由承壓水降水引起地面沉降的預測與分析

孫錦劍

（上海勘察設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

上海寶山某片區是上海市未來重點開發的片區之一，未來幾年將在這里進行大范圍的工程建設以及地下開發。查明該區域承壓水水文地質情況對后期地下開發有著重要的指導作用。如何控制承壓水降水引起的地面沉降對于位移控制要求極高的地鐵、隧道等建（構）筑物顯得尤為重要。

本文將結合上海寶山地區鄰近地鐵的深基坑抽水試驗項目，預測減壓降水對基坑周邊地面沉降的影響，為基坑設計與施工提供降水建議。

1 基坑概況及周邊環境

本工程位于上海市寶山區某重點開發片區，該項目是該片區率先開發的商業項目之一。該項目擬建兩層地下室，基坑開挖深度10.95～11.75m，基坑周長約677m，開挖面積約19841m2。東側鄰近地鐵隧道，基坑邊線距離地鐵隧道約25.0m。出于對地鐵的保護，基坑共分5 個分區，地鐵側圍護結構采用地下連續墻，非地鐵側圍護結構采用鉆孔灌注樁，整體兩道鋼筋混凝土支撐。

2 工程地質條件及突涌性計算

2.1 工程地質條件。根據勘察報告，本項目場地為上海市常規地層，濱海平原地貌，場地110m 范圍之內主要為①～⑧層土。基坑開挖深度范圍內場地地層主要為①～④層，多為軟土。場地涉及的承壓水為第⑦層砂質粉土，該層土層厚8.0～10.0m，層頂最淺埋深20.0m。

2.2 基坑突涌性計算。第⑦層砂質粉土，層頂最淺埋深20.0m，承壓水水位按上海地區最不利情況3.0m 考慮，采用安全系數法對不同開挖深度的基坑進行安全突涌可能性計算[1]（計算結果見表1）。

表1 基坑突涌性計算

3 抽水試驗及水文地質參數求參

3.1 抽水試驗簡介。本工程采用群井抽水試驗進行水文地質參數求參[2]。抽水試驗目的層為第⑦層砂質粉土，共布置3 口抽水井，2 口觀測井；觀測井數量確保能夠反映承壓水頭降深和試驗區外水力坡降情況，試驗井布置圖如圖1 所示。

圖1 抽水試驗井平面布置示意圖

3.2 抽水試驗成果。群井抽水試驗共歷時14 天，其中7 天抽水、7 天水位恢復。各試驗井平均出水量分別為等參數見表2，持續抽水期間，各井出水量穩定。

表2 抽水井出水量及各試驗井抽水特征統計表

3.3 水文地質參數求參。根據群井抽水試驗結果對抽水井的實測資料進行整理，在三維計算模型中設置抽水試驗井，將抽水試驗井出水量代入三維數值模型中，進行群井抽水試驗的數值模擬計算。對比計算結果和實測的觀測井水位變化，不斷調整并優化相關水文地質參數，得到合理的承壓水分析參數[2]。

通過群井抽水試驗同層位的3 口觀測井的實測降深曲線與數值模擬取得的計算降深曲線進行對比分析，各觀測井水位對比見圖2 所示。

從群井抽水試驗的模擬分析結果可以看出，圖2 中各觀測井的數值模擬水頭降深和實測水頭降深規律基本一致，數值模擬結果反映了群井抽水試驗降水過程中的觀測井水位的變化，可以看到兩者的偏差很小，滿足工程精度要求。

通過以上三維數值計算反演分析，第⑦層水平滲透系數為1.1（m/d），垂直滲透系數為0.11（m/d），儲水率為7.0E-03。

4 減壓降水引起的地面沉降預測

圖2 觀測井實測降深曲線與模擬降深曲線對比圖

4.1 沉降計算理論[3]。根據飽和土有效應力原理，抽取地下水引起的土層壓縮變形反映在土層孔隙的變化，而由土層孔隙的變化，可以求得土層的壓縮變形量。

依土的壓縮系數定義

式中，負號代表隨著有效應力σ'的增量，孔隙比e 逐漸減少，下面推導孔隙比e 與土層變形的關系。

設土體初始高度為S0，變形后高度為S，土層壓縮變形ΔS=S0-S，上圖表示了土層高度、孔隙比、土粒體積和孔隙體積之間的關系，由于固體顆粒的體積Vs 變化很小，通常假定不變，故有：

式中：σ-土體垂向總應力；p-孔隙水壓力

假定σ 保持不變，則dσ'=-dp

而依水頭H 的定義

若共有N 層土層，則總的沉降量為：

式中：ξ——為經驗系數。

4.2 基坑減壓降水方案

由于第⑦層承壓水水位埋深較淺，基坑大面積存在突涌可能性，層厚較厚，是否隔斷承壓水對造價有較大的影響。故本文按是否將承壓水隔斷，設計兩種不同的降水方案，分別建立模型，分析隔斷承壓水的必要性。方案一按不隔斷承壓水考慮，此時止水帷幕長度為21m，方案二按隔斷承壓水考慮，此時止水帷幕長度為31m。針對兩種不同的方案分別進行地面沉降預測，承壓水初始水頭按群井抽水試驗實測值水位埋深3.50m 考慮。

4.3 地面沉降預測結果

根據上節的討論方案，分別對方案一和方案二進行三維有限元模擬，降水時間按60 天考慮，模擬結果如圖3 所示。

圖3 地面沉降預測等值線圖（單位mm）

由以上分析模擬結果可知，當承壓水含水層未被隔斷時，承壓水減壓降水引起周邊地面的沉降較大；當承壓水被隔斷時，壓水減壓降水引起周邊地面的沉降能顯著減小。

5 結論

上海寶山該片區水文地質條件復雜，對深基坑的設計與施工風險較大。本文介紹了通過抽水試驗獲取水文地質參數的方法；利用有限差分數值模擬進行由基坑減壓降水引起的地面沉降分析與預測，可以得到如下結論：

5.1 通過群井抽水試驗得到水文地質參數是合理的，能為該地區其他地塊提供參數參考。

5.2 采用有限差分數值模擬進行由基坑減壓降水引起的地面沉降預測的結果是可靠的，符合工程實際，能為深基坑的設計與施工以及風險管控提供借鑒作用。

5.3 對于沉降較為敏感或者沉降控制要求較高的建（構）筑物，由承壓水減壓降水引起的地面沉降不能忽視，需采取可靠的措施，進而減小基坑降水對周邊環境的影響。