沿海復雜地層深基坑地下水控制引發的地表沉降規律分析

阮艷妹，徐文田，李牧羽

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

在城市繁華地區開展基坑工程時往往會遇到作業條件受限、周邊建筑物密集等問題，基坑降水回灌技術的應用為其安全施工帶來了極大的便利，而基坑降水會在基坑附近形成降水漏斗，改變土體孔隙水壓力及土體結構，引起基坑周邊土體的不均勻沉降，對鄰近建筑物的安全帶來極大威脅.因此，針對基坑開挖降水回灌過程中的土體水力聯系、地下水位變化、土體沉降與隆起等問題開展研究具有重要意義.

對于基坑開挖降水回灌問題，國內外學者進行了大量研究[1-6].鄭剛等[7]依托天津某基坑工程進行降水回灌試驗，研究發現在粉土和粉砂中采用回灌措施效果顯著.劉祥勇等[8]在南通富水砂性地層開展了一系列單井和群井抽灌現場試驗，試驗表明回灌過程中地層沉降呈現一定的“塑性”特性，在敏感建筑物區應盡量做到抽灌一體化來減小附加變形.金小榮等[9]利用有限元軟件對基坑降水工程進行數值模擬，探索基坑降水開挖過程中各參數的敏感性和土體沉降規律.李罡[10]針對濟南軌道交通基坑工程，從回灌技術的實施要點、施工難題及處置措施角度闡述了新型降水回灌裝置在實際工程中的應用.瞿成松等[11]依托上海盛大國際金融中心基坑工程，針對基坑交接處三條地鐵線路運營對周邊環境的較高要求，利用數值模擬方法分析降水回灌技術控制降水的影響效果，并將其成功應用于實際工程中.

以上研究多是針對軟土、黏土、砂性土等地層，而對于深厚富水復合地層中基坑降水的相關研究較少.本文針對沿海深厚富水復雜地層開展了基坑開挖降水回灌試驗，分析先抽后灌、先灌后抽及同抽同灌等不同技術措施下的地下水位、地表沉降和鄰近建筑物沉降的變化規律，基于試驗現場監測數據，結合沿海地區現行設計規范與技術規程，驗證基坑降水回灌技術在沿海復雜地層中的適用性及合理性，研究成果可為類似工程的降水設計與環境控制提供數據支持.

1 試驗方案

1.1 試驗場區概況

廣州市某軌道交通車站位于107國道(廣深公路)下，車站為地下兩層島式站臺車站，車站含折返線總長653.6 m，標準段寬19.7 m，有效站臺寬11.0 m.明挖基坑圍護結構采用800 mm厚地下連續墻及豎向3道內支撐，基坑深度約16.0～18.6 m.地連墻底伸入中、微風化地層.車站采用明挖法，局部蓋挖法施工.

考慮基坑周圍交通疏解、管線改遷及施工進度影響，在基坑中部增設2道分隔墻，將基坑劃分為A區、B區、C區三個工區，即在每個工區內獨立降水，以便進行中部基坑的土方開挖及主體結構等施工，本次試驗車站基坑平面圖及典型地質剖面圖如圖1所示.

圖1 基坑平面圖及典型地質剖面圖

1.2 水文地質條件

試驗場區地貌上主要屬于剝蝕殘丘地貌.揭露第四系地層為人工填土層，海陸交互相沉積層及殘積層，基巖為震旦系混合花崗巖，本次試驗場區土層分布及物理力學參數如表1所示.沿線地下水穩定水位埋深1.20～12.60 m，標高5.44～15.17 m.地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制.

表1 土層分布及物理力學參數

試驗場區地下水主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種基本類型.松散巖類孔隙水主要賦存于海陸交互相砂層<1>、<2-3>中.砂層被淤泥、淤泥質土及粉質黏土層覆蓋，地下水具微承壓性.塊狀基巖裂隙水主要含水層為基巖層的強風化帶和中風化帶中，巖性主要有混合花崗巖、花崗巖等.

1.3 試驗目的

本文通過基坑降水回灌過程中抽水量、回灌量、水位變化、回灌開啟時間等參數的分析，結合現場監測得到的地面沉降、深層土體沉降結果，為類似基坑降水回灌工程提供理論指導和實踐經驗.本次現場試驗的目的為：(1)分析基坑降水回灌試驗過程中抽水量、回灌量、地下水位間的變化規律，明確回灌措施對地下水位的控制效果；(2)根據地下水位、地表沉降、建筑物沉降等監測數據，繪制基坑降水回灌過程中地表土體沉降及建筑物沉降時程曲線，揭示基坑降水回灌引起的地表和鄰近建筑物沉降規律；(3)對比先抽后灌、同灌同抽、先灌后抽三種方案下地下水位、地表沉降、深層土體沉降等監測數據，分析回灌開啟時間對地層沉降的影響，為實際工程應用提供理論依據.

2 現場試驗方案

2.1 回灌井設置

對基坑內實施降水試驗會引起基坑外地層水位顯著下降，因此需采用回灌對基坑周圍水層進行補償.根據回灌井作用原理可知，回灌井的鉆孔深度需進入滲透性較好的土層，全風化混合花崗巖<6Z>具有很好的滲透性，結合基坑回灌成本擬定現場試驗的回灌深度為到達全風化混合花崗巖<6Z>.本試驗擬設48個降水井、46個回灌井，降水井沿基坑內部兩側均勻布置，編號為J01～J48；回灌井沿基坑兩側建筑物相對密集區域布置，水平間距20 m，距基坑邊1.5 m布設，編號分別為N01～N22、S01～S24.基坑中部加入兩道分隔墻后劃分為三個試驗區，其中A區布設12個回灌井，B區布設22個回灌井，C區布設12個回灌井.回灌井設計鉆孔孔徑350 mm，主管孔徑200 mm，副管孔徑50 mm，頂部4 m采用砂漿孔，回灌壓力0.2 MPa.現場回灌量控制系統如圖2所示，基坑內降水井及回灌井平面布置圖如圖3(a)所示.

圖2 施工現場回灌量控制系統示意圖

圖3 基坑井點及監測點平面布置示意圖

2.2 工況設置

為了對地鐵車站基坑內外、各土層間的水力聯系以及回灌開啟時間對基坑周邊土層沉降的影響進行研究，本次現場試驗共設置3組試驗，分別為先抽后灌、同灌同抽、先灌后抽，具體的試驗工況如表2所示.

表2 降水回灌試驗工況設置表

2.3 監測點布置

基坑降水回灌過程中地下水位變化情況至關重要，因此本次試驗共布設24個地下水位監測點，監測編號為H01～H24，基坑各工區地下水位監測點平面布置示意圖如圖3所示.為了掌握基坑降水回灌過程中基坑周圍環境的位移、變形規律，結合試驗場區條件在基坑周圍共布置26個地面沉降監測點，監測編號為A01～A26，每間隔30 m布設一個監測斷面，基坑各工區地面沉降監測點平面布置示意圖如圖3(b)所示.

城市繁華地區基坑工程周邊往往存在大量建筑物，考慮到基坑降水可能引起的土體擾動問題，需對基坑周邊建筑物的沉降變形情況進行實時監測，以便充分掌握基坑降水回灌施工過程中建筑物地基變形特性.本次試驗選取周邊31個敏感建筑物，在其四個角離地面150 mm處分別布置沉降、傾斜監測點.

3 降水回灌試驗結果分析

3.1 地下水位影響分析

基坑中部試驗區采用先抽水后回灌的方式，選取基坑周圍4個典型測點的監測數據繪制地下水位變化時程曲線如圖4所示.

圖4 地下水位變化時程曲線

由圖4可以看出，基坑降水試驗開始后，由于地層應力釋放及地下水滲流，導致基坑周邊地下水位開始逐漸下降，水位下降值超過1.5 m，地下水位迅速下降可能引起地表沉降加劇，對周邊構筑物的安全產生影響，故深厚富水地層基坑圍護結構宜進入穩定不透水層或巖層；回灌系統開啟后，地下水得到補充而逐漸回升，經過一段時間后恢復到了原始地下水位；繼續進行降水回灌試驗，地下水位出現不同程度的抬升，但抬升幅度不超過1.0 m；當回灌量與抽水量逼近平衡時，基坑周邊地下水位趨于穩定狀態，基坑內部降水施工對基坑周邊建筑物的影響也相對較小.

通過地下水位變化時程曲線可知，采取基坑降水及回灌技術以后，基坑降水引起的地下水位累計沉降的平均值為1.6 m，接近并小于一級基坑水位累計沉降預警值2.0 m，說明了基坑降水回灌技術在廣州地區的適用性及合理性.

3.2 地表沉降影響分析

基坑降水回灌引起基坑內外地下水位的變化，進而對周圍土體產生擾動，為了分析基坑降水回灌過程中地表土體沉降規律，選取基坑中部試驗區6個典型監測點的監測數據，繪制地表累積沉降變化時程曲線如圖5所示.

圖5 地表累積沉降變化時程曲線

由圖5可以看出，基坑降水回灌試驗過程中，地表沉降變化時程曲線出現明顯的轉折點，最大累積沉降值為-21.60 mm；在回灌系統開啟后，地表沉降值僅有小幅度的抬升，整個試驗過程地表沉降出現較大的塑性變形量；當回灌量與抽水量相對穩定后，地表沉降呈現穩步下降趨勢.

3.3 周邊建筑物沉降影響分析

為了分析基坑降水回灌對周邊建筑物沉降的影響程度，在基坑周邊建筑物角部布置沉降監測點，選取基坑B區南側兩個典型建筑物上的6個沉降監測點為研究對象，繪制建筑累積沉降及建筑沉降速率變化時程曲線如圖6所示.

圖6 建筑累積沉降及建筑沉降速率變化時程曲線

由圖6可知，基坑開挖初期周邊建筑物受到擾動，基坑周邊建筑物出現小幅沉降，但沉降的速率較為平穩；當基坑內抽水系統開啟后，基坑周邊建筑物發生大幅度沉降，沉降速率達到-0.91 mm.d-1，較大的沉降量對建筑物結構安全十分不利.當基坑外回灌系統開啟后，地下水位逐漸上升，基坑周邊建筑物的沉降速率逐漸下降到-0.40 mm.d-1，基坑底部封底后，沉降速率逐漸穩定在-0.20 mm.d-1，但前期降水階段產生的沉降并不能恢復.

綜上所述，基坑降水開挖過程中，運用回灌系統對周邊地下水進行補充，可以有效減緩周邊建筑物的沉降速率，同時對敏感建筑物周邊的基坑工程應謹慎選擇降水措施.

4 回灌開啟時間對周圍環境的影響

通過基坑中部工區的降水回灌試驗可知，對于降水引起的土體沉降，回灌并不能將已經發生的塑性沉降恢復，僅能減慢基坑降水過程中土體沉降速率.因此，本次試驗設置了先抽后灌、同抽同灌、先灌后抽等三種工況，進一步分析回灌系統開啟時間對地下水位及地表沉降的影響規律，為類似工程施工中優化基坑降水施工策略提供理論支撐.

4.1 回灌時間對地下水位影響分析

為了揭示回灌開啟時間對地下水位的影響規律，分別選取基坑A區、B區、C區的三個典型監測點的監測數據，繪制不同回灌時間下地下水位變化時程曲線如圖7所示.

圖7 不同回灌時間下地下水位變化時程曲線

根據圖7可知，采用先抽后灌方案時基坑周邊地下水位發生顯著下降，而后逐漸回升，直至穩定在原始地下水位附近；采用先灌后抽方案時基坑周邊地下水位發生顯著抬升，而后逐漸回落，直至穩定在原始地下水位附近.因此不同回灌開啟時間下僅在有限時間內對地下水位有所影響，降水回灌系統運行穩定后，地下水位受回灌開啟時間的影響較小.

4.2 回灌時間對地表沉降影響分析

選取基坑A區、B區、C區的三個典型監測點數據，繪制地表累積沉降變化時程曲線如圖8所示.采用先抽后灌方案時，基坑周圍地表發生顯著下降，回灌開啟后地表沉降發生小幅度抬升，但無法對已經造成的塑性沉降產生影響；采用先灌后抽方案時，基坑周邊地表發生明顯隆起，隨著抽水系統開啟地表隆起量逐漸下降；對比基坑降水回灌穩定后的地表沉降值可知，地表沉降量與回灌開啟時間關系密切，同抽同灌條件下的地表沉降值最小.

圖8 不同回灌時間下地表累積沉降變化時程曲線

5 結論

針對沿海深厚富水復雜地層開展了基坑降水回灌試驗，分析了基坑降水回灌過程中地下水位、地表沉降和鄰近建筑物沉降等基本規律，從而證明基坑降水回灌技術在廣州地區的適用性及合理性，主要得到以下結論：

(1)深厚富水復雜地層開挖降水會引起地層應力釋放及地下水滲流，進而導致基坑周邊地下水位下降及地表沉降，故深厚富水地層基坑圍護結構宜進入穩定不透水層或者巖層；回灌系統開啟后，地下水得到補充而逐漸回升，基坑降水引起的地下水位累計沉降的平均值為1.6 m，接近并小于一級基坑水位累計沉降預警值2.0 m，說明了基坑降水回灌技術在廣州地區的適用性及合理性；

(2)基坑降水回灌試驗過程中，當基坑內抽水系統開啟后，基坑周邊建筑物發生大幅度沉降，當基坑外回灌系統開啟后，基坑周邊建筑物的沉降速率逐漸下降且逐漸穩定，但前期降水階段產生的沉降不能恢復，故鄰近敏感建筑物的基坑工程應謹慎選擇降水措施；

(3)對比分析先抽后灌、同抽同灌、先灌后抽等三種工況下地下水位及地表沉降情況，回灌開啟時間與地表最終沉降量呈明顯的相關性，其中同抽同灌技術在深厚富水復雜地層基坑開挖降水工程中的安全控制優勢更為顯著.