軟土地區(qū)深基坑承壓水降水對(duì)地表沉降影響分析

林 宣 徐海濤 高 旭 仲洋洋 張金凱 董毓慶

(1.杭州地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江杭州 10000；2.中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176；3.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；4.浙大城市學(xué)院土木工程系 浙江杭州 310015)

1 引 言

近年來(lái)，隨著城市地下空間快速發(fā)展，深大基坑不斷出現(xiàn)，工程中承壓水處理問(wèn)題日益突出。當(dāng)孔隙承壓含水層與開(kāi)挖基坑坑底距離較小，承壓水水頭較高時(shí)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中存在承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn)。目前，對(duì)承壓水問(wèn)題的處理通常有隔水、降壓及封底等技術(shù)手段。一般深大基坑施工時(shí)多采取以降壓為主、其他兩者為輔的綜合措施，可降低承壓水水位，避免坑底突涌破壞。但隨著地下水位的降低，地基中原水位以下土體的有效自重應(yīng)力增加，導(dǎo)致地基土體固結(jié)，進(jìn)而造成降水影響范圍內(nèi)的地面和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不均勻沉降、傾斜、開(kāi)裂等現(xiàn)象，危及結(jié)構(gòu)安全和正常使用。此外，基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致坑內(nèi)土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而引起坑外土體和圍護(hù)墻體的變形。杭州市作為沿海一帶較為典型的軟土地區(qū)，地貌上廣泛分布軟弱地基土，如淤泥質(zhì)黏土等。軟土所具有的含水量高、壓縮性高、孔隙比高和抗剪強(qiáng)度低等特性，使得深基坑工程在施工過(guò)程中容易發(fā)生安全事故。

杭州地鐵8號(hào)線青六路車站深基坑工程位于濱江軟土地區(qū)，為了確保深基坑工程順利開(kāi)展，在基坑開(kāi)挖前期進(jìn)行承壓水降水處理，開(kāi)挖期間進(jìn)行了全方位的變形和內(nèi)力監(jiān)測(cè)。本文以此深基坑工程為研究對(duì)象，對(duì)施工監(jiān)測(cè)主要結(jié)果進(jìn)行分析，研究深基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降變化規(guī)律[1－3]。

2 工程概況及水文地質(zhì)條件

杭州地鐵8號(hào)線青六路車站為T(mén)型換乘站，位于青六北路西側(cè)。車站標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)寬度為23.3 m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高為4.7～6.20 m，開(kāi)挖深度為23.5 m(站臺(tái)中心里程)、24.96 m(小里程端頭井)、26.52 m(大里程端頭井)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系(第一、四道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余支撐為鋼管支撐，共六道支撐加兩道換撐)，插入比約為1∶1.69。8號(hào)線青六路站總平面如圖1所示。

圖1 8號(hào)線二工區(qū)青六路站總平面

由于地下水位較高，且存在承壓水層，如何降水降壓是保證該工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。為解決承壓水問(wèn)題，基坑采用了懸掛式止水帷幕結(jié)合坑內(nèi)外共同深井降壓技術(shù)，通過(guò)止水帷幕隔斷坑內(nèi)外地下水，同時(shí)進(jìn)行坑內(nèi)降水降壓，確?；娱_(kāi)挖過(guò)程中地下水及承壓水位處于安全水位以下。

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料揭露，本工程沿線地貌形態(tài)為湖沼積平原、山前堆積斜地、沖海積平原和現(xiàn)代(含早期)江灘堆積地貌。場(chǎng)地地基土下部主要為第四系上更新統(tǒng)早期沖洪積砂礫石層；中部為上更新統(tǒng)海相沉積的黏性土層，分布較穩(wěn)定，但均一性相對(duì)較差；上部主要為全新統(tǒng)晚期沖海積粉(砂)性土層，土層厚度、分布及性質(zhì)均較穩(wěn)定；淺部主要為人工堆積層。根據(jù)巖土層不同物理類別劃分，工程區(qū)地基土在勘探深度內(nèi)可以大致歸納為十四層，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工程土層物理參數(shù)

2.2 水文條件

該工程勘探深度范圍內(nèi)地下水類型主要可分為松散巖類孔隙潛水(以下簡(jiǎn)稱潛水)和松散巖類孔隙承壓水(以下簡(jiǎn)稱承壓水)。潛水主要賦存于淺(中)部填土層、粉(砂)性土中。本次詳勘測(cè)得潛水穩(wěn)定水位埋深為地面下0.50～3.17 m，相當(dāng)于85國(guó)家高程2.64～4.80 m，平均高程為3.86 m。沿線場(chǎng)地承壓水主要分布于下部的[12]、[14]砂礫層中，該層承壓水埋深較深，隔水頂板約在49.5～56.4 m左右。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)承壓水抽水試驗(yàn):該承壓水層初始穩(wěn)定水位埋深為6.10 m，滲透系數(shù)為3.68×10－2cm/s。

3 降水方案設(shè)計(jì)

3.1 基坑抗突涌驗(yàn)算

基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件:基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。

式中:h為基坑底至承壓含水層頂板間距離(m)；γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土層加權(quán)平均重度，取18 kN/m3；H為承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度；γw為水重度，取10 kN/m3；Fs為基坑抗突涌安全系數(shù)，取1.10。

本工程中的承壓水主要分布于[12]和[14]層，根據(jù)公式對(duì)[12]和[14]層的基坑底板穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析，結(jié)果見(jiàn)表2。青六路站8號(hào)線開(kāi)挖超過(guò)臨界深度，需對(duì)承壓水進(jìn)行技術(shù)處理[4－5]。

表2 基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

3.2 降水設(shè)計(jì)

根據(jù)止水帷幕與含水層的空間位置關(guān)系，可將基坑滲流模型分為三大類:第一類為帷幕深入并揭穿含水層頂板，將含水層完全隔斷；第二類為帷幕未進(jìn)入含水層；第三類為帷幕進(jìn)入含水層但未揭穿。針對(duì)本工程，承壓水主要分布于深部的[12]和[14]層，水量較豐富，隔水層為上部的淤泥質(zhì)土和黏性土層。主體基坑止水帷幕深入該層，減壓降水形式基本屬第三類懸掛式降水滲流模型。

根據(jù)計(jì)算，主體東基坑至少需要布設(shè)4口降壓井，按照觀測(cè)兼?zhèn)溆镁當(dāng)?shù)量不小于降水井總數(shù)的20%且不少于一口的要求，坑外共布設(shè)2口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁唤祲壕罹鶠?8 m，濾管深度47～57 m；觀測(cè)兼?zhèn)溆镁罹鶠?5 m，濾管深度47～54 m。在懸掛式圍護(hù)條件下，根據(jù)模型計(jì)算，在安全系數(shù)取1.10的情況下，坑內(nèi)下部[12]和[14]層承壓含水層水位降深滿足基坑安全水位控制需求。

4 墻后地表沉降實(shí)測(cè)分析

工程基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖2。基坑整體施工過(guò)程中周邊地表豎向位移見(jiàn)圖3、圖4。圖中正值代表地表隆起，負(fù)值代表地表沉降?？梢钥闯?，基坑周邊地表豎向位移有明顯的階段性，可以總結(jié)為四個(gè)階段:(1)淺層開(kāi)挖(0～－8 m)階段。由于基坑第一道支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，周邊地表測(cè)點(diǎn)多數(shù)呈輕微沉降狀態(tài)，最多為10.8 mm；少數(shù)測(cè)點(diǎn)隆起可能是由于坑內(nèi)土體隆起帶動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體隆起，這與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)初期豎向位移數(shù)據(jù)一致。(2)承壓水降水階段。承壓水降水引起地表測(cè)點(diǎn)整體沉降，整體變化幅度為＋2.21～－38.82 mm，均值為－13.18 mm。根據(jù)張剛的研究，在基坑開(kāi)挖和降水期間，承壓水降水引起的沉降占總沉降量的30%左右。本工程最終地表沉降均值為－33.09 mm，該階段的占比為39%，可見(jiàn)本工程中承壓水降水對(duì)于地表沉降影響較大。(3)深層土體開(kāi)挖(－8～－24 m)階段。此時(shí)承壓水水位穩(wěn)定，不再需要大幅度降水，基坑內(nèi)部的土體卸荷作用再次占據(jù)主導(dǎo)位置，由于各部位不同的開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速度，各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速度也不盡相同，但整體上仍有明顯的規(guī)律性，如DBC2～DBC9等測(cè)點(diǎn)沉降相對(duì)偏大，這是由于軸端先行開(kāi)挖且在整體位置上遠(yuǎn)離中心三角區(qū)，空間效應(yīng)相對(duì)明顯。(4)整體底板構(gòu)筑階段。由于底板澆筑完成，基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成封閉整體，使得大多數(shù)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)趨向于穩(wěn)定；少數(shù)沉降測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)沉降回升，這是由于坑內(nèi)降水停止，坑外水位回升及底板澆筑后的土體回彈共同作用所致[6]。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面

圖3 南側(cè)地表豎向位移隨時(shí)間變化曲線

圖4 北側(cè)地表豎向位移隨時(shí)間變化曲線

由圖3、圖4可知，同一軸的南北兩側(cè)地表豎向位移變形曲線模式并不相同，南側(cè)顯現(xiàn)出較為明顯的三角型，北側(cè)則為下凹型，相比之下沉降影響區(qū)域更大，50 m(2.0 H，H為基坑開(kāi)挖深度)外的測(cè)點(diǎn)仍出現(xiàn)大于40 mm的沉降。基坑南側(cè)地表沉降結(jié)果與喻軍等人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近:軟土基坑地表沉降包絡(luò)線表明，在(0～0.75)H的范圍內(nèi)，地表沉降最大，在(0.75～2.0)H的范圍內(nèi)地表沉降逐漸衰減。北側(cè)基坑由于東側(cè)存在三角區(qū)的延伸部分，對(duì)周邊土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定影響[7－8]。

表3為基坑開(kāi)挖全過(guò)程中，地表各沉降測(cè)點(diǎn)最大測(cè)量值。可以看出，除測(cè)點(diǎn)DBC2、DBC3外，其余測(cè)點(diǎn)沉降值均為北側(cè)測(cè)點(diǎn)大于南側(cè)測(cè)點(diǎn)。可能是由于北側(cè)所存在的三角區(qū)延伸部分阻礙了東側(cè)土體向內(nèi)卸荷，將部分卸荷作用反向向西側(cè)釋放，從而導(dǎo)致北側(cè)地表沉降相對(duì)較大。

表3 地表沉降統(tǒng)計(jì)

此外，隨著基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐步完成，降水停止后坑內(nèi)外水位逐漸恢復(fù)，部分土體出現(xiàn)回彈現(xiàn)象(出現(xiàn)在7月15日之后，為工程底板澆筑期間)。這是由于此時(shí)多數(shù)區(qū)段底板澆筑已完成，坑內(nèi)降水井開(kāi)始封閉，坑內(nèi)外水位逐漸上升及底板澆筑所導(dǎo)致的坑底土體回彈共同作用所致。其中，測(cè)點(diǎn)DBC7、DBC8、DBC10、DBC11 的回彈現(xiàn)象最為明顯，回彈幅度均大于15 mm。DBC7和DBC8的回彈位置出現(xiàn)在距離基坑邊27 m位置，而 DBC10和DBC11的回彈位置出現(xiàn)在距離基坑邊42 mm位置?？傮w來(lái)看，該基坑的土體回彈量在0～48.5 mm范圍，基坑中段回彈量相對(duì)較大，最大回彈位置多出現(xiàn)在基坑外27～42 m處，如圖5所示。

圖5 基坑墻后地表豎向位移變化曲線

基坑墻后地表沉降及回彈與地下水位的變化密不可分。結(jié)合基坑外水位情況，7月15日后，坑外水位逐漸回升，是導(dǎo)致坑外地表土體回彈的重要原因。對(duì)比李衛(wèi)華等人全斷面富水砂土層回灌試驗(yàn)得到的結(jié)果:水位恢復(fù)可導(dǎo)致10% ～30%的地表回彈，深層土體回彈最大可達(dá)50%；本工程回彈現(xiàn)象更為明顯，回彈量更大。如DBC8-3測(cè)點(diǎn)從－37.7 mm最大回彈至9.6 mm。究其原因，一是本工程非全斷面滲流模型的局限性；二是承壓水層在坑外水位恢復(fù)時(shí)，對(duì)土體產(chǎn)生了相對(duì)于普通潛水層更大的孔隙水壓力，但具體原因有待后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)杭州8號(hào)線青六路站深基坑工程施工監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑外土體豎向位移變化規(guī)律，得出如下主要結(jié)論:

(1)通過(guò)分析數(shù)據(jù)，該工程采用止水帷幕結(jié)合坑內(nèi)外共同深井降壓技術(shù)，有效控制了基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑內(nèi)外潛水及承壓水水位，開(kāi)挖過(guò)程中未出現(xiàn)滲水、突涌等工程問(wèn)題，保證了基坑工程的順利開(kāi)挖。

(2)該基坑周邊地表豎向位移有明顯的階段性，可總結(jié)為四個(gè)階段:①淺層開(kāi)挖(0～－8 m)階段。周邊地表測(cè)點(diǎn)多數(shù)輕微沉降狀態(tài)，最大值為10.8 mm。②承壓水降水階段。承壓水降水引起整體沉降，整體變化幅度為＋2.21～－38.82 mm，均值－13.18 mm。本工程最終地表沉降均值為－33.09 mm，該階段占比39%，可見(jiàn)本工程中承壓水降水對(duì)于地表沉降影響較大。③深層土體開(kāi)挖(－8～－24 m)階段。該階段承壓水水位穩(wěn)定，不再需要大幅度降水，基坑內(nèi)部土體卸荷作用再次占據(jù)主導(dǎo)位置，由于各部位不同的開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速度，各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速度也不盡相同。④整體底板構(gòu)筑階段。由于底板澆筑完成，基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成封閉整體，使得大多數(shù)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)趨向于穩(wěn)定[9－10]。

(3)該基坑的回彈現(xiàn)象明顯，回彈量大。最大回彈測(cè)點(diǎn)為DBC8-3，從－37.7 mm回彈至9.6 mm。可能是由于承壓水層在坑外水位恢復(fù)時(shí)，對(duì)土體產(chǎn)生了相對(duì)于潛水層更大的孔隙水壓力，但具體原因有待后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

(4)8號(hào)線青六路站深基坑特殊的三角區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為明顯的空間效應(yīng)，導(dǎo)致基坑北側(cè)地表沉降略大于南側(cè)。