王中伟,王钰捷

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010 )

随着城市建设迅猛发展，临江临河建(构)筑物越来越多，受江河岸边场地所限，需要建成很多临江超深地下工程，这就出现了很多临江超深基坑工程。如武汉长航中心大厦基坑面积31 000 m2，开挖深度29.0 m，围护结构地连墙+水平撑，坑内降水井深45.0 m，距离汉口长江干堤约50.0 m；上海市国际金融中心基坑面积48 860 m2，开挖深度26.5～33.1 m；武汉绿地中心(636 m)基坑面积约36 000 m2，开挖深度27.0～34.0 m，距离武昌长江干堤约100.0 m；江苏润扬长江大桥北锚碇基坑平面70.0 m×53.0 m，最大开挖深度50.0 m，两道封水墙，距长江堤约87.0 m；南京长江四桥南锚碇基坑平面呈“∞”型双圆，直径53.0 m，开挖深度41.8 m，距长江堤约90.0 m；武汉阳逻长江大桥南锚碇圆形基坑，直径70.0 m，开挖深度45.5 m，两道封水墙，距长江武惠堤约110.0 m。与一般地下超深基坑工程不同，临江超深基坑与江河水力联系密切，施工过程中容易受到江河洪水影响及防汛干扰，为了保证超深超大地下工程能在干燥环境下施工，超深基坑开挖时，时常需要降水等措施，而基坑降水又会引起堤基沉降，影响江河防洪安全，若降水控制不当，可能会破坏防洪工程功能，严重时造成防洪事故[1-4]。如何通过分析计算预测基坑降水引起的堤防沉降及其对防洪安全的影响，是很多临江超深地下工程建设中常遇到的技术难题，也是水利防汛主管部门十分关心的问题，本文结合多个临长江超深基坑工程降水实践，分析基坑降水影响堤基沉降因素，探讨降水引起堤基沉降量的预测方法，提出减少堤基沉降的工程措施以及工程措施在临江超深基坑工程降水实践中应用效果[5]。

1 临江超深基坑降水与防洪关系

基坑是为满足建(构)筑物施工而形成的地下作业空间，在河道管理范围内基坑认为是临江基坑，一般坑深5.0～20.0 m为深基坑，超过20.0 m 为超深基坑。为了给地下工程创造安全、舒适、干燥的施工环境或施工条件，在临江超深基坑正常使用期内，需要降低作业区的地下水位。防洪是根据洪水规律与洪灾特点，研究并采取防洪对策和措施(包括工程措施和非工程措施)，减轻洪水灾害，保障社会稳定和经济发展。工程措施主要是为控制、防御洪水以减免洪灾损失所修建的工程，如堤防、护岸等工程。

临江超深基坑与江河水力联系密切，受江河洪水涨落影响，而基坑降水又直接影响堤防工程安全，两者相互影响。基坑降水引起的堤基沉降是影响堤防安全的重要指标，总沉降量太大会影响到堤顶安全超高，不均匀沉降可能会引起堤防结构开裂，隐蔽且不易发现，在江河高洪水位容易形成堤防管涌通道。

2 影响堤防沉降量预测因素分析

临江超深基坑降水引起堤基沉降量的影响因素很多，包括降水影响范围内堤基地质条件、降水深度、降水点与堤间距离、降水历时等因素。

2.1 地质条件

降水引起堤基沉降与堤基土层结构密切相关。长江中下游地区地层大多呈二元结构，上部以黏性土为主，下部以砂性土居多，砂性土中一般有承压水或微承压水。对砂性土，降水前颗粒孔隙间充满自由水，形成孔隙水压力，应力主要由孔隙水传递，降水后砂土中孔隙水排出，砂颗粒骨架承担更多有效应力，颗粒间压得更紧密而引起地基沉降变形。砂土渗透系数大，降水快，漏斗影响范围大，黏性土渗透系数小，孔隙水压力消散过程相对比较缓慢，与降水井水位变化存在明显滞后，降水漏斗影响范围也小，堤基下层砂土水位降低后，黏土层中孔隙水在重力作用下向砂土渗流，加快黏性土层的孔隙水消散，也加快堤基黏性土固结沉降[6]。

2.2 降水深度

基坑降水引起堤基沉降与降水深度有直接关系，降水越深，堤基沉降范围和沉降量越大。一般堤基随江河枯洪水位变化引起的沉降已趋于稳定，所以临江浅基坑降水或浅表排水引起堤基沉降量较小，而当超深基坑需要深层降水且降水浸润线低于江河枯水位以下时，引起的堤基沉降量较大，对防洪工程影响也大，应尽量避免深层降水或采取工程措施减少深层降水影响。

2.3 降水影响范围

实测经验资料也表明，基坑降水影响范围一般黏性土层约为(2～4)H(H为降水深度)，砂性土层约为(8～12)H。因此临江超深基坑施工过程中应控制降水深度，减小降水影响范围，或者降水点尽量远离堤防，从而减少降水对堤防堤基影响[7-9]。

2.4 堤基水位下降深度

堤基附近地下水位下降是引起堤基沉降的关键因素，对于长江中下游地区呈二元结构地层，其降水过程形成的漏斗浸润线(至堤基方向)非单一曲线。其形成过程为先抽降砂层承压水向无压井流动，砂层无压地下水范围扩大，然后黏土层中孔隙水在重力作用下向砂层及降水井中缓慢消散，达到稳定漏斗浸润线时地下水位下降值ΔH可按无压段ΔH1和有压段ΔH2分别计算，如式(1)～式(2)[10]。

无压段堤基地下水位下降值：

(1)

有压段堤基地下水位下降值：

(2)

式中：k为含水土层渗透系数;M为承压含水层厚度；Q为流量；其他符号见图1。

图1 基坑降水与防洪工程关系

3 基坑降水引起堤防沉降预测

降水引起周边地面沉降原因之一是地下水位变动区土体容重发生变化(浮容重变成饱和容重或湿容重)，导致堤基土压缩而引起堤基沉降，二是降水过程中水体含泥砂量过大，导致土层细颗粒流失而引起地基塌陷沉降。临江超深基坑降水要严格控制含沙量，防止堤基细颗粒流失，下面主要探讨地下水位变动而引起堤基沉降预测方法[11]。

3.1 边界条件

预测主要边界条件：(1)堤身荷载引起的堤基沉降已固结完成。(2)不考虑降水过程中堤基土流失而产生的堤基沉降。(3)堤基变形仅竖向压密变形，压缩系数和渗透系数等为常数。(4)每个降水井影响范围为圆柱体。

3.2 堤基最终沉降量预测方法

地基最终沉降量理论计算公式较多，临江基坑降水引起的堤基沉降量可以采用分层总和法计算，即堤基某点总沉降量等于该点处各土层沉降的总和如式(3)。

(3)

式中:S∞为最终沉降量;ai为土层压缩系数;e0i为土层原始孔隙比；hi为计算土层厚度;Δpi为降水产生的附加应力, Δpi=ΔHiγw,γw为水容重。

3.3 降水期堤基沉降量预测方法

基坑降水是临时施工措施，其降水时间的长短，直接影响堤基沉降量，降水时段越长，沉降量愈大。类似砂井抽水地基固结过程，基坑降水引起的地基沉降也是土体中孔隙水排出(消散)固结过程，与排水时间、渗透系数等有关，当水平渗透系数和竖向渗透系数不等时，固结微分方程如式(4)：

(4)

式中：U为固结度；t为固结时间；z为沉降计算深度；Cv为竖向固结系数；Ch为径向固结系数。

为了求解方便，A.B.Newman和N.Garrillo将上式分为竖向固结和径向固结两个微分方程，采用分离变量法求解，分别计算竖向和径向排水平均固结度。

降水期总固结度如式(5)

Ut=1-(1-Ur)(1-Uz)

(5)

式中：Uz为竖向排水平均固结度；Ur为径向排水平均固结度。

关于各种排水条件下土层平均总固结度的理论解也可参考曾国熙指数曲线配合法，即式(6):

Ut=1-αe-β t

(6)

式中：参数α、β可参见相关文献资料[1]。从式中可以看出，降水历时与堤基土层固结程度有关，直接影响堤基沉降量。

临江超深基坑降水过程中沉降量比堤基最终沉降量小，当基坑停止降水后，其地下水位逐渐恢复，相应堤基沉降会停止(实测资料表明，地下水位恢复后堤基还会有少量回弹)，因此临江超深基坑降水需要合理安排工期，尽量减少降水时间。降水期堤基沉降量为式(7)：

St=Ut×S∞

(7)

式中:St为基坑降水期引起的堤基沉降量，Ut降水期间土层平均固结度，S∞为基坑降水引起的堤基最终沉降量。实际工程中基坑降水深度是随基坑开挖需要逐渐加深的过程，按上述公式计算的堤基沉降量略偏大，

3.4 降水期堤基不均匀沉降预测

堤防工程为长线状，临江超深基坑降水呈点状(基坑降水与堤基沉降平面关系见图2)。一般超深基坑降水点离堤越近，引起堤基沉降量越大，最大沉降量在堤防垂直点处，然后沿堤轴逐渐减少，这样会引起堤基不均匀沉降。

图2 基坑降水与堤基沉降平面关系

堤轴线上任意点沉降量变化差为ΔSt=St1-St2。若计算土层性质和厚度相同时，任意两点堤基沉降量St1、St2可近似认为仅与两点离基坑距离R1、R2有关。

3.5 工程实例分析

长江中下游地区某长江大桥锚碇超深基坑，矩形69.0 m×58.0 m，基底标高-48.5 m，场区地层呈典型二元结构，黏土层厚度约12.0 m，以亚黏土、淤泥质亚黏土为主，下部为深厚砂性土层，厚度超过40.0 m，以粉细砂、中粗砂为主，渗透系数2.31×10-2cm/s，施工期基坑需要降水，降水管井深33.0 m，滤管直径0.325 m，设计单井出水量80 m3/h，共布置28口降水井，降水井距长江堤防最近点79.0 m，基坑降水历时70 d，降水最深时段31 d，降水引起基坑周边地面沉降，沉降量预测和实测值如表1[12-14]。

表1 基坑降水引起周边沉降量预测值与实测值

从工程预测和实测沉降量分析，基坑深层降水对周边环境有影响，引起堤防最大沉降(S∞)预测值达55.0 mm，降水期对堤防影响范围约170.0 m；从数值看，堤防沉降量与降水历时有关，降水时间短，引起堤防沉降量小。降水后期，为了减少降水对长江堤防影响，在距长江堤防内脚约30.0 m处设置悬挂式挡水帷幕和回灌井，对减少堤防沉降量有效果。

4 减少基坑降水引起堤基沉降的工程措施

减少基坑降水引起堤基沉降的关键是减少堤基地下水位下降幅度，结合近年来临江超深基坑降水实践经验及效果，可以采用以下几种工程措施[15]。

4.1 防渗隔渗墙

在降水基坑与防洪堤间设置隔渗墙，截断或部分截断降水井与堤防侧地下水联系。工程实践中，江苏润扬长江大桥北锚碇采用双排高压旋喷桩全封闭隔渗墙，隔渗墙深接近60.0 m，基坑开挖深度约50.0 m，基坑与隔渗墙间距15.0 m，两墙间降水深度20.0 m，减少墙外地面沉降效果较明显；武汉阳逻长江公路大桥南锚碇采用圆形自凝灰浆全封闭隔渗墙，墙厚0.8 m，墙距基坑约10.0 m，隔渗墙进入基岩下1.0 m，监测表明，引起附近长江武惠堤沉降量在6.0 mm内；武汉长江航运中心大厦地下基坑，坑外设置TRD隔渗墙后，降水引起附近堤防沉降可控，总之设置隔渗墙对减少基坑降水引起堤防沉降是有较好效果的。

4.2 适当回灌，减少堤基地下水变动幅度

在降水井与堤防之间合适位置，通过设置回灌系统，使堤基地下水位不因基坑降水而改变很大，通过该种方式可有效控制堤基总沉降量，相对措施费用也较全封闭隔渗墙低。在南京长江四桥北锚碇基坑降水过程中，启动回灌井方案后对减少基坑降水引起的堤防沉降量有一定效果。

4.3 封隔与回灌结合措施

若隔渗墙不能形成全封闭隔渗帷幕，可以采用封隔结合回灌方式。在降水井与堤防间合适位置设置平行堤线的隔渗墙，隔渗墙与堤脚间设置回灌井，减少堤基地下水位变化。采取封隔与回灌结合方式对减少基坑降水引起的堤基沉降较单一回灌方式效果好。

4.4 合理安排施工工序和进度，降低堤基变形量

降水深度和降水持续时间是降水引起堤基沉降变形大小的主要因素，如果能合理安排施工工序和施工进度，降低降水井启用时间，可以有效减少堤基的沉降量。比如施工过程中，根据基坑开挖需要合理控制降水井水位，不宜过早将地下水位降至基坑底板以下(一般降水深度动态控制在基坑开挖面以下0.5～1.0 m比较合适)，使基坑降水引起堤基地下水位变化时间缩短，也可有效减少堤基沉降。

4.5 严控降水井抽水含沙量

合理配置降水井滤料，严格执行降水井抽水技术要求，避免抽降水中含砂量超出标准范围(一般抽降水中含泥砂量控制在1/50 000～1/100 000)。防止基坑抽降水中含泥砂量过大，产生堤基土层细颗粒流失而引起堤基沉降变形。

5 结 语

临江超深基坑降水会引起堤基沉降。理论计算和工程实践表明：引起堤基沉降量大小与堤基周边土层性质、降水深度、降水离堤防距离、降水历时等关系密切。砂性土堤基渗透系数大，基坑降水形成的降水漏斗平缓，影响范围大，引起堤基地下水位下降快，因此基坑降水方案中应尽量不采用深层降水管井，抽降砂土深层地下水，必须采用时可以采取工程措施(如设置隔渗墙或回灌井等)，减少基坑降水引起的堤基地下水位下降幅度。黏性土堤基渗透系数小，基坑降水引起的孔隙水消散缓慢，降水历时短也可减少堤基总沉降量，基坑施工时需要合理安排工期，尽量缩短施工降水时间，另外基坑降水需要严格控制抽水含沙量，防止降水过程中堤基土流失而产生堤基沉降。