濱海地區(qū)深基坑減壓降水地面沉降研究成果及應用
——以上海市為例

嚴學新， 王寒梅， 楊天亮， 黃鑫磊， 占光輝， 何 曄

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

0 引言

近年來，上海市城市建設高速發(fā)展，工程建設活動頻繁，特別是地下空間開發(fā)規(guī)模、強度和深度越來越大，導致城市地區(qū)不均勻地面沉降現(xiàn)象越來越嚴重，尤其是深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降問題[1]，嚴重威脅著建筑物安全及周圍環(huán)境，對重大市政工程建設及安全運營造成了不同程度的危害。目前，針對深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降問題，一些專家和學者從基坑降水優(yōu)化[2]、地面變形機制及規(guī)律[3]、人工回灌技術[4]等方面進行了研究，但這些研究主要關注工程自身的安全及周邊保護對象，對3H(H為基坑開挖深度)范圍外地面沉降及其對城市工程安全造成的危害關注較少。此外，依托在建工程開展地面沉降原型試驗的相關研究也較少，地面沉降防治措施缺乏系統(tǒng)性總結及工程實踐。近些年來，作者所在的科研團隊從區(qū)域地面沉降防治需求出發(fā)，結合建設工程全流程管理思路，通過理論研究、現(xiàn)場試驗、案例分析、數(shù)值模擬及示范應用，系統(tǒng)地開展了深基坑減壓降水地面沉降研究工作[5-19]。本文以上海市為例，總結了近年來濱海地區(qū)深基坑減壓降水地面沉降的主要研究成果和應用，為深基坑減壓降水地面沉降防治實踐提供了思路，也為同類地區(qū)地面沉降研究和防治工作提供了參考。

1 研究區(qū)概況

上海是我國最早受地面沉降危害的城市之一，特殊的地質環(huán)境是引發(fā)該市地面沉降的主要內因[12]，地下水不合理開采和工程建設活動是近期引發(fā)該市地面沉降的主要外因[19]。從1921年發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象以來，上海市中心城區(qū)累計地面沉降超過 2 m，最嚴重地區(qū)累計地面沉降達3 m，對城市安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展構成了嚴重威脅[19]。近年來，隨著地面沉降研究工作的不斷深入和防治工作的不斷強化，區(qū)域地面沉降問題已得到有效控制，目前進入微量沉降階段，但仍存在不均勻沉降現(xiàn)象。

上海作為典型的三角洲沉積平原，區(qū)內第四系覆蓋層巨厚，與工程地質建設密切相關的100 m以淺地基土層主要由海相黏性土、粉性土與砂性土成層交替組成，不同地層結構差異較大。結合土層沉積年代及成因，自上而下可劃分為9個主要工程地質層(表1)。其中，黏性土含水率較高，土層多以軟塑狀、可塑狀為主，前期固結程度較低，可壓縮性較高； 粉性土和砂性土呈飽和狀，較松散，在地下水位下降時易壓密下沉，具有較大的壓縮性[18]。

上海地區(qū)與工程建設密切相關的淺部承壓含水層主要有微承壓含水層、第一承壓含水層和第二承壓含水層，施工中的突涌水及滲透破壞等承壓水問題是深基坑工程施工面臨的重大地質問題之一[20]。為保障工程安全，深基坑施工過程中普遍采取減壓降水措施。淺部承壓含水層，水頭較高，尤其是第一、二承壓含水層及其溝通區(qū)，水量相對豐富，在懸掛式或敞開式帷幕下，深基坑減壓降水對周邊地質環(huán)境影響較大[10-11]。現(xiàn)場試驗結果[14-15]表明，深基坑減壓降水是當前誘發(fā)不均勻地面沉降的重要因素之一。

表1 上海地區(qū)與工程地質建設密切相關的典型地層層序Tab.1 Typical stratigraphic sequence related to engineering construction in Shanghai

2 主要成果

2.1 建立了深基坑減壓降水地面沉降防治綜合分區(qū)方法

深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降與工程地質結構、基坑開挖深度、隔水帷幕深度、基坑面積、基坑形狀和施工周期有關，其中工程地質結構、基坑開挖深度和隔水帷幕深度是影響基坑周圍水位降深的主要因素。

從市域尺度研究深基坑減壓降水引發(fā)的地面沉降規(guī)律，建立了綜合考慮上海地貌類型-沉積環(huán)境-地層組合-降水目的層結構-隔水帷幕插入深度的深基坑減壓降水地面沉降防治綜合分區(qū)方法[18]。針對微承壓含水層、第一承壓含水層和第二承壓含水層深基坑工程主要降水目的含水層，分別編制了上海市深基坑減壓降水地面沉降防治綜合分區(qū)圖及其特征表，這些是上海市深基坑減壓降水地面沉降防控系統(tǒng)研究和決策的基礎單元。上海第一承壓含水層深基坑減壓降水地面沉降綜合分區(qū)及其特征見圖1和表2。

圖1 上海第一承壓含水層深基坑減壓降水地面沉降防治綜合分區(qū)Fig.1 Prevention partition of the land subsidence caused by deep foundation pits dewatering of the first confined aquifer in Shanghai

表2 上海第一承壓含水層深基坑減壓降水地 面沉降防治綜合分區(qū)特征 Tab.2 Characteristics of prevention partition of the land subsidence caused by deep foundation pits dewatering of the first confined aquifer in Shanghai

2.2 探索了深基坑減壓降水地面沉降防治原型試驗設計方法

以在建深基坑工程為例，探索深基坑減壓降水地面沉降防治原型試驗設計方法，提出了原型試驗場平面布局和設施結構的技術框架，研發(fā)了自來水、原水兩用的淺層地下水回灌系統(tǒng)[9]，建設了包括水位監(jiān)測井、地面沉降監(jiān)測剖面、土體分層沉降監(jiān)測標組、淺層地下水人工回灌系統(tǒng)及孔隙水壓力監(jiān)測孔等設施的原位綜合試驗場(圖2)。根據(jù)深基坑減壓降水工程進度，同步開展了地面沉降監(jiān)測控制技術研究，進一步掌握了深基坑減壓降水地面沉降時空規(guī)律。開展了原位回灌試驗研究，獲取了淺層地下水人工回灌參數(shù)，進一步驗證了深基坑減壓降水過程中人工回灌的控沉效果。

圖2 某典型深基坑減壓降水地面沉降防治原型試驗設計Fig.2 Prevention prototype test design of land subsidence caused by deep foundation pits dewatering

2.3 掌握了上海市淺部承壓含水層深基坑減壓降水地面沉降規(guī)律

通過分析10余個典型工程案例[6，11，15]，發(fā)現(xiàn)距離懸掛式帷幕基坑越近，各土層差異沉降越明顯，且存在關鍵點，降水目的含水層上覆土層是主要沉降層(圖3)，減壓降水地面沉降主要影響范圍在3H內，最大影響范圍可達10H(圖4)?；谏罨訙p壓降水地面沉降防治綜合分區(qū)結果，綜合考慮深基坑長寬比、面積、開挖深度、止水帷幕深度、水位降深等工程參數(shù)，構建了4 700余個全市域多尺度數(shù)學模型，系統(tǒng)掌握了上海市淺部承壓含水層深基坑減壓降水全過程的水位降深與地面沉降規(guī)律，為地面沉降控制指標研究提供了基礎依據(jù)。

圖3 某典型深基坑3H處地下水位與土體分層累計沉降歷時曲線Fig.3 Duration curve of cumulative settlement for groundwater level and layered soil at the 3H point of one deep foundation pit

圖4 某典型深基坑減壓降水不同階段地面沉降縱剖面特征Fig.4 Longitudinal profile characteristics of land subsidence caused by deep foundation pits dewatering at different stages

2.4 提出了深基坑減壓降水地面沉降-地下水位雙控模式及控制指標

基于深基坑減壓降水地面沉降典型案例[10，15]，坑內減壓降水對坑外地面沉降影響范圍可達10H，其中地面沉降顯著區(qū)主要出現(xiàn)在2H～3H范圍內。由于3H范圍內地面沉降受土體開挖、減壓降水、結構變形及機械施工等影響，3H范圍外地面沉降量與地下水位降深呈顯著正相關，主要受基坑減壓降水單因素影響。結合深基坑工程施工監(jiān)測要求和地面沉降監(jiān)控設施布設場地限制等實踐經(jīng)驗，從地質環(huán)境保護角度出發(fā)，明確將3H作為關鍵控制點。地面沉降屬緩變型地質災害，發(fā)育過程具有滯后性，且發(fā)生后難以治理和恢復[17]?？紤]到地下水位變化的靈敏性和監(jiān)控的便捷性，提出了深基坑減壓降水地面沉降-地下水位雙控模式[9]，即通過對關鍵控制點處地下水位的控制和地面沉降的監(jiān)測，實現(xiàn)3H范圍外地面沉降控制目標。

在市域尺度深基坑減壓降水水位降深與地面沉降規(guī)律研究基礎上，利用數(shù)值模擬大數(shù)據(jù)，對距離基坑3H處地面沉降量與止水帷幕插入目的含水層深度、基坑開挖深度、基坑面積、基坑長寬比等影響因素[18]進行相關性分析。通過多元回歸分析法進行擬合，建立了不同綜合分區(qū)深基坑減壓降水關鍵控制點的水位降深和地面沉降半經(jīng)驗預測公式。

(1)關鍵控制點水位降深值計算公式：

Ds=(a1×M+b1×H+c1/D)f1(d1+e1×P)g1。

(1)

式中：Ds為關鍵控制點降水目的含水層水位降深值，m；D為隔水帷幕插入降水目的含水層深度，m；H為基坑開挖深度，m；M為基坑面積，m2；P為基坑長寬比；a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1為水位降深計算經(jīng)驗系數(shù)。

(2)關鍵控制點地面沉降量計算公式：

Cs=(a2×M1/2+b2×H+c2/D1/3)f2×

(d2+e2×P)g2。

(2)

式中：Cs為關鍵控制點地面沉降量，mm；D為隔水帷幕插入降水目的含水層深度，m；H為基坑開挖深度，m；M為基坑面積，m2；P為基坑長寬比；a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2為地面沉降計算經(jīng)驗系數(shù)。

結合上海市地面沉降控制目標和基坑周邊環(huán)境保護要求，以上海全域為研究尺度，基于提出的半經(jīng)驗公式，利用擬合分析取得的經(jīng)驗系數(shù)，量化確定了關鍵控制點處水位降深和地面沉降量控制指標，為工程性地面沉降防治精細化管控奠定了基礎。

2.5 提出了深基坑減壓降水地面沉降防治措施

基于大量深基坑減壓降水工程實例和典型案例[10，16]，依托4個大型綜合試驗場，提出了基坑圍護結構-工程降水一體化設計新方法，突破了深基坑減壓降水地面沉降綜合監(jiān)測及淺層地下水人工回灌中存在的關鍵技術難題，為深基坑減壓降水地面沉降防治提供了技術保障。

(1)提出了深基坑圍護結構-工程降水一體化設計新方法。針對懸掛式帷幕基坑類型，提出了基坑抽水量最小、止水帷幕深度最優(yōu)求解、基坑圍護與工程降水設計評估、降水-回灌優(yōu)化設計等實施路徑的基坑圍護結構-工程降水一體化設計新方法[12，17]，解決了因基坑圍護設計與工程降水設計不合理造成的地面沉降問題，在地下水位和地面沉降控制方面取得了較好的效果。

(2)集成了深基坑減壓降水地面沉降監(jiān)測技術。通過對3H關鍵控制點地面沉降規(guī)律的綜合研究，集成了由地面沉降、分層沉降、地下水位、孔隙水壓力、抽水量、回灌量、水壓力等監(jiān)測要素組成的深基坑減壓降水地面沉降綜合監(jiān)測方法技術，規(guī)范了基坑外3H～10H范圍內地面沉降綜合監(jiān)測方案，實現(xiàn)了對深基坑減壓降水地面沉降的水平、垂向及分層多維監(jiān)測，提出了監(jiān)測預警標準。

(3)突破了淺層地下水人工回灌技術難題。依托大定海泵站、金海路地鐵車站、祁連山南路地鐵車站、同濟大學地鐵車站等在建基坑工程現(xiàn)場試驗[8，16]，提出了回灌井結構設計、回灌管路系統(tǒng)設計、回灌原水處理等關鍵技術，突破了淺層地下水人工回灌中存在的淺部含水層滲透性差、回灌井易堵塞、回灌原水對井管具腐蝕性、回灌效率低、回灌能力不足等技術難題，建立了較完善的淺層地下水人工回灌技術體系。

2.6 構建了深基坑減壓降水地面沉降管控體系

基于建設工程事前、事中、事后全流程管控的思路，提出了深基坑減壓降水地面沉降防治技術路徑(圖5)。通過集成創(chuàng)新，制定了相關法律法規(guī)、技術標準和防治規(guī)劃等管理措施，將技術審查、施工監(jiān)管和成果匯交納入管理流程，構建了深基坑減壓降水地面沉降管控體系，為“兩局兩委”(上海市規(guī)劃和國土資源管理局、上海市水務局、上海市住房和城鄉(xiāng)建設管理委員會和上海市交通委員會)部門聯(lián)動的地面沉降防治管理新模式提供了技術支撐。

圖5 深基坑減壓降水地面沉降防治技術路徑Fig.5 Prevention technical path for land subsidence caused by deep foundation pits dewatering

3 成果應用

3.1 直接應用于深基坑減壓降水地面沉降管控

深基坑減壓降水地面沉降控制指標和防治技術及深基坑減壓降水地面沉降管控體系等研究成果，已直接應用于上海市深基坑減壓降水地面沉降防治工作中，為深基坑減壓降水地面沉降管控提供了解決方案，也為地面沉降防治精細化管理提供了決策依據(jù)。

3.2 促進特大型城市防災減災管理制度完善

上述研究成果為上海市地面沉降監(jiān)測與防治、地質災害危險性評估和地面沉降防治工程設計等技術標準的編制和修訂提供了技術支撐，為上海市地面沉降防治管理條例、基坑工程管理辦法和基坑降水管理規(guī)定等法規(guī)的出臺和實施提供了科學依據(jù)，促進了深基坑減壓降水地面沉降防治工作的法制化和規(guī)范化。

3.3 服務于重大市政工程建設運營安全

上述研究成果在上海地區(qū)地質災害危險性評估、地下空間開發(fā)建設、軌道交通運營安全等工程中獲得了實踐應用，推動了深基坑降水工程地面沉降防治工作，減輕了地下空間開發(fā)中不均勻地面沉降對重大市政工程建設運營的影響，對我國濱海城市工程建設引發(fā)的地面沉降的防治工作具有引領和示范作用。

4 展望

深基坑減壓降水地面沉降研究成果將進一步推動工程性地面沉降研究工作的快速發(fā)展，促進城市地質災害與水文地質、工程地質及環(huán)境地質等多學科交叉融合。深基坑減壓降水地面沉降精細化管控體系的不斷完善，將進一步提升上海市地面沉降防治成效及地質環(huán)境安全保障能力，降低不均勻地面沉降的風險和危害，保護地質環(huán)境及地下水資源，有助于促進城市建設綠色發(fā)展，創(chuàng)造良好的社會效益、環(huán)境效益和推廣價值。