上海地鐵車(chē)站深基坑工程地面沉降防治實(shí)例分析

占光輝，何 曄，黃鑫磊

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072）

上海地鐵車(chē)站深基坑工程地面沉降防治實(shí)例分析

占光輝，何 曄，黃鑫磊

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072）

軟土地區(qū)深基坑工程施工中對(duì)地下水的降壓與疏排易引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。結(jié)合上海某地鐵車(chē)站深基坑降水工程，分析了設(shè)置隔水帷幕及進(jìn)行淺部含水層人工回灌等措施后的地面沉降動(dòng)態(tài)特征，探討了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水性與布設(shè)深度、人工回灌與信息化監(jiān)測(cè)等措施的技術(shù)要求與綜合應(yīng)用，以助于深基坑工程地面沉降防治。

環(huán)境地質(zhì)；地面沉降；深基坑施工；降水工程；沉降防治

隨著上海城市發(fā)展和對(duì)土地資源的需求，地下空間開(kāi)發(fā)利用的強(qiáng)度與規(guī)模日益提高[1]。由于上海為典型的三角洲沉積平原，與地下空間開(kāi)發(fā)密切相關(guān)的淺部地層主要以淺海相的粘性土和砂性土為主，具有高含水率、高壓縮性等特點(diǎn)，而且地下水位埋藏淺，因此地下空間的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中很容易引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[2,3]。

基坑工程是城市地下空間開(kāi)發(fā)中的重要方面，也必然要涉及地下水的降壓與疏排等問(wèn)題，其是引發(fā)基坑周邊地下水環(huán)境變化和不均勻沉降的主要因素之一[4～7]。

上海對(duì)地面沉降防治工作一直常抓不懈，近年來(lái)對(duì)工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降問(wèn)題高度重視。即將于2013年7月1日施行的《上海市地面沉降防治管理?xiàng)l例》，進(jìn)一步明確了深基坑工程地面沉降的防治管理[8]。

本文以上海某地鐵車(chē)站深基坑降水工程為例，分析地面沉降動(dòng)態(tài)特征，探討沉降防治措施及其應(yīng)用實(shí)效，以促進(jìn)深基坑工程地面沉降防治的技術(shù)交流與實(shí)踐進(jìn)步。

1 工程概況

上海某地鐵車(chē)站為地下二層12m寬的島式站臺(tái)，基坑總面積約4300m2，開(kāi)挖深度19.1～26.3m。采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置深度分別為30.8m與42.5m，將基坑分割為東區(qū)、換乘段、西區(qū)3個(gè)獨(dú)立施工區(qū)域。東區(qū)最大開(kāi)挖深度19.501m（底板標(biāo)高-15.541m），地下連續(xù)墻深度30.80m；西區(qū)最大開(kāi)挖深度19.116m（底板標(biāo)高-15.156m），地下連續(xù)墻深度30.80m；換乘段最大開(kāi)挖深度26.253m（底板標(biāo)高-22.293m），地下連續(xù)墻深度42.50m。

本工程基坑范圍內(nèi)淺部主要以粉土和粘土為主（圖1）；涉及的承壓含水層為⑦層第一承壓層，主要為粉砂和細(xì)砂土。據(jù)地層剖面可知：換乘段地下連續(xù)墻隔斷⑦層承壓含水層，而東區(qū)和西區(qū)地下連續(xù)墻均未能隔斷該含水層。

圖1 基坑平面示意及地層剖面Fig.1 The plan of foundation pit and stratum section

本工程對(duì)基坑底板的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，并作為減壓降水作業(yè)時(shí)控制承壓水位的依據(jù)。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，東區(qū)的安全承壓水頭埋深為12.93m（標(biāo)高-8.97m），設(shè)計(jì)水位降深6.16m；西區(qū)的安全承壓水頭埋深為11.97m（標(biāo)高-8.01m），設(shè)計(jì)水位降深5.20m；換乘段的安全承壓水頭埋深為24.89m（標(biāo)高-20.93m），設(shè)計(jì)水位降深18.12m。一般在前四道開(kāi)挖支撐時(shí)不需要降壓，而在第5道支撐至基坑底板需降壓。

工程采用分段施工，當(dāng)東區(qū)結(jié)構(gòu)施工至±0.00后施工西區(qū)，在西區(qū)結(jié)構(gòu)施工至±0.00后再施工換乘段。因此減壓降水分三個(gè)時(shí)段進(jìn)行，且之間都有一定的時(shí)間間隔。減壓降水持續(xù)時(shí)間分別為46天、66天和72天。

為掌握減壓降水期間的地面沉降動(dòng)態(tài)，在基坑周邊布設(shè)了總長(zhǎng)超過(guò)200m的監(jiān)測(cè)剖面。在東區(qū)基坑減壓降水期間采取了按需降水，但因地下連續(xù)墻沒(méi)有阻斷承壓含水層，基坑外承壓水位降深達(dá)3.7m，基坑總排水量超過(guò)2萬(wàn)m3。降水期間，距基坑超過(guò)200m的區(qū)域內(nèi)均有地面沉降，最大沉降量超過(guò)16mm，周邊路面和管線出現(xiàn)明顯不均勻沉降；施工影響范圍（3倍基坑開(kāi)挖深度）外的沉降量約4mm。距基坑100m范圍內(nèi)，北側(cè)沉降量明顯大于東側(cè)，說(shuō)明平行于條形基坑長(zhǎng)邊一側(cè)的沉降更為嚴(yán)重。

在距基坑約70m（3H以外區(qū)域）處設(shè)置了一組分層標(biāo)，用于監(jiān)測(cè)各特征土層的變形情況。最終地面沉降量為8.40mm，承壓含水層的壓縮量為2.09mm，占25%；降壓層上部粘性土層沉降量6.31mm，占75%。

2 地面沉降防治措施

2.1 淺層承壓水人工回灌

該工程在東區(qū)基坑減壓降水期間采取了人工回灌措施。為減少對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和降水作業(yè)的影響，回灌井布設(shè)在距基坑約40m處。回灌壓力維持在0.25MPa左右，日回灌量約250m3?；毓嗪蟪袎核谎杆偬?，在基坑與周邊環(huán)境之間形成了一道地下水分水嶺，回灌停止后水位迅速下降，可見(jiàn)其對(duì)承壓水位的影響顯著。

回灌期間地面整體表現(xiàn)為回彈，但發(fā)生回彈的地層只有承壓含水層，相鄰粘性土層沉降趨勢(shì)有所減緩，其它地層均無(wú)明顯變化。

2.2 隔水帷幕

本工程的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)也充當(dāng)隔水帷幕。東、西兩區(qū)開(kāi)挖深度接近，圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同；換乘段開(kāi)挖較深，設(shè)計(jì)承壓水降深超過(guò)18m，因此如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度與東、西區(qū)基坑相同，則減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響較大，因此設(shè)計(jì)單位增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度，使其進(jìn)入承壓含水層底板以下1m，基本阻斷承壓含水層。

隔水帷幕的設(shè)置，特別是阻斷含水層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際效果良好。在設(shè)計(jì)的減壓降水條件下，東區(qū)和西區(qū)的抽水量均超過(guò)2萬(wàn)m3，而換乘段抽水量不足1萬(wàn)m3，且基坑外水位降幅也明顯小于東西兩區(qū)?？梢?jiàn)換乘段隔水帷幕深度的增加有利于保護(hù)周邊環(huán)境，而且效果顯著。但即使在隔水帷幕阻斷承壓含水層的情況下，基坑外水位降深依然達(dá)到2m，周邊最大沉降量超過(guò)4mm?？梢?jiàn)由于承壓含水層下部粘土層的越流存在，即使阻斷承壓含水層也不能避免減壓降水對(duì)基坑外地下水位和地面沉降的影響。

3 分析與討論

本工程選擇地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔水帷幕、適當(dāng)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度、按需降水、人工回灌、信息化監(jiān)測(cè)等防治措施，保障了基坑的安全并減小了減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，使得整個(gè)基坑工程得以順利完工。

但在整個(gè)工程中仍有需要改進(jìn)之處，例如：降水設(shè)計(jì)與基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)分離、人工回灌只是作為應(yīng)急備用措施、水位監(jiān)測(cè)和地面沉降監(jiān)測(cè)獨(dú)立進(jìn)行等。由于這些原因，使得減壓降水和人工回灌工作相對(duì)較為被動(dòng)，只能在設(shè)計(jì)好的框架下進(jìn)行，難有大作為；而地下水位和地面沉降監(jiān)測(cè)缺乏有機(jī)聯(lián)系，也使水位和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上難以匹配。

淺層承壓水人工回灌和增加隔水帷幕深度以阻斷含水層，都在一定程度上防止或降低了減壓降水的地面沉降效應(yīng)。淺層承壓水人工回灌對(duì)于防止基坑外承壓水位下降和防治地面沉降是有效的，且回灌方式對(duì)最終沉降量的影響較大，故建議在減壓降水開(kāi)始時(shí)就進(jìn)行回灌，而不是在水位下降，相鄰粘土層發(fā)生壓縮以后。本工程由于采用加壓回灌，使得回灌量大幅增加，達(dá)到單井出水量的近50%。但因回灌壓力過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間回灌導(dǎo)致在井周?chē)l(fā)生涌水，回灌被迫停止。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，目前在不加壓或小壓力的情況下，淺層承壓水人工回灌量只有出水量的20%左右，回灌效率較低。如何改進(jìn)回灌工藝，提高回灌效率是目前亟待解決的問(wèn)題。

增加隔水帷幕的長(zhǎng)度是目前防治基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降的另一個(gè)行之有效的方法。增加止水帷幕在含水層中的插入深度可以增加基坑外承壓水進(jìn)入基坑內(nèi)的滲流路徑，且可以將原有的水平流轉(zhuǎn)化為垂直流，由于含水層垂直向的滲透系數(shù)通常都小于水平向的滲透系數(shù)，這樣可以大幅減少流入基坑的水量。但增加隔水帷幕深度也意味著增加工程成本，而且在有些地區(qū)第一承壓含水層很厚或與第二承壓含水層溝通，因此盲目增加隔水帷幕在經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也存在一定問(wèn)題。

除此之外，優(yōu)化降水方案、加強(qiáng)降水運(yùn)行管理以及縮短開(kāi)挖工期等都有助于減小降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。但這些方法單獨(dú)使用，可能存在相互制約，實(shí)際效果或許并不顯著。必須將其組合形成綜合防治措施，體現(xiàn)作業(yè)方案的系統(tǒng)性與全面性，以發(fā)揮最佳效能。有必要在基坑設(shè)計(jì)階段，就將圍護(hù)、減壓降水和回灌一并進(jìn)行設(shè)計(jì)，并予密切交互和有機(jī)協(xié)同。

缺少統(tǒng)籌考慮和統(tǒng)一協(xié)調(diào)會(huì)使各項(xiàng)措施的應(yīng)用受到限制，影響防治的綜合效果。因此有必要改變各種方案獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立實(shí)施，缺少統(tǒng)一安排的傳統(tǒng)模式。將減壓降水的沉降防治納入頂層設(shè)計(jì)中，從建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)始階段就進(jìn)行評(píng)估，與基坑工程同步設(shè)計(jì)，與基坑施工統(tǒng)籌考慮，使各項(xiàng)防治措施協(xié)同一致，效率得到充分發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于軟土地區(qū)深基坑工程施工而言，為保障基坑安全并防止或降低減壓降水引發(fā)的地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，采用強(qiáng)度高和隔水性能好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度、按需降水、人工回灌及信息化監(jiān)測(cè)等措施，具有明顯實(shí)效。各項(xiàng)技術(shù)方法應(yīng)形成綜合防治措施體系，并納入建設(shè)項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)中，與基坑設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，有助于進(jìn)一步提高防治效果，減小防治成本，從而促進(jìn)工程性地面沉降防治工作的深化和提高。

References)

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Discuss on Land Subsidence Control for Deep Foundation Pit Engineering in Shanghai Subway Station

ZHAN Guang-Hui, HE Ye, HUANG Xin-Lei
(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

The decompression and discharging of underground in deep foundation pit construction in soft soil area are easy to cause the land subsidence and other environmental geological problems. Using the deep foundation pit engineering in Shanghai subway station, this paper, analysis the land subsidence dynamic characteristics after setting the waterproof curtain and artificial recharge in shallow aquifer and other methods, and discusses the watertightness and laying depth of pit support structure, and studies the technical requirements of artificial recharge and information monitoring and their integrated applications. The above mentioned methods are to the benefit of preventing and controlling the land subsidence in deep foundation pit engineering.

environmental geology; land subsidence; deep foundation pit; dewatering engineering; land subsidence control

P642.26

A

2095-1329(2013)02-0068-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.016

2013-05-22

2013-06-20

占光輝(1985-),男,碩士,主要從事地面沉降防治研究.

電子郵箱：zhangh2007@126.com

聯(lián)系電話：021-56613051

上海申通集團(tuán)重大科研項(xiàng)目(JS-KY10R030)