大直徑超深工作井施工對周邊環(huán)境影響分析

李 敏

(中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300450)

1 引言

隨著我國新型城市的高質量發(fā)展，城市地下工程的建設規(guī)模越來越大，導致基坑開挖也朝著超大、超深方向發(fā)展，基坑所處的地質條件和周邊環(huán)境也更加復雜，無論是設計難度還是技術難度隨之提高。由于復雜的地質條件，超大、超深工作井的開挖必然會引起周邊環(huán)境沉降問題。

早在1970年，Iame[1]通過定性分析給出了影響基坑周圍變形的因素:土體性質、周圍建筑物結構和尺寸、基坑大小、支護方式、施工方式、地下水條件、超載、基坑暴露時間等。俞建霖[2]利用有限元法分析了基坑開挖引起周圍建筑變形的影響因素。趙延林[3]采用有限差分軟件FLAC2D分析了建筑物與基坑距離對沉降的影響。胡建華[4]對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結果，對基坑周圍建筑物沉降進行研究，總結了逆作法施工過程影響周圍建筑物沉降的規(guī)律。劉登攀[5]重點分析了基坑周圍存在超載情況下的建筑沉降規(guī)律。楊傲等[6]采用數(shù)值手段與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析的方法，研究了基坑降水對周邊建筑沉降的影響[7]。綜上所述，基坑開挖是一個系統(tǒng)的、多學科交叉的工程，涉及各種力學、滲流以及地質條件等眾多影響因素[8]。

基坑降水施工必然伴隨著周邊建筑物的沉降[9]。若基坑處于相對簡單的土層，這種影響可得到很好的控制；若基坑處于復雜地層，則可能會引發(fā)一系列巖土工程問題[10]。因此研究復雜地質條件下超大超深基坑施工對周邊環(huán)境的影響，是解決基坑工程問題的關鍵。

基于工作井所處的復雜地質條件，對LG09＃-1工作井施工過程中周邊地下水位變化、建筑物沉降進行監(jiān)測，從實際監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)并結合理論分析，揭示工作井施工對周邊環(huán)境的影響規(guī)律，為類似工程提供參考經驗。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國務院部署的172項節(jié)水供水重大水利工程之一。該工程采用盾構技術進行輸水隧道的施工，每個標段都有盾構機出發(fā)兼接收的工作井。其中土建施工A5標內包含一座超深大直徑工作井LG09＃-1，該工作井為圓形，直徑為35.9 m，埋深為61.55 m，位于佛山市順德區(qū)倫教街道永豐工業(yè)南路南側空地，北側密集分布有眾多工業(yè)廠區(qū)、廠房等，南側為農田用地，周邊500 m范圍內分布有眾多河流。工作井采用明挖和內襯逆作法配合施工，分14層開挖施工，施工步驟如圖1所示。

圖1 施工步驟(尺寸單位:mm；標高單位:m)

2.2 地質條件

LG09＃-1工作井所處地層中上部為第四系人工填土層和沖積層，厚度28.2～33.5 m，主要有①人工填土層、淤泥質黏土層、淤質細砂層、淤泥質黏土層、泥質細砂層、有機質黏土及泥質細砂層，其中含水層為淤質細砂層、泥質細砂層及泥質細砂層。LG09＃-1工作井地質剖面如圖 2所示。

圖2 工作井地質剖面

工程區(qū)地質構造以斷層為主，第四系覆蓋層分布較厚，斷層多為掩埋基底斷層，沿線丘陵山區(qū)植被發(fā)育，露頭較少。工作井周邊斷層與輸水線路呈大角度相交，斷層帶透水性好，易形成滲水通道。

工作井周邊地下水類型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補給地下水，枯水季地下水補向河流。

3 周邊環(huán)境及監(jiān)測點布置

LG09＃-1工作井周圍環(huán)境十分復雜，周邊分布有多棟已建廠房、辦公樓宇，且分布有多個魚塘及兩條河涌。距離廠房、樓宇距離最近處為75 m，相距工作井范圍約為75～400 m。其中，合禾珠寶距工作井75 m，車雄俱樂部距工作井240 m。

為了研究降水施工對周邊建筑物的影響，測壓管在連續(xù)施工開始前完成安裝埋設，采用水位測深儀進行人工觀測。工作井周圍監(jiān)測點布置見圖3，其中UP為地下水位監(jiān)測點，LD為沉降監(jiān)測點。

圖3 監(jiān)測點布置

4 監(jiān)測結果及數(shù)據(jù)分析

4.1 地下水監(jiān)測及發(fā)展規(guī)律

地下水位監(jiān)測點UP2-1、UP4-1分別位于工作井的東南與西北側。根據(jù)水位觀測數(shù)據(jù)，繪制水位動態(tài)變化曲線圖，如圖4所示。由圖4可知，觀測期間(2020年5月－2020年12月)水位動態(tài)變幅為0.04～18.13 m。水位呈現(xiàn)出不同的階段性，共分為三個階段。

圖4 地下水位變化曲線

第一個階段水位穩(wěn)定下降。初始時工作井開挖較淺，井內外水頭差比較小、滲透路徑長，工作井周邊水位變化緩慢，前60 d一直穩(wěn)定在較高水平，對周邊環(huán)境影響很?。划旈_挖到第60天時，由于開挖深度增大，水頭差也增大，滲透路徑縮短，水位下降的速率有所增大，開挖完第十二步，測壓管UP4-1水位緩慢下降至－7.86 m。

第二個階段水位急劇下降。當開挖至第十三步，工作井透水量突然增大，井內大量水噴涌而出，導致周邊水位迅速下降；直至開挖第十四步，短短3 d，UP2-1水位下降至－18.13 mm。進一步分析可知，水位迅速降低的根本原因是第十三步地層處于裂隙發(fā)育帶，該層透水性極大，與周邊環(huán)境形成貫通的透水通道；同時，地下水位下降至強透水層，其滲透系數(shù)相對弱透水層相差10 000倍，從而導致周邊水位急劇下降。

第三階段水位逐漸回升。隨著工作井底板澆筑完成、設置回灌井及注漿封堵，減小了水的排出量，工作井周邊地下水位得以恢復，20 d后地下水水位已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 周邊水位分析

為了分析工作井周邊的水位變化情況，對工作井50 m以外區(qū)域的水位進行監(jiān)測，繪制工作井不同距離處水位變化幅值曲線，如圖5所示。

圖5 周邊水位變化與工作井距離的關系

由圖5可知，開挖第十二層和第十三層對工作井50 m以外的水位影響不大，影響的只是工作井附近50 m之內的區(qū)域，由于水平滲流路徑長，此時工作井施工對周邊環(huán)境的影響不大。

從圖5還可以看出，當工作井開挖到第十四層，周邊水位普遍降低10 m以上，距離工作井200 m以上時水位降低幅度與工作井的距離關系不大。因為這層土為裂隙發(fā)育的透水層，該層與工作井400 m之內的斷層相連形成貫通的透水通道，從而導致了該區(qū)域水位普遍降低，且沒有水位坡度的變化。由于工作井周邊水位降低呈現(xiàn)區(qū)域性的影響，且水位變化幅度在10 m以上，這必然引起周邊環(huán)境的沉降問題。

4.3 工作井附近土體沉降分析

地下水位的變化必然引起土體有效應力的改變，從而導致周圍建筑物發(fā)生沉降，地下水位監(jiān)測點LD位于工作井的東南側。根據(jù)工作井附近沉降觀測數(shù)據(jù)，繪制工作井附近地表沉降隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 工作井附近土體沉降量隨時間變化曲線

由圖6可知，觀測期間(2020年4月－2020年12月)，工作井附近沉降分為平緩段和加速階段。前十二步施工時，由于工作井周邊水位變化緩慢，沉降發(fā)展也比較平緩和穩(wěn)定，最大沉降值不超過50 mm，對周邊環(huán)境影響很小。當施工第十三步時，工作井開挖至裂隙發(fā)育的強透水層，工作井附近水位突然急劇下降，引起有效應力迅速增大，沉降速率隨之增大；當開挖完第十四步，最大點沉降量為90 mm左右。注漿封堵后，工作井周邊水位得以恢復，沉降速率得到控制。由此可知，工作井附近土體沉降與水位變化情況相互對應。

4.4 工作井周邊沉降分析(50 m以外)

工作井開挖會導致周邊(50 m以外)水位普遍降低，且水位未呈現(xiàn)漏斗形狀。為了研究周邊建筑物沉降的規(guī)律，以建筑物合禾珠寶和車雄俱樂部為例進行分析。根據(jù)監(jiān)測結果，繪制建筑物沉降隨時間變化的曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 合禾珠寶垂直沉降

圖8 車雄俱樂部垂直沉降

初始觀測日期為2020－11－18，其中合禾珠寶距工作井75 m，車雄俱樂部距工作井240 m。由圖7和圖8可知，由于工作井開挖和地下水位的變化，沉降增長不斷波動并發(fā)展，合禾珠寶在觀測期間最大累計沉降量可達到12 mm，車雄俱樂部在觀測期間累計沉降可達到17 mm。結合建筑物與工作井距離可知，工作井施工對周邊建筑沉降影響范圍比較大。由于建筑物沉降不僅與地下水位的變化有關，還與土層條件、建筑物基礎、固結度等有關，從而導致建筑物各點的沉降量不同。從數(shù)據(jù)上看，越到監(jiān)測后期，數(shù)據(jù)變化越小，周邊建筑物沉降趨于穩(wěn)定。

5 降水引起建筑物沉降計算方法

分層總和法是規(guī)范中建議或者工程中比較常用的計算最終沉降量的方法[11]。計算降水引起的最終豎向變形量可按下式計算:

式中:s為降水引起的地層變形量(m)；Ψw為沉降計算經驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)工程經驗取值，無經驗時，取Ψw＝1；Δσzi為降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應力(kPa)；Δhi為第i層土的厚度(m)；Esi為第i層土的壓縮模量(kPa)。

工作井外土體中各點降水引起的附加有效應力宜采用地下水滲流分析方法按穩(wěn)定滲流計算；當符合非穩(wěn)定滲流條件時，可按地下水非穩(wěn)定滲流計算[12]。附加有效應力按下列公式計算(見圖9):

圖9 降水引起沉降計算簡圖

計算點位于干土區(qū)時:

計算點位于降水后水位非飽和區(qū)時:

計算點位于飽和區(qū)時:

式中:α0為計算點至初始水位的垂直距離(m)；si為計算點對應的地下水位下降值(m)。

通過計算工作井周邊水頭下降產生的附加荷載，結合地層條件，工作井周邊建筑物最終沉降量見表1。

表1 建筑物最終沉降計算結果及監(jiān)測值

值得注意的是，理論計算依據(jù)井周測壓管水頭變化數(shù)據(jù)[13]，通過數(shù)值參數(shù)反演進行計算得到的水位變化，因此計算值跟實測值會存在一定的偏差，但是偏差較小。

6 結論

本文通過對LGO9＃-1工作井施工過程中及施工完成后工作井附近及周邊地下水位和沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，主要得到以下結論:

對于該工程來說，工作井開挖至有裂隙發(fā)育的強透水層之前，工作井周邊水位變化比較平穩(wěn)緩慢，對周邊環(huán)境影響范圍、影響程度也比較?。划旈_挖至裂隙發(fā)育的強透水層時，工作井周邊水位急劇下降，且該層與周邊地層形成貫通的透水通道，對周邊環(huán)境影響范圍非常大，從而導致周邊建筑物沉降與發(fā)展。