基坑施工降水引起基坑外土體沉降的研究

陳 浩（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046000）

地下空間開發是解決城市土地緊缺、交通擁堵和環境污染問題的有效手段，而基坑工程是地下空間開發的重要先導條件，在建筑物地下空間建設中發揮了至關重要的作用[1]。隨著地下空間開發的日益復雜，且向地表深處開拓，基坑工程的開挖也呈現出“深、大、難、緊、水”等特點，基坑工程作為集成地質、巖土、結構和測試為一體的系統工程，保障基坑開挖過程中擋土結構的安全穩定、周邊土體的變形沉降控制良好、對周邊環境的影響程度最低是最為重要的研究內容[2-3]。其中，為了保證基坑內開挖時提供一個無水的作業環境，需對地下水進行抽排，隨之而來的是由于降水導致的地表沉降問題，特別是在緊鄰建筑或地下管線條件下，地表沉降的控制往往是影響基坑施工進度和施工成本的重要因素[4]。

1 工程概況

山西省長治市某高層建筑基坑工程大致呈長方形，東西向長度為140m，南北向平均寬度為85m，基坑周邊長度為450m。基坑支護分為2 個支護單元，一個為混凝土內支撐單元，基坑開挖深度為17.3m；另一個為樁錨支護單元，基坑開挖深度為13.5m，整個基坑平面面積為10540m2，開挖土方量約15 萬m3。基坑周邊環境復雜，北側、南側和西側為現有城市主干道，交通繁忙，東側為既有幕墻式商業高層辦公樓，距離基坑邊線為5m，基坑側壁安全等級為一級，基坑結構重要性系數為1.1。基坑開挖前，場地已經過平整，地基土以粉質黏土、細砂和中砂為主，基坑開挖及其影響范圍內的各地基土工程地質條件如表1 所示。從表1 中可以看出，場區中存在2 層深厚的透水砂層，分別為③細砂和⑤中砂層，在基坑開挖過程中，砂層的抽降水是引起地表土體沉降的主要因素，而基坑周邊存在近距離的高層建筑以及城市主干道，為此在基坑施作的過程中采取了降水-沉降專項研究方案，分析基坑降水施工對地表土體的影響。

表1 基坑開挖及其影響范圍內的各地基土工程地質條件

2 施工降水過程分析

場區地下水為第四系松散層孔隙水，主要賦存于粉土及砂土層中，受大氣降水控制，年度變化規律為6～9 月份水位較高，其他月份相對較低，年變化幅度一般在2m～3m 左右。基坑影響深度范圍內測得2 層地下水，地下水類型為層間潛水。第1 層靜止水位埋深為13.56m～14.13m，靜止水位標高為22.26m～22.94m，含水層為③層細砂；第2 層靜止水位埋深為21.30m～23.70m，靜止水位標高為12.64m～15.20m；含水層為⑤層中砂。如圖1所示，西側支護單元的基坑開挖深度為17.3m，東側支護單元的基坑開挖深度為13.5m，2 個支護單元的降水深度均應在開挖面以下0.5m，基坑內布置降水井共28口，在東西向上降水井間隔為18m，南北向降水井間隔為17m，降水井的深度為30m，對③細砂和④中砂進行抽排水，降水井的直徑為350mm，井內伸入直徑168mm、厚度6mm 的無縫鋼管。降水過程中對周邊土體進行沉降觀測，沉降觀測點的布置如圖1 所示，圖中監測點僅示了距離基坑邊線1m處地表沉降監測傳感器，除CJ05監測點外，實際上在每個監測點位置均沿著垂直基坑邊線法線方向布置了8 個沉降監測傳感器，沉降監測傳感器的布置距離分別為1m、2m、3m、4m、5m、8m、12m、15m。

圖1 基坑降水井平面布置以及周邊沉降監測點布置

為了研究基坑施工過程中，基坑外土體沉降演變規律，對基坑進行試抽降水，抽降水分為3 個水位降深階段，每個降水深度穩定時間均為16h，圖2為2個基坑支護單元的降水曲線。從圖2（a）中可以看出，西側支護單元第一次降水深度為水位降深17.8m，抽水流量4.16L/s，穩定時間16h，持續時間20h；第二次水位降深11.87m，抽水流量2.78L/s，穩定時間16h，持續時間20h；第三次位降深5.55m，抽水流量1.38L/s，穩定時間16h，持續時間20h。從圖2（b）中可以看出，東側支護單元第一次降水深度為水位降深14.05m，抽水流量8L/s，穩定時間16h，持續時間20h；第二次水位降深9.36m，抽水流量5.3L/s，穩定時間16h，持續時間20h；第三次位降深4.68m，抽水流量2.67L/s，穩定時間16h，持續時間20h。

圖2 2個基坑支護單元的降水曲線

根據抽水試驗裘布依公式，可以計算得到東西2個支護單元土層的滲透系數，裘布依公式計算方法如公式（1）所示，滲透系數計算結果如表2所示[5-7]。

表2 基坑降水分析結果

式中K為含水層滲透系數，m/d；Q為抽水井流量，m3/d；Sw為抽水井中水位降深，m；M為承壓含水層厚度，m；R為影響半徑m；rw為抽水井半徑，m。

3 基坑外土體沉降分析

3.1 基坑外土體沉降理論計算基本原理

在基坑工程中，理論計算基坑降水引起基坑外土體沉降的方法為分層總和法，即在降水漏斗曲線f（x）以上計算土壓力取土體天然重度，f（x）以下計算土壓力取土體飽和重度，降水漏斗曲線f（x）隨著降水的增加而不斷增加，由此引起的地層沉降可按公式（2）計算[8]。

式中n為總土層數量；Esi為第i層土的壓縮模量，MPa；hi為第i層土的厚度，m；f(x)以下為降水漏斗曲線；γw為水的重度，kg/m3。

公式（2）中的降水漏斗曲線與降水影響半徑和土體的滲透系數相關，其計算方法如公式（3）所示[8]。

式中Hw為基坑外原地面到降水井井水面高度，m；hw為降水井種水距離基坑底部高度，m；h為降水前地下水位到地表的垂直距離，m。

3.2 基坑外土體沉降理論計算與現場實測對比分析

圖3 和表3 為基坑施工降水引起基坑外土體不同距離處地表沉降理論值與實測值對比。從圖中可以看出，基坑外土體沉降的理論值與實測值變化規律大致相同，均在基坑邊線附近較小，而隨著距離的增加，土體的沉降呈非線性減小并趨于收斂，理論計算的地表沉降曲線與降水漏斗曲線形狀大致相同；與地表沉降理論值相比，不同觀測點得到的地表沉降值呈現不同程度的偏差，理論計算在距離基坑邊線5m范圍內對地表沉降的預測較為可靠，而在9m 之后，對地表沉降的預測值偏小，實際地表沉降值明顯比理論值大。由此表明，在實際基坑工程施工降水時，不僅要加強基坑內邊線附近的地表沉降觀測，也要適當擴大監測范圍，對1 倍基坑開挖深度范圍內的地表沉降或建筑物沉降進行觀測。

圖3 地表沉降理論值與實際值對比

表3 基坑外不同距離處地表沉降現場實測結果

4 結語

以山西省長治市某深大基坑工程為研究對象，運用現場降水試驗方法觀測了降水規律和計算了土體水文參數，并借助理論計算方法和現場地表沉降實測方法，研究了距離基坑不同距離處地表沉降的變化規律，得到以下幾個規律：

（1）對東西支護單元進行3 次抽水試驗，計算得到了西側支護單元的土體滲透系數范圍為1.276m/d～1.462m/d，東側支護單元的土體滲透系數范圍為1.459m/d～1.833m/d，并基于降水漏斗曲線提出地表沉降分層總和計算方法。

（2）基坑外土體沉降的理論值與實測值變化規律大致相同，均在基坑邊線附近較小，而隨著距離的增加，土體的沉降呈非線性減小并趨于收斂，理論計算的地表沉降曲線與降水漏斗曲線形狀大致相同。

（3）與地表沉降理論值相比，理論計算在距離基坑邊線5m 范圍內對地表沉降的預測較為可靠，而在9m之后，對地表沉降的預測值偏小，實際地表沉降值明顯比理論值大。