时绍玮，朱庆川，徐　冬

城市建设基坑降水引发地面沉降的影响研究

时绍玮，朱庆川，徐冬

（天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061）

由于基坑降水引起地面沉降的范围较远，往往能达到墙后5～10倍基坑开挖深度的距离，而实际基坑工程坑外沉降的测点往往布置在墙后1～4倍基坑开挖深度的距离，因此难以全面获得不同类型基坑降水对地面沉降的影响范围。此次利用有限差分软件Modflow建立三维地下水渗流模型，研究不同开挖深度（5～25 m）的基坑降水对地面沉降的影响范围，并探讨不同止水帷幕截断方式工况下坑内降水后坑外水位及地面沉降随时间发展关系。

基坑；沉降；范围；发展；关系

随着城市发展速度与建设规模的不断加大，特别是市政工程和高层建筑的大量兴建，导致城市地下空间被广泛利用，随之产生深基坑工程数量骤增，建筑基坑规模和深度也随之加大，基坑降水量不断攀升。研究成果表明，天津市建筑密集区基坑降水引发地面沉降的贡献率已经占到地面沉降总量的16％左右，但是由于基坑降水引发地面沉降在天津发生的历史较短，导致对基坑降水过程中进行回灌所采用的方式方法及相关技术要求的研究起步较晚，学者对其发生、发展及影响范围的规律研究不深，管理上缺乏有力的科研依据。因此，笔者以典型基坑工程为案例，探讨不同深度及不同截断方式的基坑降水对地面沉降的影响范围及发展关系，为进一步制定行之有效的管理措施提供科学依据。

1　有限差分模型建立及验证

首先依托天津文化中心站抽水试验对数值模型进行校核。试验流程，见表1。其中，W2、W3分别为第一、二承压含水层降压井；P2-1—P2-3、P3-1—P3-3分别为第一、二承压含水层水位观测井；DCCJ01—DCCJ10为地面沉降监测点，为了保护测点，将其布置在地表下2 m；分层沉降监测点和分层孔压监测点分别布置4组，每组包括3个位置接近的测孔，如FCCJ1-1—FCCJ1-3、KXS1-1—KXS1-3，其埋置深度分别为4、8、12 m。

表1　抽水试验流程

根据土层分布，建立了三维地下水渗流数值模型，模型参数见表2。分别对W2井、W3井抽水试验进行数值模拟，并分别将计算的观测井P2-1—P2-3 及P3-2—P3-3的水位降深与现场抽水试验的观测井降深作对比，如图1—2所示。

表2　模型土层分布及渗透系数

图1　W2抽水试验过程中观测井P2-1—P2-3的水位降深计算值与实测值对比

图2　W3抽水试验过程中观测井P3-2—P3-3的水位降深计算值与实测值对比

由图1—2可以看出，建立的三维地下水渗流数值模型可以反映实际场地土层特性，因而用该模型来研究基坑降水引发沉降的范围。

2　沉降影响范围

2.1基坑深度5及10 m

基于验证过的数值模型，通过对不同开挖深度（5、10 m）的基坑分别进行模拟，通过对截断第一承压含水层的程度来控制沉降的影响范围，从而对地下支护结构设计方案进行优化。截断方式有3种，即工况1：未对第一承压含水层进行处理；工况2：截断第一承压含水层总厚度的1/2；工况3：对第一承压含水层全部截断。

经计算，结果如下：

（1）开挖深度5 m的基坑。用验证后的模型，降深满足深度为5 m的基坑，对3种截断方案均进行了模拟。由于开挖深度较浅，经过抗凸涌计算，基坑施工过程中并不需要对第一承压含水层进行减压处理。但发现第一承压含水层是否截断对基坑外沉降影响较小，基坑外最大沉降未超过0.5 mm。沉降等值线，如图3所示。

图3　开挖深度5 m的基坑工况1降水完成后180 d沉降

（2）开挖深度10 m的基坑。同上，由于开挖深度较浅，所以在基坑施工过程中并不需要对第一承压含水层进行减压处理。但发现第一承压含水层是否截断对基坑外沉降影响较小，基坑外最大沉降未超过0.5 mm。沉降等值线，如图4所示。

图4　开挖深度10 m的基坑工况1降水完成后180 d沉降

2.2基坑深度15、20及25 m

基于验证过的数值模型，通过对不同开挖深度（15、20、25 m）的基坑分别进行模拟，通过对截断第二承压含水层的程度来控制沉降的影响范围，从而对地下支护结构设计方案进行优化。截断方式有5种，即工况1：未对第二承压含水层进行处理；工况2：截断第二承压含水层总厚度的1/4；工况3：截断第二承压含水层总厚度的1/2；工况4：截断第二承压含水层总厚度的3/4；工况5：对第二承压含水层全部截断。

（1）开挖深度15 m的基坑。用验证后的模型，降深满足深度为15 m的基坑，对5种截断方案均进行了模拟。由于开挖深度较浅，所以在基坑施工过程中并不需要对第二承压含水层进行减压处理。但发现第二承压含水层是否截断对基坑外沉降影响较小，基坑外最大沉降未超过3 mm。沉降等值线，如图5所示。

图5　开挖深度15 m的基坑工况1降水完成后180 d沉降

（2）开挖深度20 m的基坑，4个工况下，基坑外沉降等值线如图6—9所示。

图6　开挖深度20 m的基坑工况1降水完成后180 d沉降

图7　开挖深度20 m的基坑工况2降水完成后180 d沉降

图8　开挖深度20 m的基坑工况3降水完成后180 d沉降

图9　开挖深度20 m的基坑工况4降水完成后180 d沉降

（3）开挖深度25 m的基坑。当未对第二承压含水层进行处理时，基坑外沉降严重，且影响范围较大，基坑外沉降最大值40 mm，180 d沉降等值线如图10—14所示。

图10　开挖深度25 m的基坑工况1降水完成后180 d沉降

图11　开挖深度25 m的基坑工况2降水完成后180 d沉降

图12　开挖深度25 m的基坑工况3降水完成后180 d沉降

图13　开挖深度25 m的基坑工况4降水完成后180 d沉降

图14　开挖深度25 m的基坑工况5降水完成后180 d沉降

基于地下连续墙对第二承压含水层的的截断方式的不同，来控制基坑周边地表沉降。将地表沉降分为10、20、30、40 mm 4条等值线，研究基坑中部地连墙与4条等值线距离，得出地面沉降影响范围，从而提出墙深控制指标，如图15所示。统计计算结果，见表3—6。

图15　基坑周围地表沉降等值线与基坑距离示意

表3　地连墙中点与10 mm等值线距离m

表4　地连墙中点与20 mm等值线距离m

表5　地连墙中点与30 mm等值线距离m

表6　地连墙中点与40 mm等值线距离m

经过上文计算，可以得到15～25 m深度基坑在不同止水帷幕深度的工况下10、20、30、40 mm沉降的影响范围，从而根据不同需要进行止水帷幕优化设计。此外，对于基坑开挖深度为5、10 m的基坑，由于基坑开挖深度相对较小且坑底距离天津市区稳定第一承压含水层层顶距离较大（一般约10 m），故一般不需对第一承压含水层进行降压处理，基坑降水引起的坑外地面沉降范围很小（在止水帷幕不发生渗漏的条件下）。

3　地面沉降发展过程

基于上文数值模型，以25 m深基坑为例，探讨5种不同止水帷幕截断方式工况下坑内降水后坑外水位及地面沉降随时间发展关系，选取坑外距离地连墙中点约10 m位置进行分析。图16为地面沉降时程曲线，图17为坑外承压层水位变化时程曲线，图18为坑外承压层上覆弱透水层水位变化时程曲线。

由图16可以看出，地面沉降在降水开始后10～20d发展较快，且能完成最终沉降的75％以上，而由于承压层上弱透水层及潜水层中渗透性较差土层的存在，地面沉降在所计算的180 d后仍未稳定，尤其是止水帷幕没有截断承压层的各工况。

图16　深25 m基坑不同工况下沉降随时间变化曲线

图17　深25 m基坑不同工况下承压水位随时间变化曲线

图18　深25 m基坑不同工况下承压层上覆弱透水层水位随时间变化曲线

4　结论

（1）对于开挖深度为5、10 m的基坑，由于基坑开挖深度相对较小且坑底距离第一承压含水层层顶距离较大（一般约10 m），一般不需对第一承压含水层进行降压处理，基坑降水引起的坑外地面沉降范围很小（在止水帷幕不发生渗漏的条件下）。

（2）深15 m基坑由于不需要对第二承压含水层进行减压，所以基坑降水并不会引发该含水层水位明显下降，第二承压含水层是否截断对坑外地表沉降影响较小。

（3）深20 m基坑需要对第二承压含水层进行减压，加深止水帷幕深度会增加地下水渗流路径，从而改变地下水渗流，减小坑外土体沉降。

对于10 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～42 m；对于20 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～10 m；而不论基坑止水帷幕是否截断第二承压含水层，深20 m基坑满足降压要求后，基本不会出现坑外30 mm的沉降。具体情况，见表3—6。

此外，当止水帷幕截断50％以上时，10 mm沉降影响范围有明显“收缩”，当止水帷幕截断75％以上可将10 mm沉降控制在距离基坑10 m以内。具体情况，见表3—6。

（4）深25 m基坑开挖较深，如地下连续墙未截断第二承压含水层，为防止坑底凸涌，需对该含水层进行减压处理，由于降深较大，坑外地表会出现较大沉降（约40 mm）。

对于10 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～140 m；对于20 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～88 m；对于30 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～46 m；对于40 mm的沉降影响范围，根据基坑止水帷幕深度的不同，该范围介于0～10 m。具体情况，见表3—6。

此外，对于10 mm的沉降影响范围，增加止水帷幕深度对其影响不大，如果周围建筑对沉降敏感，沉降需要控制在10 mm以内时，建议将第二承压含水层截断；对于20 mm的沉降影响范围，止水帷幕截断50％以上时，其沉降影响范围有明显“收缩”；对于30 mm的沉降影响范围，止水帷幕截断25％以上时，其沉降影响范围有明显“收缩”。具体情况，见表3—6。

（5）基坑降水后，地面沉降在降水开始后10～20 d发展较快且能完成最终沉降的75％以上，而由于承压含水层上弱透水层及潜水层中渗透性较差土层的存在，地面沉降在较长时间内仍不能稳定，尤其是止水帷幕没有截断承压层的工况。

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1004-7328（2016）04-0045-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.015

2016—03—15

时绍玮（1983—），女，工程师，主要从事地面沉降控制与管理工作。