群井抽水造成的地面沉降研究

韓 勇，焦志亮，李圃林 ，李 軍，馮士倫，3

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津300074;2.天津市勘察院，天津300191;3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津300072)

1 引言

隨著沿海城市建設(shè)的高速發(fā)展，各類用途的地下空間不斷出現(xiàn)，造成了大量的基坑開挖，且規(guī)模和深度不斷加大。沿海城市深大基坑工程由于地下水位高，基坑開挖時(shí)必須進(jìn)行降水，而基坑降水往往造成基坑周邊土體的豎向沉降變形，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。所以在基坑開挖前進(jìn)行抽水試驗(yàn)來(lái)實(shí)測(cè)降低地下水位對(duì)地面沉降的影響程度，分析其影響因素，進(jìn)而確定降水方案，指導(dǎo)基坑施工，具有非常重要的意義。許多學(xué)者通過(guò)抽水試驗(yàn)得到了很多有意義的科研成果。

劉穎［1］以天津站交通樞紐工程的抽水試驗(yàn)為例，通過(guò)對(duì)抽水試驗(yàn)過(guò)程的地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)地面沉降機(jī)理進(jìn)行了探討。仵彥卿［2］等人通過(guò)對(duì)抽水引起周圍地面沉降的機(jī)理分析，提出了分析抽水引起地下水水頭壓力變化、含水層顆粒遷移、含水層壓縮和水體的膨脹的地下水運(yùn)動(dòng)方程。唐益群［3］等人通過(guò)研究某地鐵車站開挖前(基坑開挖深度達(dá)28m)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出地面沉降變化明顯受分層沉降影響。第七承壓層彈性釋水一貯水過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，影響著地層沉降一回彈變化，且總體呈下降趨勢(shì)。黎藝明［4］等人針對(duì)天津市某地鐵車站群井抽水試驗(yàn)及地面沉降進(jìn)行分析，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工及風(fēng)險(xiǎn)控制提供了依據(jù)。

本文以天津市濱海新區(qū)某大型地鐵樞紐站的抽水試驗(yàn)為背景，對(duì)該項(xiàng)目的抽水試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，以便為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒的依據(jù)。

2 場(chǎng)地概況

抽水試驗(yàn)場(chǎng)地地貌單元屬堆積平原區(qū)中的海積－沖積低平原，類型單一。擬建大型地鐵樞紐站開挖深達(dá)24m。場(chǎng)地的水文地質(zhì)特征見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)特征表

3 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照根據(jù)基坑開挖排水要求，群井抽水試驗(yàn)過(guò)程中第一微承壓水的水頭埋深應(yīng)降至不小于地面下24m，降壓時(shí)間不少于15d，同時(shí)觀測(cè)降壓井周邊一定范圍內(nèi)的地面沉降和水位變化，直至地面沉降基本穩(wěn)定，并根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)估降壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

試驗(yàn)群井中心范圍布置承壓含水層水位和潛水水位觀測(cè)井，以獲得承壓水頭坡降情況。為了解不同土層在抽水過(guò)程中的水位變化，設(shè)置在不同土層中的觀測(cè)井均應(yīng)采取措施與其它層隔離，確保觀測(cè)井準(zhǔn)確反映所觀測(cè)層的水位變化情況。除部分微承壓水觀測(cè)井設(shè)置在試驗(yàn)區(qū)外，其余土層水位觀測(cè)井均設(shè)置在試驗(yàn)井包圍的區(qū)域。井位平面布置見(jiàn)圖1。

為了解基坑降壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)地面的沉降觀測(cè)，試驗(yàn)區(qū)布置地面沉降觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)(觀測(cè)范圍90m×90m，觀測(cè)點(diǎn)間距不大于10m)，以反映降壓抽水試驗(yàn)期間的地面沉降情況。群井抽水試驗(yàn)沉降點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖2，共布置133處沉降測(cè)點(diǎn)。在抽水試驗(yàn)前，埋設(shè)沉降標(biāo)，并觀測(cè)得初始值，抽水試驗(yàn)開始后，每天觀測(cè)一次。

圖1 井位平面布置示意圖

圖2 群井抽水試驗(yàn)沉降點(diǎn)分布示意圖

4 地面沉降分析

由群井抽水試驗(yàn)引起的地表累計(jì)沉降最大點(diǎn)為41點(diǎn)(見(jiàn)圖2正中間)，累計(jì)沉降為23.8mm。累計(jì)沉降最小點(diǎn)為X－60點(diǎn)(見(jiàn)圖2左下角)，累計(jì)沉降為2.0mm。沉降值詳見(jiàn)圖3。

各沉降點(diǎn)平面沉降變化規(guī)律詳見(jiàn)沉降等值線圖4，三維立體分布規(guī)律詳見(jiàn)圖5(圖中8為沉降標(biāo)，其上部數(shù)字為群井抽水試驗(yàn)引起的累計(jì)沉降量，單位:mm)。

圖3 群井抽水試驗(yàn)引起的各沉降觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量圖

圖4 群井抽水試驗(yàn)引起的各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降等值線圖

圖5 群井抽水試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降三維立體圖

從觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，群井抽水試驗(yàn)對(duì)地面沉降影響較大，抽水結(jié)束時(shí)各點(diǎn)平均累計(jì)沉降量為9.1mm，試驗(yàn)井所圍范圍內(nèi)(特別是試驗(yàn)區(qū)中心部位)累積沉降量相對(duì)較大，介于 13.2 ～23.8mm，平均 18.60mm。沉降點(diǎn)離抽水井越遠(yuǎn)，其累積沉降越小，沉降點(diǎn)離中心抽水井越近，其沉降越大，基坑降水過(guò)程使場(chǎng)區(qū)水位明顯形成水位下降漏斗。在三周的抽水試驗(yàn)期間，未出現(xiàn)過(guò)抽水井被抽干的情況，說(shuō)明此層微承壓含水層水量豐富，施工期間需密切關(guān)注。

5 結(jié)語(yǔ)

本基坑工程開挖深度達(dá)24.0m，基坑降水過(guò)程使場(chǎng)區(qū)水位明顯形成水位下降漏斗，基本與開采量呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)也引起周圍地層中的水頭下降。水頭下降降低了土層中的孔隙水壓力，一部分原來(lái)由水所承擔(dān)的上覆自重壓力施加到土骨架上，引起有效應(yīng)力增加，使土層壓密，產(chǎn)生地面沉降。在三周的抽水試驗(yàn)期間，群井抽水試驗(yàn)對(duì)地面沉降影響很大，抽水結(jié)束時(shí)各點(diǎn)平均累計(jì)沉降量為9.1mm，試驗(yàn)井所圍范圍內(nèi)沉降量相對(duì)較大，介于13.2～23.8mm，平均18.60mm，所以基坑降水開挖期間，需要控制單井的抽水量，盡量減少抽水對(duì)周邊地面的影響。

［1］劉 穎.天津站交通樞紐工程抽水引起的地面變形研究［J］.天津建設(shè)科技，2007(1):27～28.

［2］仵彥卿，張建山，李 哲.基坑抽水引起周圍地面沉降機(jī)理及防治措施［J］.巖土力學(xué)，2005，26(10):111 ～112.

［3］唐益群，趙陳鵬，朱雁飛，等.地鐵車站抽水試驗(yàn)引起的地面沉降效應(yīng)分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007(15):277～278.

［4］黎藝明，韋文慧，李 才.群井抽水試驗(yàn)及地面沉降分析在天津某地鐵車站中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2011(11):93～95.