基坑降水對周邊建筑物不均勻沉降的影響解析

摘 要：基坑降水后建筑物下方地層失水，地層特性會產生較大變化，從而引起建筑物沉降、變形等不良影響。建筑物基礎的不均勻沉降差會導致建筑物結構受力變化，進而直接影響到結構的安全性，因此有必要加強降水對建筑物的影響分析及控制。結合地層以及建筑物的情況制定更合理的降水方案，確保建筑物在基坑施工過程中安全可控。

關鍵詞：基坑降水；建筑物；不均勻沉降

中圖分類號：TU463" " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）03-0008-03

0 引言

為保證基坑能在干燥條件下施工，防止出現邊坡失穩、基礎流砂、坑底隆起、坑底管涌和地基承載力下降等問題，必須做好深基坑降水施工。城市地下工程的降水施工普遍有降水深度大、施工時間長、影響范圍廣等特點，且大部分地處高樓林立、地下管線復雜的繁華市區，因此要減小基坑降水引起的沉降，控制建筑物不均勻沉降，確保周圍地面及建筑物的安全尤為重要。

1 研究背景

1.1 地下水的分類

地下水分按位置可分為潛水、承壓水和上層滯水。上層滯水是地下水面以上存在的局部隔水層上方留存的水，分布最接近地表。潛水是儲存在地表和第1層不透水層之間的水可以向周圍滲流，從潛水面到隔水層的距離為潛水層厚度，潛水上方沒有隔水層或只有局部上方有隔水層。承壓水是在2個隔水層之間的水，上下隔水層的距離就是承壓水層的厚度。制定降水方案前，應搞清楚地層分布情況及物理力學性質、地下水類型及補給方式、地下水與地面水體聯系等水文情況。

1.2 不同地層降水方案的選取

基坑降水對建筑物沉降影響因素有很多，主要有地質條件、基坑深度、影響距離、地下水類型及分布、建筑物本身基礎及結構形式等。場區所要降水的范圍地質情況，直接決定了降水方案的選取。

常見的降水方案有真空降水、電滲井點降水、輕型井點降水、管井井點降水以及深井井點降水等。因地質情況不同、基礎形式不同，常用降水方法不同，其對建筑物的影響表現的狀態也不同。電滲井點適用于粘土、亞粘土、淤泥和淤泥質粘土這些滲透系數小于0.5 m/d的細顆粒土。管井井點適用于地下水豐富、滲透系數大的地層，或輕型井點不易解決的工況。滲透系數約每日20～200 m，一般用于潛水層降水。深井井點降水在基坑工程中應用較多，用于砂礫層等滲透系數很大且透水層厚度大，可實現排水量大、深度大、范圍大的降水。降水方案確定后，需結合地質情況及工況綜合研判。

1.3 基坑降水影響計算方法

基坑降水對周圍建筑物變形影響主要有以下3種方法：①地下水降水沉降觀測法（HS-BP-P）。該方法通過采用位移觀測法在對地下水位變化較為敏感的區域進行監測，同時根據監測結果計算出地下水對建筑物沉降的影響。②區域地下水流量法（EXP）。該方法是通過計算區域地下水流量來計算其對周邊環境影響的一種方法。根據地下水流量影響區域地下水流量的大小劃分區域并將該區域分為三個區塊進行計算。③土體剪切流量法。該方法通過直接對土體剪力進行處理，根據剪切流損失量公式和計算公式，在該方法基礎上結合本工程實際情況進行優化設計，制定區域降水過程中降水效果影響計算方法。

基坑施工完成后基坑內部水分含量升高，基坑周邊土壤含水量會逐漸降低；基坑周邊土壤含水量升高到一定程度會引發不均勻沉降現象；當基坑內部含水量達到某一值，則會造成土體塑性變形減小，從而導致該區域發生塑性破壞等現象；而當周邊土壤含水量下降到某一個值則會導致土體整體變形增大，進而影響整個建筑安全。根據上述區域地下室降水影響計算方法，可對基坑降水引起周圍土體變形及房屋沉降進行分析計算。研究結果表明，地下水降水對周邊土體的擾動作用為控制因素之一[1]。

2 降水產生不均勻沉降的影響分析

基坑降水影響范圍內的房屋必然會產生差異沉降，輕則影響建筑物美觀，重則導致建筑物損壞造成重大的經濟損失。因此有必要分析降水引起的地面沉降范圍和幅度，對可能產生的不良影響進行分析預測，以便于調整優化降水方案和處理存在問題。

2.1 地質對降水后建筑不均勻沉降的影響

基坑開挖降水后，基坑周邊潛水的水位會逐步下降。水位降低后地層原有的狀態發生改變，地層失水后潛水對地層的浮力減小。受上部各類荷載影響，失水地層的受力則增大。增大后會使地層壓密或重分布，進而引起土層及上方建筑發生沉降。房屋下方地層的不均勻性以及基礎的分布和形式影響，會導致上方建筑沉降出現不均勻分布。比如房屋下方有不同厚度的弱透水層，也有強透水層，各類地層失水后表現出的力學特性不同、重分布的程度不同，所以地層的不均勻性是房屋不均勻沉降影響因素之一。房屋的不均勻沉降，規范中要求不大于2‰，但也需要根據房屋結構及基礎形式等綜合研判。沉降差嚴重會引發建筑物傾斜、開裂等問題，甚至影響正常使用。

2.2 房屋自身結構及基礎形式對不均勻沉降的影響

房屋基礎形式的不同，面臨降水后建筑不均勻沉降的表現也不同。樁基礎建構筑物分端承樁及摩擦樁。端承樁建筑因基礎由樁端承載，受降水影響幾乎不計。摩擦樁基礎及筏板基礎、條形基礎、擴大基礎、砌體基礎等淺基礎房屋受降水影響較為明顯。其中大筏板基礎因底部筏板均布受力，對抵抗不均勻沉降較為有利，同時聯排房屋設置一定的變形縫，可有效防止不均勻沉降對建筑結構的影響。部分依附在建筑主體上的附屬結構一般基礎與主樓基礎形式不同，受施工影響更敏感，較易出現類似主樓的不均勻沉降的情況。

以淺基礎建筑為例，房屋的荷載通過基礎傳給地基，而地基在荷載作用下，應力隨深度而擴散，深度越大擴散越大，基礎傳遞的應力越小，且在同一深處中間最大，向兩端逐漸減小。在地質較好、較均勻，且房屋的長高比不大的情況下，房屋地基受水位下降導致不均勻沉降較小。但當房屋修建在含水淤泥土質或軟塑性狀態的粘性土上時，由于強度低、壓縮性大，不均勻沉降相比較大。若排除大面積的連體建筑、建筑下不均勻地質及結構形式、降水流失細顆粒等的影響，地下水位降低對建筑物的沉降影響一般多為均勻沉降。水位下降對建筑物不均勻沉降的影響相比基坑變形影響更小，目前還無法準確區分，更多呈現在基坑開挖以及降水過程中，靠基坑一側沉降較大，產生建筑傾斜、不均勻沉降現象。

2.3 降水漏斗引起沉降的影響分析

基坑降水過程中，隨著底層內潛水水位的降低，降水井周邊會呈現降水漏斗，使漏斗水面以上的地層失水。當建筑物位于降水漏斗范圍內時，降水對建筑物下方地層影響程度不同，與降水井距離越近的基礎影響也就越大，所以降水方案確定時，應充分預測沉降影響范圍，加強沉降監測。此外如果抽水慮網和砂濾層的施工質量不達標，抽水時地層的細小顆粒會逐漸損失，加劇了降水對局部地層的影響，從而產生不均勻沉降。

2.4 降水不力引起的基坑問題進而影響建筑物沉降

針對坑內降水，若基坑長期處于被地下水浸泡的狀態，則基坑土體強度降低，易引起基坑變形。同時坑內外水頭差也將引發粉砂土顆粒隨地下水滲流產生地層損失，這也是局部不均勻沉降的原因之一。坑外降水工程若降水不力，則基坑側向土壓力加大或基坑滲流，均會威脅基坑的安全和穩定，進而直接影響臨近建筑物的沉降及安全。

深基坑開挖引起地面沉降的范圍一般為開挖深度（h）的1～4倍，在深層承壓水無法完全截水，采取降壓懸掛止水、坑內降水方案時，降壓影響增加，承壓含水層彈性釋水，承壓性未變。地面沉降在距坑壁2h以內主要由圍護結構自身變形引起，2h以外范圍主要由降水引起，6h范圍外地表變形不明顯[2]。

3 減小降水對建筑物不均勻沉降的措施

基坑降水不僅破壞了地下水水源，還對建筑物及基礎設施造成了較大的影響。因此，針對基坑降水及其處理措施對周邊建筑物和基礎設施產生的危害，必須引起高度重視，并采取相應措施加以控制和處理。綜合基坑變形、降水情況及工況，分析建筑沉降、傾斜原因，若因降水引起可選擇采取單液漿加固、回灌井、水泥水玻璃雙液漿加固、鋼管注漿等措施，并采取加密監測、選擇性關停降水井、注漿封井等措施。現主要從以下6個主要措施進行闡述。

3.1 合理制定降水方案

井點埋置位置和深度是不容忽視的因素，布點時井點要盡可能遠離建筑物，分析地層特性，不要打穿不必要的承壓水層，保持基坑內的降水曲面在坑底以下1 m即可。抽水井應盡量布置在基坑中，在理論計算的基礎上結合當地實際情況，充分利用群井效應控制降深，防止周邊環境處在水力坡度過大位置，造成不均勻沉降過大。應充分預估降水可能引起的不良影響，制定預防措施及可靠的監測方案，把不均勻沉降控制在允許的范圍內，發生問題及時處理。

3.2 優化施工組織合理降水

基坑開挖和降水作業，應通過合理安排施工組織、縮短降水時間，盡量減小降水對周邊環境的影響。降水井打設完成后應進行降水試驗，通過試驗情況優化調整降水施工組織。針對基坑深度大、降水影響范圍廣的基坑工程，可考慮采取分部位分等級降水，結合開挖深度，再增加水泵開啟數量、增大水泵功率。根據承壓水水頭監測數據和基坑開挖深度，動態控制排水量，直至達到設計水位降深值，減少基坑累計排水總量。降至開挖所需水位即可，盡可能避免長時間大功率降水，減小降水對周邊建筑影響。同時應做好降水應急預案，如備用水泵和備用電源、防洪防汛措施和基坑防滲、邊坡穩定和沉降監測等。

3.3 設置隔水帷幕

針對常見的坑內降水法，除了采用鋼板樁、地連墻等隔水圍護結構，在基坑邊設置攪拌樁、旋噴樁等止水帷幕，可減小基坑邊水位降低程度，進而減小影響。若地下水位高于坑底，上層潛水較大且有充足的補給源，或承壓水能使基坑發生流砂、管涌、突涌現象，或基坑周邊有重要市政設施，或對地面的水平位移和垂直沉降需嚴格控制，應在降水前設置止水帷幕隔水并采用坑內降水[3]。止水帷幕深度應達到不透水層考慮結合地層情況連續設置有效的止水帷幕，盡量不在坑外降水，以減少降水引起的沉降。

3.4 設置回灌井

若為滲透性較好的地層，設置回灌井可減少因地層失水引發的變形量，有效減小回灌范圍的總沉降和不均勻沉降。在降水井管與建筑物間設置回灌井點，持續補充該處的地下水，使降水井點的影響半徑不超過回灌井點的范圍，使外側建筑物下方地層不失水變化。回灌與降水井點之間應保持一定距離，一般應不少于6 m，防止降水、回灌井“相通”，啟動和停止應同步。回灌水宜采用清水，回灌壓力和井距應計算確定，深度應根據透水層深度來決定，保證基坑的施工安全和回灌效果。同時應設置水位觀測井監測水位變化，并結合監測數據及水位調節回灌量。

3.5 注漿加固

為了應對降水漏斗或基坑變形產生的建筑物不均勻沉降變形，考慮對建筑物進行必要的預加固，主要采取基礎下注漿加固措施減小降水對其影響。優先采取水灰比1∶1的單液漿，并采用后退式注漿方式進行預加固，確保能保壓至0.4～0.5 MPa注漿。

若施工過程中，沉降速率較大需應急處理時，可采取水泥水玻璃雙液漿，快速起到加固支撐作用，雙液漿凝固時間宜控制在30 s。注漿鋼管法則可采取φ108 mm，臂厚為6～8 mm鋼管斜向打設在基礎下方，配合注入單液漿，起到加固加強的作用。問題突出時，最終建筑物的安全性影響應由專業機構鑒定評估為準，并編制專項方案處理。

3.6 加強監控量測及巡查

深基坑往往降水期較長，地下水均衡關系發生變化，必然對周邊環境及建筑物產生影響。為了較準確掌握變化情況，應及時采取必要措施，在降水工程實施的同時，必須做好建筑物沉降、傾斜監測、地表監測及巡查，選定降水井總數的20%作為水位觀測井記錄水位。同時應做好降水含砂率檢測，防止降水泥沙含量超標，地層細顆粒流失引起沉降。

為了觀察基坑周邊建筑的沉降情況，在基坑周邊建筑物上布設直接觀測點，在影響范圍外建基準點，用高精度水準儀觀測沉降變化。從基準點出發，測定現場工作基點高程，作為日常高程測量的參照系，來測量監測點的本次和累計沉降。

通過沉降數據分析及對相應問題部位的實地勘察都可以看出， 隨著基坑降水深度的增加，建筑沉降有增大的趨勢。所以應綜合展開數據整體分析，以監測、巡查結果指導施工或調整方案。

4 結語

建（構）筑物的不均勻沉降往往造成變形、裂縫等問題，造成社會不安定因素，危及人民生命安全，產生經濟損失。本文分析了地質環境、水文條件、方案選取、結構形式等對具體降水施工的影響，闡述了降水引起建筑不均勻沉降的機理，梳理減小降水引發建筑物沉降的措施。

降水引起的建筑不均勻沉降的過程是復雜的，受地層結構及特征、降水強度及降水時間、成井質量及支護結構的穩定性等因素影響。降水施工要做到精心設計，精心組織，優化方案，保證效果，配合監測分析及問題應急處理，可有效控制降水引起的不均勻沉降對建筑的影響。

參考文獻

[1] 孫懷軍，劉承磊，周長瑞，等.基坑降水引起止水帷幕外地面不均勻沉降研究[J].中國水運（下半月），2015，15（1）：331-332.

[2] 葉為民，萬敏，陳寶，等.深基坑承壓含水層降水對地面沉降的影響[J].地下空間與工程學報，2009，5（z2）：1799-1805.

[3] 胡欣.基坑降水對周圍地面沉降的控制研究[D].天津：天津大學，2010.