考慮不同地下水位基坑開挖對地面沉降影響的研究

張 盼

(安徽三洲水利建設(shè)有限公司，安徽 宿州 234000)

1 引言

基坑工程因其能夠有效利用地下空間而備受工程界關(guān)注，對此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，劉暢等[1]結(jié)合天津市某基坑工程進(jìn)行斜直交替支護(hù)樁現(xiàn)場監(jiān)測，首次對支護(hù)斜樁的樁身受力進(jìn)行測試和分析，研究結(jié)果表明:斜樁對直樁存在斜撐效應(yīng)。張旭群等[2]針對廣州地鐵3 號線某地鐵站基坑工程，采用有限元模擬分析方法，對鄰近隧道的受力影響進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明:若不同區(qū)段采用不同的支護(hù)形式，可保證地鐵周圍隧道的安全。孫鵬昌等[3]依托廈門某基坑工程，研究了深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明:爆破速度可影響樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。陳秋爽等[4]將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑的施工模擬、工程量統(tǒng)計(jì)、綠色建設(shè)方面，以實(shí)現(xiàn)基坑施工全過程管理的可視化、標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。尚桌等[5]采用基底封底配合降水減壓以保證基坑安全開挖，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)說明了不同封底形式和降水對基坑的變形影響。張輝等[6]基于極限分析上限定理，推導(dǎo)了3 種破壞模式下基坑抗傾覆力矩的計(jì)算表達(dá)式。

然而以上的研究均沒有涉及地下水位不同時(shí)，基坑的開挖、排水和支護(hù)措施對地面沉降的影響，針對以上問題，本文選擇了地層巖性相同，但是地下水位線不同的兩個(gè)基坑，通過對地面的沉降監(jiān)測，對基坑的開挖、排水和支護(hù)措施進(jìn)行評價(jià)，以上的研究方法可為類似的含地下水的基坑處置提供參考。

2 工程概況

選擇兩個(gè)含地下水的基坑作為研究對象，此基坑周圍巖土體性質(zhì)相同，巖土體從上而下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，巖土體物理力學(xué)參數(shù)也相同，見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

為使基坑具有可對比性，選擇的基坑施工區(qū)域體積相同為6000 m3，長×寬×高為50 m×10 m×12 m(圖1)，開挖基坑的體積為500 m3，長×寬×高為10 m×10 m×5 m，由以上數(shù)據(jù)可知，施工區(qū)域的長度是基坑長度的5 倍，高度是基坑高度的2.4 倍，結(jié)合以往施工的經(jīng)驗(yàn)，以上的倍數(shù)關(guān)系是能夠保證基坑的開挖不對周圍環(huán)境造成不良影響。

圖1 基坑開挖平面圖(單位:m)

結(jié)合數(shù)值模擬研究可知(圖2)，嚴(yán)格按照開挖、支護(hù)和排水次序，還原基坑開挖的整個(gè)過程，模擬結(jié)果表明，若增加基坑施工區(qū)域，基坑周圍巖土體的受力和位移變化不超過0.2%，由此結(jié)果可知，針對基坑的體積方量，施工區(qū)域的邊界是合理的。

圖2 數(shù)值模擬立體圖(單位:m)

確定了基坑的開挖區(qū)域和施工區(qū)域，選擇的基坑地下水位分別是距離地面2.5 m 和4 m 處，本文的研究重點(diǎn)是相同的地層、施工工序、支護(hù)和排水方法，不同地下水位線處的基坑施工，對地面沉降的影響。由于施工區(qū)域是基于基坑對稱分布的，因此僅須研究地面AB 范圍內(nèi)的沉降即可(圖1)。

針對地下水位位于2.5 m 處的基坑，該含地下水位的兩個(gè)基坑均采用半逆法施工，第一次開挖深度為1m，開挖后應(yīng)當(dāng)及時(shí)對坑底進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成，且基坑周圍巖土體位移穩(wěn)定后，利用觀察儀器對AB 進(jìn)行沉降監(jiān)測。第二次開挖深度為1.5 m，地下水位于第二次開挖結(jié)束時(shí)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水涌出，隨即采用井點(diǎn)降水法，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將地下水排盡，排盡后隨及進(jìn)行第二次支護(hù)，待支護(hù)結(jié)束后利用觀察儀器對基坑巖土體AB 進(jìn)行沉降監(jiān)測。依次類推，開展第三次和第四次開挖、支護(hù)、排水和監(jiān)測。

地下水位位于4 m 處基坑的開挖和支護(hù)次序可按照地下水位2.5 m 處的基坑進(jìn)行，以此進(jìn)行沉降對比研究，以評價(jià)地下水位不同處，基坑的施工對地面沉降的影響。

3 測量方法

結(jié)合測量規(guī)則，沿AB方向間隔5 m選擇一個(gè)沉降觀測點(diǎn)，共計(jì)6 個(gè)觀測點(diǎn)。

首先應(yīng)該設(shè)置沉降觀測基點(diǎn)，基點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)定在壓縮性較低的土層上(圖3)，以此保證沉降觀測的有效性。且基點(diǎn)的設(shè)置須不受其他施工措施的影響，這樣方能反映基坑開挖對地面建筑物的影響。

圖3 基點(diǎn)的設(shè)置

按照試驗(yàn)的設(shè)點(diǎn)進(jìn)行沉降點(diǎn)的觀測，不涉及排水的區(qū)域，開挖后隨及進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后，地面沉降穩(wěn)定后進(jìn)行沉降的觀測，并記錄沉降數(shù)據(jù)(圖4)。涉及排水的區(qū)域時(shí)，開挖后須先進(jìn)行排水處理，待排水完成并符合排水要求后，再進(jìn)行支護(hù)，最后待地面沉降穩(wěn)定后進(jìn)行沉降的觀測，并記錄沉降數(shù)據(jù)。

圖4 沉降的觀測

最后記錄觀測數(shù)據(jù)，在基坑開挖完成后，進(jìn)行沉降觀測時(shí)，必須記錄每次觀測的施工進(jìn)度、開挖方量、建筑物的傾斜裂縫等各種影響沉降變化和異常的情況。由于本文是為了研究不同地下水位對基坑開挖的影響，所以基坑施工區(qū)域是不存在其他建筑物的，暫不必記錄建筑物的傾斜變化。

值得注意的是沉降的觀測精度等級采用Ⅱ級水準(zhǔn)測量，視線高度不宜低于0.5 m，應(yīng)當(dāng)采用閉合法消除誤差。

沉降觀測的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為測量的數(shù)據(jù)中記錄三次觀測沉降值，每次沉降量均不大于2 2 倍測量中誤差，若達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為沉降已進(jìn)入穩(wěn)定階段。若沉降值變化值較大，須待地面沉降穩(wěn)定后進(jìn)行觀測。

4 沉降結(jié)果

嚴(yán)格按照以上操作步驟，基坑共計(jì)4 次開挖，對地面沉降的觀測也記錄了4 次，現(xiàn)按照次序依次將結(jié)果記錄見圖5～圖8。

圖5 第一次開挖不同地下水位處AB 沉降

圖8 第四次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖5 可知，地下水位線2.5 m 處AB 的沉降均較地下水位線4.0 m 處的大，差值約5%(兩者差值除以數(shù)值較大沉降的絕對值)，說明地下水位較淺時(shí)，開挖后地面的沉降較大，但因?yàn)椴钪挡幻黠@，說明開挖對沉降的影響在可控的范圍內(nèi)。

由圖6 可知，地下水位線2.5 m 處時(shí)的AB 的沉降均較地下水位線4.0 m處的大，差值約4%，此差值率較第一次開挖小，說明地下水位較淺時(shí)，開挖后地面的沉降較大，但差值進(jìn)一步縮小，說明第二次開挖后地面沉降差值會進(jìn)一步縮小，證明支護(hù)措施是合理有效的。

圖6 第二次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖7 可知，地面以下2.5 m 處基坑經(jīng)過排水處理后，第三次開挖兩者的差值率較前兩次小，說明排水效果明顯，達(dá)到了有效控制沉降的目的。

圖7 第三次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖8 可知，基坑地下水位線4.0 m 處的沉降較地下水位線2.5 m 處略大，但兩者相差不大，說明排水效果明顯，達(dá)到了控制地面沉降的目的。

綜上所述:不同地下水位處基坑的排水、支護(hù)措施是達(dá)到了理想的效果;另一方面可知只要排水和支護(hù)措施滿足施工要求，均可控制地面沉降，達(dá)到工程要求的目的。

5 總結(jié)

本文對不同地下水位處的基坑進(jìn)行4 次開挖、排水和支護(hù)處理，并對地面沉降進(jìn)行觀察，可以得出如下結(jié)論:

(1)開挖后四次沉降結(jié)果比較接近，說明基坑的開挖、排水和支護(hù)措施是達(dá)到工程要求的，且可認(rèn)為現(xiàn)階段基坑的開挖、排水和支護(hù)措施已比較成熟;

(2)地下水位較淺時(shí)，地面沉降較地下水位較深處基坑略大，說明地下水位不同確實(shí)對地面沉降有一定的影響，但是此影響不明顯;

(3)本次的監(jiān)測結(jié)果適用于地下水位不超過4m 處基坑的處置，若超過此深度，此方面的研究有待進(jìn)一步深入。