基于地面沉降控制的基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法與應(yīng)用

黃鑫磊

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

地面沉降是上海地區(qū)最主要的地質(zhì)環(huán)境問題，也是最主要的地質(zhì)災(zāi)害。近年來，隨著上海地面沉降研究的不斷深入和防治管理的不斷強化，地面沉降得到了較好的控制，年均沉降速率已控制在6mm以內(nèi)，但不均勻沉降特征顯著，直接影響重大基礎(chǔ)設(shè)施的運營安全[1]。通過地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)局部沉降漏斗與該區(qū)域的工程建設(shè)活動吻合；根據(jù)基坑案例監(jiān)測數(shù)據(jù)，懸掛式帷幕基坑降水對周圍地面沉降影響范圍較大，最遠(yuǎn)可超過10H（H為基坑開挖深度）[2-3]。這反映出深基坑等地下空間開發(fā)建設(shè)已成為影響局部區(qū)域地面沉降的重要因素。

針對巨厚松散層沉積區(qū)基坑減壓降水地面沉降問題，一些專家和學(xué)者從基坑降水設(shè)計、地面沉降變形規(guī)律、淺層地下水回灌等不同角度開展了研究，如駱祖江采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，探討了復(fù)雜巨厚松散沉積層以控制地面沉降為目標(biāo)的最優(yōu)化深基坑降水設(shè)計理論[4]；王建秀等通過對基坑工程降水過程的分層變形監(jiān)測，探討了深基坑工程降水誘發(fā)沉降機(jī)制及計算方法[5]；葉為民等基于Biot固結(jié)理論，探討采用不同止水形式基坑工程降水過程對地面沉降規(guī)律影響規(guī)律[6]；楊天亮、吳建中等開展了水位與沉降雙控模式下的淺層地下水人工回灌試驗，評價了其在防治工程型地面沉降中推廣應(yīng)用的可行性及適用性[7-8]。這些研究對認(rèn)識深基坑工程地面沉降規(guī)律，開展地面沉降防治具有參考價值，但已有的成果缺乏對防治措施的系統(tǒng)性總結(jié)，尚未有從地面沉降防治角度對基坑降水全過程控制的工程應(yīng)用案例。

本文嘗試從不均勻地面沉降防治角度出發(fā)，提出基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法，基于基坑減壓降水全過程控制原則，以上海某在建車站東區(qū)基坑為例進(jìn)行示范應(yīng)用探索，以期為深基坑減壓降水地面沉降控制提供解決方案，助力地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與城市工程建設(shè)協(xié)調(diào)綠色發(fā)展。

1 基于地面沉降控制的基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對懸掛式深基坑減壓降水地面沉降規(guī)律及影響因素[9]，聚焦目前基坑圍護(hù)設(shè)計與減壓降水地面沉降防治不匹配的問題，提出了基于地面沉降控制的基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法（圖1），即按照基坑降水需求和地面沉降控制要求，在基坑圍護(hù)初步設(shè)計基礎(chǔ)上，優(yōu)先進(jìn)行基坑降水與人工回灌一體化設(shè)計，以控制坑內(nèi)降水對坑外地質(zhì)環(huán)境影響；當(dāng)不能滿足沉降控制目標(biāo)時，再以止水帷幕插入最優(yōu)和基坑抽水量最小為原則，進(jìn)行止水帷幕深度優(yōu)化設(shè)計，提出基坑圍護(hù)優(yōu)化設(shè)計建議，最終形成滿足地面沉降控制的基坑降水設(shè)計方案。

基于地面沉降發(fā)生后難以治理恢復(fù)的實踐認(rèn)識，深基坑減壓降水地面沉降防治應(yīng)重在預(yù)防及過程控制。為此，總結(jié)了基坑降水全過程優(yōu)化控制技術(shù)要點：第一，在基坑設(shè)計階段，采用基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法；第二，在降壓運行階段，根據(jù)基坑分層開挖進(jìn)度實施“按需降水”，加強水位降深控制及地面沉降同步監(jiān)測；第三，當(dāng)坑外水位降深超過控制要求時，及時啟動淺層地下水人工回灌，穩(wěn)定坑外地下水滲流場，控制水位漏斗區(qū)擴(kuò)大，從而達(dá)到地面沉降控制目標(biāo)。

圖1 基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計流程Fig.1 The flow chart for integrated design of foundation pit enclosure and engineering dewatering

2 深基坑減壓降水地面沉降控制示范應(yīng)用探索

2.1 示范工程概況

上海某在建地鐵車站基坑工程，分東、西兩個獨立基坑，基坑最大開挖深度20.0m。該場區(qū)屬濱海平原區(qū)地貌，為正常地層分布區(qū)，第一承壓含水層頂面埋深約27.5～29.8m，第一、二承壓含水層溝通，第二承壓含水層底面埋深約87～91m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式，設(shè)計墻深34.0～36.5m。

根據(jù)基坑底板穩(wěn)定性分析結(jié)果，該基坑開挖過程中存在承壓水突涌風(fēng)險，須采取減壓降水措施，設(shè)計水位降深達(dá)7.3～8.9m。依據(jù)深基坑減壓降水地面沉降綜合分區(qū)[9]，該示范工程屬于⑦ 2-3區(qū)；根據(jù)雙控參考指標(biāo)[10]，該工程地面沉降控制指標(biāo)為1.7～2.1mm、水位降深控制指標(biāo)為1.0m。

本次以該工程西區(qū)基坑為例，在建設(shè)和施工單位的大力支持下，通過采取基坑止水帷幕深度優(yōu)化、降壓井施工及降水運行優(yōu)化、地面沉降監(jiān)測、淺層地下水人工回灌等綜合技術(shù)措施，使坑外水位降深和地面沉降滿足控制指標(biāo)要求，為深基坑減壓降水地面沉降防治起到引領(lǐng)和示范作用。

2.2 基坑圍護(hù)設(shè)計優(yōu)化與人工回灌設(shè)計

（1）止水帷幕深度優(yōu)化設(shè)計

由于該工程所在場地因第一、二承壓含水層溝通，降水目的含水層厚度達(dá)57.2～63.5m，從工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理考慮，止水帷幕難以隔斷降水目的含水層，宜采取懸掛式止水帷幕。根據(jù)場地水文地質(zhì)補充勘察結(jié)果，建立了水文地質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬方法，對基坑減壓降水過程進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)前條件下坑內(nèi)降水坑外3H處水位降深超過4m，不能滿足地面沉降控制要求。通過分析不同止水帷幕深度條件下水位降深（見圖2）可知，隨著止水帷幕深度增加，坑外水位降深隨之減小，尤其當(dāng)止水帷幕深度大于或等于43m，坑外水位降深明顯減小，地面沉降可得到有效控制。同時當(dāng)止水帷幕深度大于43m以后，坑外地下水位降深減小趨勢不明顯，止水帷幕效應(yīng)優(yōu)勢不明顯。因此，經(jīng)過最優(yōu)化求解，建議將基坑止水帷幕深度增加到43m。

圖2 止水帷幕深度與坑外3H處水位降深關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between curtain wall depth and water level drawdown at 3H outside the pit

（2）止水帷幕深度優(yōu)化效果評估

根據(jù)上述分析計算，建設(shè)和施工單位決定增加止水帷幕深度，但在西區(qū)基坑圍護(hù)已經(jīng)施工完成的情況下，受施工條件、經(jīng)濟(jì)效益等因素制約，最終在基坑北側(cè)和東側(cè)采用MJS工法將止水帷幕深度增加至43m，而端頭井和南側(cè)則保持原有深度。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，通過數(shù)值模擬方法對基坑圍護(hù)與工程降水設(shè)計進(jìn)行評估，結(jié)果表明僅將基坑北側(cè)和東側(cè)止水帷幕深度增加至43m將無法滿足水位降深和地面沉降控制指標(biāo)。為此需要在基坑周邊開展地下水人工回灌，以控制坑內(nèi)降水對周邊地質(zhì)環(huán)境的影響。采用上述模型經(jīng)過最優(yōu)化求解，在基坑南北兩側(cè)各布設(shè)3口回灌井，可滿足水位降深和地面沉降控制指標(biāo)要求。

（3）淺層地下水人工回灌設(shè)計

本次擬建6口回灌井，但受工程施工場地條件制約，基坑北側(cè)減少1口，最終共建成5口回灌井?；毓嗑疄V水管埋深30～40m，即在第⑦1層內(nèi)，比降壓井和止水帷幕深度略小，以充分利用止水帷幕的隔水效應(yīng)，減小坑外回灌對坑內(nèi)降水的影響?；毓喾绞讲捎迷訅夯毓?，即將降壓井抽出的地下水通過曝氣池曝氣、沉淀池沉淀凈化后送往回灌井進(jìn)行人工回灌，在回灌過程中配合以人工回?fù)P等措施防止濾水管堵塞。

2.3 基坑減壓降水過程優(yōu)化與地面沉降監(jiān)測

（1）降壓井施工工藝優(yōu)化

根據(jù)降水設(shè)計計算，單井涌水量需達(dá)到240m3/d以上，或者增加降壓井?dāng)?shù)量才能滿足坑內(nèi)水位降深要求。由于本工程基坑面積較小，不宜增加降壓井?dāng)?shù)量，一般工程中通常采用增加降壓井濾水管長度，以保障單井出水量。但對坑外水位降深和地面沉降控制不利。本工程在不增加降壓井濾水管長度的情況下，通過濾料級配、泥漿濃度等一系列施工工藝優(yōu)化，提高了單井出水量及成井質(zhì)量，并使降壓井深度小于止水帷幕深度，以便最大程度地利用止水帷幕的隔水效應(yīng)[11]，達(dá)到控制坑外水位降深和地面沉降的目的。

（2）降壓運行關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制

基坑施工工程中，嚴(yán)格按降壓運行方案，實施“按需降水”。根據(jù)基坑分層開挖深度，逐步開啟降壓井點，調(diào)節(jié)降壓井出水量，使得基坑降水量呈現(xiàn)“臺階”式上升（見圖3），實現(xiàn)減小基坑降水量的目的。

圖3 開挖深度 降水量 回灌量歷時關(guān)系Fig.3 Diachronic relationship between excavation, pumping and recharge

為了實時高效地監(jiān)測地下水位動態(tài)，本次借助自動化水位計及數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)刃畔⒓夹g(shù)開發(fā)了Win-Troll系統(tǒng)，對地下水位進(jìn)行智能化遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。通過與設(shè)計降深對比，及時調(diào)節(jié)出水閘閥開啟度，動態(tài)調(diào)整降壓井出水量。該系統(tǒng)可查詢一個或多個水位計的實時或歷史數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)表格或歷時曲線方式顯示；也可支持短信及振鈴喚醒，當(dāng)監(jiān)測井水位達(dá)到設(shè)計降深時進(jìn)行預(yù)警提醒，適時啟動地下水人工回灌，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制地下水位降深。

（3）地面沉降綜合監(jiān)測

為全面監(jiān)控減壓降水過程中基坑周邊地下水位和地面沉降變化，以及指導(dǎo)地面沉降防治措施實施，在基坑周邊及3H、10H處布設(shè)了地下水位觀測井、在基坑西側(cè)和南側(cè)分別布設(shè)了地面沉降監(jiān)測剖面（最遠(yuǎn)達(dá)30H）等監(jiān)測設(shè)施，對基坑降水全過程及其周邊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行同步監(jiān)測。

2.4 地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）地下水位控制效果

基坑減壓降水期間觀測井內(nèi)水位均有所下降，從基坑施工期間降水量、回灌量與承壓水位關(guān)系歷時曲線（圖4）可知，在基坑施工期間，隨著基坑開挖和降水的進(jìn)行，承壓水位逐步下降，坑內(nèi)降水對坑外水位有一定影響，距離基坑3H（約60m）處G2觀測井內(nèi)地下水位降深約5.0m，距基坑10H（約200m）G1觀測井內(nèi)地下水位降深約2.5m，且因止水帷幕在該側(cè)未加深，水力坡度較平緩，影響范圍也較遠(yuǎn)，理論推測25H（約500m）處水位降深約1m。地下水人工回灌后，距基坑3H處觀測井水位迅速抬升超過3m，距基坑10H處觀測井水位抬升約0.5m，可見人工回灌對地下水位抬升作用明顯，且影響范圍較大。

（2）地面沉降控制效果

從典型地面沉降監(jiān)測點歷時曲線（圖5）可知，在基坑開挖和減壓降水過程中，基坑周邊地面沉降量逐漸增大，距基坑3H點地面最大累計沉降量接近5mm，在啟動回灌井后，距離回灌井和基坑較近的監(jiān)測點出現(xiàn)較為明顯的回彈，最大地面回彈量大于2mm，最遠(yuǎn)監(jiān)測點（距基坑約30H）基本沒有回彈量，但地面沉降趨勢明顯變緩，由發(fā)展趨于收斂。

圖5 基坑南側(cè)地面沉降監(jiān)測剖面典型監(jiān)測點歷時曲線Fig.5 Land subsidence process of typical monitoring points on the south side of deep foundation

（3）防治成效討論

通過采用基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法，實施基坑減壓降水全過程優(yōu)化控制，坑外承壓水位和地面沉降得到了較好的控制，最終距離基坑3H處最大水位降深約1.5m，最大累計地面沉降約3mm；對比同類型基坑工程，本工程引起的水位降深和地面沉降量明顯減小。但由于本工程是首個示范應(yīng)用案例，在基坑圍護(hù)施工完成后才對止水帷幕深度進(jìn)行優(yōu)化，受場地施工空間限制，回灌井也未能完全按照設(shè)計實施，導(dǎo)致示范應(yīng)用結(jié)果比參考控制指標(biāo)略高。如果在施工階段能夠更合理地安排場地和工程進(jìn)度，完全按照基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計實施則可能會取到更好的防治效果。

3 結(jié)論與建議

（1）巨厚松散層地質(zhì)條件是上海地區(qū)地面沉降易發(fā)的主要內(nèi)因，深基坑工程建設(shè)是引發(fā)區(qū)域不均勻地面沉降發(fā)育的重要因素。為此，提出了基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法，總結(jié)了基坑減壓降水全過程控制技術(shù)要點。

（2）以上海某在建車站西區(qū)基坑為例開展的原型工程示范應(yīng)用探索，初步驗證了基于地面沉降控制的基坑圍護(hù)與工程降水一體化設(shè)計方法可行；該方法有利于深基坑減壓降水地面沉降雙控指標(biāo)的實現(xiàn)和基坑周邊地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)，可為深基坑減壓降水地面沉降控制實踐提供解決方案。

（3）建議下一步不斷優(yōu)化深基坑減壓降水地面沉降雙控指標(biāo)，完善地面沉降控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；建議修訂深基坑工程管理相關(guān)制度，促進(jìn)防治技術(shù)的推廣應(yīng)用；從而為深基坑減壓降水地面沉降控制提供技術(shù)支撐和機(jī)制保障。