；<4-2>中細砂，厚1.0m～10.4m；<4-3-1>(泥質)圓礫，厚1.6m～5.8m；<4-3-2>(含泥)卵石，厚1.2m～9.8m；<6-2>全風化凝灰巖，厚1.0m～5.76m；<7-4>碎塊狀強風化凝灰巖，厚0.70m～6.15m；<8-2>中風化凝灰巖。地層分布如圖1所示。

別墅管樁持力層為<3-7>(含砂)圓礫或<3-8>(含砂)卵石層。

圖1 場地典型地質剖面圖

1.2 水文地質情況

地鐵車站基坑工程場地揭示的地下水，按埋藏條件包含上層滯水和承壓水兩種類型，其中承壓水按賦存介質又可分為孔隙承壓水、孔隙裂隙承壓水和構造裂隙承壓水。

對基坑影響較大的含水層主要為：人工填土中的上層滯水，其透水性中等，水量一般，主要接受大氣降水及地表水補給；上部孔隙承壓水含水層主要包括：<2-4-4>淤泥夾砂、<2-5>(含泥)中細砂，水位埋深約4m；下部孔隙承壓水含水層主要包括： <3-2-1>中細砂、<3-7>(含砂)圓礫、<3-8>(含砂)卵石、4-2>中細砂、<4-3-1>(泥質)圓礫、<4-3-2>(含泥)卵石，水位埋深約5m。主要為中等～強透水層，地下水量豐富，上部和下部含水層之間隔水層局部缺失。故，上下承壓含水層水力聯系緊密，主要接受地表水和相鄰含水層補給，穩定地下水位羅零標高1.89m～2.95m(本文水位標高均指羅零高程)，變幅2.0m～3.0m。

上層滯水水量較小，可采用集水明排，孔隙承壓水水量大，對基坑影響很大，基坑開挖揭露上部孔隙含水層，應進行管井疏干降水；下部含水層產生坑底突涌，應進行管井抽水降壓。

1.3 鄰近樁基建筑變形特征

地鐵基坑自東往西分段施工，基坑開挖時，坑內采取疏干排水措施，以保證較為干燥的作業環境；當東半部分基坑開挖深度約10m時，對下部承壓水進行坑內降壓抽水，下部承壓水水頭降至12.5m深度，此時坑外地下水位出現明顯下降，降深達5m～10m，北側別墅小區鄰近地鐵基坑側約50m范圍內，自西向東共5幢建筑地下室及墻面出現裂縫，大于50m范圍建筑結構未見明顯裂縫，典型裂縫如圖2所示。隨著地鐵基坑開挖深度加大和地下水位的繼續下降，裂縫出現不斷增大現象。

圖2 建筑墻面典型裂縫

1.4 建筑沉降原因分析

基坑開挖過程，對建筑結構沉降進行觀測，對建筑裂縫情況進行調查、觀測。根據地鐵基坑監測，別墅建筑出現不均勻沉降，距基坑支護越近，沉降越嚴重，出現不均勻沉降，建筑墻面開裂；而地下連續墻位移很小，小于20mm。

考慮到別墅小區基礎采用管樁，持力層為(含砂)圓礫或(含砂)卵石層，且基礎距地鐵基坑地連墻2倍基坑開挖深度以上，顯然不是地下連續墻變形引起別墅不均勻沉降，而是由于基坑支護對下部強透水孔隙承壓含水采用懸掛式止水。因此當深基坑坑內減壓降水時，引起坑外孔隙承壓水水頭地下水位下降，地下水對土層的浮力減少，土層有效應力增大，周圍土體產生固結，土體(包括樁基持力層)出現壓縮變形，地面出現沉降，鄰近建筑樁基出現負摩阻力(主要由軟土、填土固結變形引起)，增大工程樁荷載，引起工程樁沉降，導致建筑沉降，水頭位置越低，土骨架有效應力越大，樁基負摩阻力越大，樁端持力層壓縮變形越大，建筑沉降越嚴重。沿垂直基坑支護方向，降低后的水頭位置曲線呈漏斗型，水位降深不均勻，建筑樁基出現不均勻沉降，進而導致建筑墻面出現斜裂縫，裂縫與沉降累計變化曲線呈“喇叭口”型。

為了控制建筑變形，應恢復坑外地下水位，采取坑外回灌措施才能實現。因此，在地鐵基坑支護和別墅小區地下室之間增設A、B型兩種孔隙承壓水水位回灌井進行水的回灌，其中A型回灌井進入<4-2>中細砂或<4-3-1>(泥質)圓礫層不少于5m，B型回灌井進入<3-2-1>中細砂層不少于5m，回灌井水頭標高均控制在11.0m～13.0m；回灌期間，同時對孔隙承壓含水層進行水位觀測。觀測點平面位置示意圖如圖3所示。根據觀測結果，選擇具有代表性區域(A-A’剖面及B-39#樓區域)觀測點數據進行分析探討。

圖3 觀測點平面位置示意圖

2 數據分析探討

2.1 回灌后地下水位變化規律

在地鐵基坑支護結構和別墅小區地下室外墻之間，沿別墅小區地下室外墻附近自東往西增設一排回灌井(距地鐵基坑地連墻約27.0m，距別墅小區地下室外墻約7.0m)，共27口，其中，A型回灌井8口，B型回灌井19口，回灌井間距約8.0m。當回灌井全部施工完成開始回灌時，地鐵基坑減壓降水井分批逐步停泵。自27口回灌井開始回灌至回灌結束，每天地下水回灌量與時間關系曲線如圖4所示。B-39#樓附近的A型水位觀測點SW1-2#和B型水位觀測點SW5#的水位高程與時間關系曲線如圖5所示。

分析圖4和圖5可知： ① 每天地下水回灌量基本上分為3個階段：第一階段，回灌量呈減少趨勢，并趨于穩定；第二階段：回灌量迅速減少并趨于穩定；第三階段：回灌量繼續迅速減少并趨于穩定;② 回灌過程中，隨每天地下水回灌量的變化，水位觀測點SW5# 和SW1-2#的水頭位置變化規律基本相似，基本可分為：上升、穩定→下降、穩定→進一步下降、穩定3個階段； ③ 回灌穩定后，水位觀測點SW5#均比SW1-2#的水頭位置高。

圖4 每天地下水回灌量-時間曲線

圖5 水位高程-時間曲線

2.2 建筑結構沉降變化規律

地下水回灌之前，在別墅小區地下室承重柱位置布設建筑結構沉降觀測點，主要觀測點共7排77點，排間距約6.0m～35.0m，距地鐵基坑地連墻約34.0m～151.0m，每排觀測點間距約7.0m～12.0m。在前期降水導致建筑沉降的基礎上(最大沉降量約80mm)，自開始觀測至觀測結束，A-A’剖面上建筑結構沉降觀測點14#、37#、56#、69#、75#、79#、81#，其沉降累計變化量與時間關系曲線如圖6所示，沉降速率與時間關系曲線如圖7所示。

分析圖6和圖7可知： ① 距地鐵基坑地連墻≥69m時，建筑結構承重柱幾乎不發生沉降；當距地鐵基坑地連墻<69m時，距地連墻越近，沉降越嚴重，回灌結束后各觀測點沉降均趨于穩定； ② 整個觀測過程中，沉降速率呈減少趨勢，最終幾乎為零，其中回灌前，剛開始沉降速率減少較快，然后緩慢減少；回灌后第一階段、第二階段、第三階段沉降速率變化規律基本一致，剛開始因承壓水頭位置降低，沉降速率增大，后隨承壓水頭位置基本穩定，沉降速率逐漸減少。

圖6 沉降累計變化量-時間曲線

圖7 沉降速率-時間曲線

2.3 建筑裂縫變化情況

建筑結構沉降觀測開始時，對距地鐵基坑地連墻70m范圍內的別墅建筑裂縫情況進行編號、標記、拍照和記錄，期間定期進行觀測，待沉降觀測結束時，進行最后一次拍照和記錄。經調查分析發現，別墅小區37#樓距地連墻>50m的建筑結構自始至終均無明顯裂縫；距地連墻50m范圍內，初次調查時，南北向墻面(垂直地鐵基坑)存在典型斜裂縫，裂縫寬度約0.1mm～2.0mm，觀測結束調查時，斜裂縫標志點開裂，張開約0.1mm～0.3mm；但總體上裂縫變化較小。

對孔隙承壓含水層進行回灌作用后，孔隙承壓水水頭升高，樁基負摩阻力減少，壓縮變形減少，并最終收斂穩定，建筑沉降和裂縫變化得到有效控制。

3 結論

(1)孔隙承壓含水層水位降低，會導致樁基建筑產生沉降，特別是在大面積軟土、填土地區，水位降低越嚴重，沉降越大。

(2)含水層承壓水水位離降水點越近，地下水位降深越大，即沿垂直基坑支護方向，樁基建筑出現不均勻沉降；距基坑支護越近，沉降越嚴重，建筑墻面開裂，裂縫與建筑沉降累計變化曲線呈“喇叭口”型。

(3)地下水回灌后，孔隙承壓水水頭升高，地下水位恢復或基本恢復原地下水位，建筑沉降和裂縫變化就會得到有效控制。

(4)強透水含水層中的孔隙承壓水水位降低，對周邊的影響范圍較大。當深基坑采取減壓降水措施時，應監測坑外水位變化，一旦出現降低，應采取回灌措施，控制坑外地下水位下降，確保周邊建筑安全。