軟土地區(qū)深基坑承壓水降水對地表沉降影響分析

林 宣 徐海濤 高 旭 仲洋洋 張金凱 董毓慶

(1.杭州地鐵集團有限責任公司 浙江杭州 10000；2.中鐵十九局集團有限公司 北京 100176；3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300；4.浙大城市學院土木工程系 浙江杭州 310015)

1 引 言

近年來，隨著城市地下空間快速發(fā)展，深大基坑不斷出現，工程中承壓水處理問題日益突出。當孔隙承壓含水層與開挖基坑坑底距離較小，承壓水水頭較高時，基坑開挖過程中存在承壓水突涌的風險。目前，對承壓水問題的處理通常有隔水、降壓及封底等技術手段。一般深大基坑施工時多采取以降壓為主、其他兩者為輔的綜合措施，可降低承壓水水位，避免坑底突涌破壞。但隨著地下水位的降低，地基中原水位以下土體的有效自重應力增加，導致地基土體固結，進而造成降水影響范圍內的地面和建(構)筑物產生不均勻沉降、傾斜、開裂等現象，危及結構安全和正常使用。此外，基坑開挖會導致坑內土體應力場發(fā)生變化，進而引起坑外土體和圍護墻體的變形。杭州市作為沿海一帶較為典型的軟土地區(qū)，地貌上廣泛分布軟弱地基土，如淤泥質黏土等。軟土所具有的含水量高、壓縮性高、孔隙比高和抗剪強度低等特性，使得深基坑工程在施工過程中容易發(fā)生安全事故。

杭州地鐵8號線青六路車站深基坑工程位于濱江軟土地區(qū)，為了確保深基坑工程順利開展，在基坑開挖前期進行承壓水降水處理，開挖期間進行了全方位的變形和內力監(jiān)測。本文以此深基坑工程為研究對象，對施工監(jiān)測主要結果進行分析，研究深基坑開挖過程中地表沉降變化規(guī)律[1－3]。

2 工程概況及水文地質條件

杭州地鐵8號線青六路車站為T型換乘站，位于青六北路西側。車站標準段主體結構寬度為23.3 m，現狀地面標高為4.7～6.20 m，開挖深度為23.5 m(站臺中心里程)、24.96 m(小里程端頭井)、26.52 m(大里程端頭井)。圍護結構采用1 000 mm厚連續(xù)墻加內支撐體系(第一、四道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余支撐為鋼管支撐，共六道支撐加兩道換撐)，插入比約為1∶1.69。8號線青六路站總平面如圖1所示。

圖1 8號線二工區(qū)青六路站總平面

由于地下水位較高，且存在承壓水層，如何降水降壓是保證該工程順利進行的關鍵問題。為解決承壓水問題，基坑采用了懸掛式止水帷幕結合坑內外共同深井降壓技術，通過止水帷幕隔斷坑內外地下水，同時進行坑內降水降壓，確保基坑開挖過程中地下水及承壓水位處于安全水位以下。

2.1 地質條件

根據地勘資料揭露，本工程沿線地貌形態(tài)為湖沼積平原、山前堆積斜地、沖海積平原和現代(含早期)江灘堆積地貌。場地地基土下部主要為第四系上更新統早期沖洪積砂礫石層；中部為上更新統海相沉積的黏性土層，分布較穩(wěn)定，但均一性相對較差；上部主要為全新統晚期沖海積粉(砂)性土層，土層厚度、分布及性質均較穩(wěn)定；淺部主要為人工堆積層。根據巖土層不同物理類別劃分，工程區(qū)地基土在勘探深度內可以大致歸納為十四層，具體參數見表1。

表1 工程土層物理參數

2.2 水文條件

該工程勘探深度范圍內地下水類型主要可分為松散巖類孔隙潛水(以下簡稱潛水)和松散巖類孔隙承壓水(以下簡稱承壓水)。潛水主要賦存于淺(中)部填土層、粉(砂)性土中。本次詳勘測得潛水穩(wěn)定水位埋深為地面下0.50～3.17 m，相當于85國家高程2.64～4.80 m，平均高程為3.86 m。沿線場地承壓水主要分布于下部的[12]、[14]砂礫層中，該層承壓水埋深較深，隔水頂板約在49.5～56.4 m左右。據現場承壓水抽水試驗:該承壓水層初始穩(wěn)定水位埋深為6.10 m，滲透系數為3.68×10－2cm/s。

3 降水方案設計

3.1 基坑抗突涌驗算

基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件:基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數下承壓水的頂托力。

式中:h為基坑底至承壓含水層頂板間距離(m)；γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土層加權平均重度，取18 kN/m3；H為承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度；γw為水重度，取10 kN/m3；Fs為基坑抗突涌安全系數，取1.10。

本工程中的承壓水主要分布于[12]和[14]層，根據公式對[12]和[14]層的基坑底板穩(wěn)定性進行驗算分析，結果見表2。青六路站8號線開挖超過臨界深度，需對承壓水進行技術處理[4－5]。

表2 基坑底板穩(wěn)定性驗算結果

3.2 降水設計

根據止水帷幕與含水層的空間位置關系，可將基坑滲流模型分為三大類:第一類為帷幕深入并揭穿含水層頂板，將含水層完全隔斷；第二類為帷幕未進入含水層；第三類為帷幕進入含水層但未揭穿。針對本工程，承壓水主要分布于深部的[12]和[14]層，水量較豐富，隔水層為上部的淤泥質土和黏性土層。主體基坑止水帷幕深入該層，減壓降水形式基本屬第三類懸掛式降水滲流模型。

根據計算，主體東基坑至少需要布設4口降壓井，按照觀測兼?zhèn)溆镁當盗坎恍∮诮邓倲档?0%且不少于一口的要求，坑外共布設2口觀測兼?zhèn)溆镁唤祲壕罹鶠?8 m，濾管深度47～57 m；觀測兼?zhèn)溆镁罹鶠?5 m，濾管深度47～54 m。在懸掛式圍護條件下，根據模型計算，在安全系數取1.10的情況下，坑內下部[12]和[14]層承壓含水層水位降深滿足基坑安全水位控制需求。

4 墻后地表沉降實測分析

工程基坑監(jiān)測點平面布置見圖2。基坑整體施工過程中周邊地表豎向位移見圖3、圖4。圖中正值代表地表隆起，負值代表地表沉降。可以看出，基坑周邊地表豎向位移有明顯的階段性，可以總結為四個階段:(1)淺層開挖(0～－8 m)階段。由于基坑第一道支撐和圍護結構的構筑，周邊地表測點多數呈輕微沉降狀態(tài)，最多為10.8 mm；少數測點隆起可能是由于坑內土體隆起帶動圍護結構及周邊土體隆起，這與基坑圍護結構初期豎向位移數據一致。(2)承壓水降水階段。承壓水降水引起地表測點整體沉降，整體變化幅度為＋2.21～－38.82 mm，均值為－13.18 mm。根據張剛的研究，在基坑開挖和降水期間，承壓水降水引起的沉降占總沉降量的30%左右。本工程最終地表沉降均值為－33.09 mm，該階段的占比為39%，可見本工程中承壓水降水對于地表沉降影響較大。(3)深層土體開挖(－8～－24 m)階段。此時承壓水水位穩(wěn)定，不再需要大幅度降水，基坑內部的土體卸荷作用再次占據主導位置，由于各部位不同的開挖深度和開挖速度，各沉降監(jiān)測點沉降速度也不盡相同，但整體上仍有明顯的規(guī)律性，如DBC2～DBC9等測點沉降相對偏大，這是由于軸端先行開挖且在整體位置上遠離中心三角區(qū)，空間效應相對明顯。(4)整體底板構筑階段。由于底板澆筑完成，基坑內部結構形成封閉整體，使得大多數測點沉降數據趨向于穩(wěn)定；少數沉降測點出現沉降回升，這是由于坑內降水停止，坑外水位回升及底板澆筑后的土體回彈共同作用所致[6]。

圖2 基坑監(jiān)測點平面

圖3 南側地表豎向位移隨時間變化曲線

圖4 北側地表豎向位移隨時間變化曲線

由圖3、圖4可知，同一軸的南北兩側地表豎向位移變形曲線模式并不相同，南側顯現出較為明顯的三角型，北側則為下凹型，相比之下沉降影響區(qū)域更大，50 m(2.0 H，H為基坑開挖深度)外的測點仍出現大于40 mm的沉降。基坑南側地表沉降結果與喻軍等人的統計結果相近:軟土基坑地表沉降包絡線表明，在(0～0.75)H的范圍內，地表沉降最大，在(0.75～2.0)H的范圍內地表沉降逐漸衰減。北側基坑由于東側存在三角區(qū)的延伸部分，對周邊土體及圍護結構造成一定影響[7－8]。

表3為基坑開挖全過程中，地表各沉降測點最大測量值。可以看出，除測點DBC2、DBC3外，其余測點沉降值均為北側測點大于南側測點。可能是由于北側所存在的三角區(qū)延伸部分阻礙了東側土體向內卸荷，將部分卸荷作用反向向西側釋放，從而導致北側地表沉降相對較大。

表3 地表沉降統計

此外，隨著基坑內部結構逐步完成，降水停止后坑內外水位逐漸恢復，部分土體出現回彈現象(出現在7月15日之后，為工程底板澆筑期間)。這是由于此時多數區(qū)段底板澆筑已完成，坑內降水井開始封閉，坑內外水位逐漸上升及底板澆筑所導致的坑底土體回彈共同作用所致。其中，測點DBC7、DBC8、DBC10、DBC11 的回彈現象最為明顯，回彈幅度均大于15 mm。DBC7和DBC8的回彈位置出現在距離基坑邊27 m位置，而 DBC10和DBC11的回彈位置出現在距離基坑邊42 mm位置。總體來看，該基坑的土體回彈量在0～48.5 mm范圍，基坑中段回彈量相對較大，最大回彈位置多出現在基坑外27～42 m處，如圖5所示。

圖5 基坑墻后地表豎向位移變化曲線

基坑墻后地表沉降及回彈與地下水位的變化密不可分。結合基坑外水位情況，7月15日后，坑外水位逐漸回升，是導致坑外地表土體回彈的重要原因。對比李衛(wèi)華等人全斷面富水砂土層回灌試驗得到的結果:水位恢復可導致10% ～30%的地表回彈，深層土體回彈最大可達50%；本工程回彈現象更為明顯，回彈量更大。如DBC8-3測點從－37.7 mm最大回彈至9.6 mm。究其原因，一是本工程非全斷面滲流模型的局限性；二是承壓水層在坑外水位恢復時，對土體產生了相對于普通潛水層更大的孔隙水壓力，但具體原因有待后續(xù)試驗進一步研究。

5 結論

通過對杭州8號線青六路站深基坑工程施工監(jiān)測結果的分析，研究了基坑開挖過程中坑外土體豎向位移變化規(guī)律，得出如下主要結論:

(1)通過分析數據，該工程采用止水帷幕結合坑內外共同深井降壓技術，有效控制了基坑開挖過程中坑內外潛水及承壓水水位，開挖過程中未出現滲水、突涌等工程問題，保證了基坑工程的順利開挖。

(2)該基坑周邊地表豎向位移有明顯的階段性，可總結為四個階段:①淺層開挖(0～－8 m)階段。周邊地表測點多數輕微沉降狀態(tài)，最大值為10.8 mm。②承壓水降水階段。承壓水降水引起整體沉降，整體變化幅度為＋2.21～－38.82 mm，均值－13.18 mm。本工程最終地表沉降均值為－33.09 mm，該階段占比39%，可見本工程中承壓水降水對于地表沉降影響較大。③深層土體開挖(－8～－24 m)階段。該階段承壓水水位穩(wěn)定，不再需要大幅度降水，基坑內部土體卸荷作用再次占據主導位置，由于各部位不同的開挖深度和開挖速度，各沉降監(jiān)測點沉降速度也不盡相同。④整體底板構筑階段。由于底板澆筑完成，基坑內部結構形成封閉整體，使得大多數測點沉降數據趨向于穩(wěn)定[9－10]。

(3)該基坑的回彈現象明顯，回彈量大。最大回彈測點為DBC8-3，從－37.7 mm回彈至9.6 mm。可能是由于承壓水層在坑外水位恢復時，對土體產生了相對于潛水層更大的孔隙水壓力，但具體原因有待后續(xù)試驗進一步研究。

(4)8號線青六路站深基坑特殊的三角區(qū)結構產生了較為明顯的空間效應，導致基坑北側地表沉降略大于南側。