深基坑開挖期間地下水位與周邊地表沉降的關(guān)聯(lián)性分析

1 工程概況

廣東省某大型長距離引調(diào)水工程，輸水線路總長度約113km，橫跨多個區(qū)縣，全線劃分為若干個工作井。其中某工作井為盾構(gòu)雙線共用的圓形井，外徑35.9m，內(nèi)徑30.5m。基坑開挖采用地下連續(xù)墻垂直支護(hù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻加內(nèi)襯墻形式（1.2m+1.5m），基坑深度61.55m，井底板高程-58.35m，工作井位于永豐工業(yè)南路南側(cè)36m，原為荒地，地勢平坦，現(xiàn)場地平整至地面高程3.2m。采用順挖逆做施工工藝，工作井地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)共計24幅。

根據(jù)鉆孔揭露，井身中上部為第四系人工填土層和沖積層，厚度28.2m～33.5m，主要有①人工填土層、②-2質(zhì)黏土層、②-3淤質(zhì)細(xì)砂層、②-4淤質(zhì)黏土層、②-5泥質(zhì)細(xì)砂層、③-2有機(jī)質(zhì)黏土及③-3泥質(zhì)細(xì)砂層，其中含水層為②-3質(zhì)細(xì)砂層、②-5泥質(zhì)細(xì)砂層及③-3泥質(zhì)細(xì)砂層。工作井地層參數(shù)特性見表1。

表1 工作井地層參數(shù)特性表

2 安全監(jiān)測布置

2.1 地表沉降標(biāo)點布設(shè)

對于深基坑周邊地表的沉降標(biāo)點布設(shè)，一般在洞徑三倍范圍布設(shè)兩個斷面，周邊有建筑物則在建筑物基礎(chǔ)或建筑物上布設(shè)沉降標(biāo)點，另在相對穩(wěn)定的基礎(chǔ)（基巖）上布置沉降觀測起測基點，采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測。為保證沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，針對不同地質(zhì)條件，觀測點采用不同的埋設(shè)方法，如：基坑周邊均為原狀土，比較密實，層厚超過3m以上，則直接在表面挖坑或混凝土覆蓋層鉆孔埋設(shè)；如遇回填浮土或淤泥的，則需要鉆孔約1.5m深將標(biāo)點加長連接桿深埋，外露標(biāo)點頭需要與地面混凝土覆蓋層分開，使沉降標(biāo)點更準(zhǔn)確測出真實的沉降數(shù)據(jù)。

工作井共埋設(shè)3個垂直位移基點，基點布設(shè)在建筑物以外不受施工影響、通視良好、地基穩(wěn)定可靠堅實的穩(wěn)定區(qū)域，共計布設(shè)監(jiān)測起測基點3個，基礎(chǔ)挖坑至穩(wěn)定的堅實原狀土上，基礎(chǔ)尺寸約為1m×1m，驗收后制作C30標(biāo)號鋼筋混凝土觀測墩，安裝標(biāo)點頭，制作預(yù)制鋼筋混凝土保護(hù)蓋板。

在工作井連續(xù)墻頂部均勻布設(shè)了4個垂直位移測點，與連續(xù)墻水平位移測點同墩澆筑，另在基坑四周對稱連續(xù)墻中點與基坑圓心連線靠基坑2m外每11m布設(shè)一個測點，每個方向6個共計12個測點。位于土體表面的水準(zhǔn)標(biāo)點鉆孔直徑200mm，深度為60cm，回填混凝土平地面時安裝水準(zhǔn)標(biāo)點頭；布設(shè)在混凝土擋墻頂部平面的水準(zhǔn)標(biāo)點，直接豎直安裝于混凝土中，標(biāo)點頭低于表面3cm，保護(hù)盒鋼蓋與混凝土面齊平，監(jiān)測地表沉降變化情況。如圖1所示。

圖1 垂直位移測點埋設(shè)示意圖

2.2 水位孔布設(shè)

基坑周邊布設(shè)水位孔已考慮施工機(jī)械、車輛對其孔口裝置的破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷，一般在水位孔內(nèi)埋設(shè)一支滲壓計，進(jìn)行自動化監(jiān)測，掌握基坑開挖前的地下原始水位范圍。為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須避免不正確的安裝方法、地表水直接進(jìn)入孔內(nèi)、灌漿串漿將水位孔填滿等因素。根據(jù)鉆孔取芯了解地質(zhì)情況，確定隔離層距孔口深度，花管段用洗凈砂回填，處于透水層，滲壓計置于孔內(nèi)后，對水位孔進(jìn)行靈敏度測試，同時校核滲壓計埋設(shè)基準(zhǔn)值，人工觀測水位與滲壓計觀測水位是否同步，如果孔位處于主要交通道路或施工作業(yè)面時，對孔口進(jìn)行密封，滲壓計進(jìn)入自動化采集系統(tǒng)。

水位孔具體安裝步驟如下：①測量放樣，在設(shè)計部位鉆孔，鉆機(jī)采用地質(zhì)鉆機(jī)，鉆進(jìn)角度為垂直，要求取芯并作地質(zhì)情況描述。②終孔后安裝測壓管，測壓管管材采用Φ50PVC管，孔底封堵，孔底2m為透水花管段，透水段采用Φ5～6mm鉆花在管壁鉆孔，環(huán)向6～8個孔均布圓周，縱距約50mm，呈梅花形分布，花管段用尼龍網(wǎng)、土工布包裹，用細(xì)鐵絲綁扎。③將加工好的測壓管逐節(jié)加長下放至孔底，管口略高于地面，做好管口保護(hù)。④管壁與孔壁之間隙用細(xì)小不同粒徑的膨脹土泥球充填，隔離地表水。⑤做好施工記錄，按考證表要求填寫內(nèi)容包括儀器測點設(shè)計編號、高程、安裝日期、部位樁號、天氣情況，施工過程中的相關(guān)事件等。⑥在孔口保護(hù)管頂部用紅色油漆標(biāo)注設(shè)計編號。本工程在工作井南北兩側(cè)距地連墻10m處各安裝了1根測壓管，鉆孔深度均在36m左右，監(jiān)測地下水位變化情況。

3 監(jiān)測項目的觀測

3.1 垂直位移基點

本工作井垂直位移基點共布設(shè)3個，由附近的施工控制網(wǎng)水準(zhǔn)基點按《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2016）中一等水準(zhǔn)要求引測。首期連續(xù)獨立觀測兩次，并取其平均值作為首期觀測成果。

3.2 垂直位移監(jiān)測

垂直位移監(jiān)測采用水準(zhǔn)法，形成閉合水準(zhǔn)路線，按《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8-2016）中二等水準(zhǔn)要求觀測。儀器為徠卡LS15，每公里高差測量中誤差：≤±0.3mm/km，距離測程：1.6m～100m，測量精度控制測站高差中誤差≤0.3mm，位移量中誤差限制為±2.0mm。

首期觀測進(jìn)行往返測，并取兩次觀測平均值作為首期觀測成果，其他各期觀測可采用單程觀測。觀測順序：奇數(shù)站：后、前、前、后，偶數(shù)站：前、后、后、前。

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸及平差計算 觀測記錄采用電子水準(zhǔn)儀自帶記錄程序進(jìn)行，觀測完成后形成原始電子觀測文件，通過數(shù)據(jù)傳輸處理軟件傳輸至計算機(jī)，檢查合格后使用專用水準(zhǔn)網(wǎng)平差軟件進(jìn)行嚴(yán)密平差，得出各點高程值。

平差計算要求如下：①應(yīng)使用穩(wěn)定的基準(zhǔn)點為起算，并檢核獨立閉合差及與2個以上的基準(zhǔn)點相互附合差滿足精度要求條件，確保起算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確；②平差前應(yīng)檢核觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，檢核合格后按嚴(yán)密平差的方法進(jìn)行計算；③平差后數(shù)據(jù)取位應(yīng)精確到0.1mm。

通過變形觀測點各期高程值計算各期階段沉降量、階段變形速率、累計沉降量等數(shù)據(jù)。

3.2.2 變形數(shù)據(jù)分析 觀測點穩(wěn)定性分析原則如下：①觀測點的穩(wěn)定性分析基于穩(wěn)定的基準(zhǔn)點而進(jìn)行的平差計算成果；②相鄰兩期觀測點的變動分析通過比較相鄰兩期的最大變形量與最大測量誤差（取兩倍中誤差）來進(jìn)行，當(dāng)變形量小于最大誤差時，可認(rèn)為該觀測點在這兩個周期內(nèi)沒有變動或變動不顯著；③對多期變形觀測成果，當(dāng)相鄰周期變形量小，但多期呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢時，應(yīng)視為有變動。

3.3 地下水位監(jiān)測

本次基坑水位監(jiān)測，采用水位孔監(jiān)測圍墻周圍的地下水位變化，水位孔觀測采用電測水位計，型號：BGK-101，量程：50m，最小讀數(shù)：1mm。水位計探頭自孔口向下緩慢下放，當(dāng)其觸及水面時發(fā)出報警聲，連續(xù)測取三次讀數(shù)差小于1cm以內(nèi)方可記錄，取三次平均值作為當(dāng)次觀測值。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析

4.1 觀測頻次

監(jiān)測資料整編分析和安全性評價是本項目監(jiān)測工作中重要的組成部分，是滿足診斷、預(yù)測、法律和研究四方面需求，也是進(jìn)行安全監(jiān)控的一個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

對施工期基坑各監(jiān)測項目需在基坑支護(hù)施工前測得穩(wěn)定的初始值，且不應(yīng)少于三次。各項監(jiān)測工作的時間間隔將根據(jù)施工進(jìn)程確定，在開挖卸載急劇階段，間隔時間不超過2天，其余情況下可相應(yīng)延長。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或場地條件變化較大時，將加密觀測。各項監(jiān)測工作的時間間隔滿足相關(guān)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50497-2019），施工期基坑觀測頻次如表2。

表2 施工期基坑監(jiān)測頻次

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析

工作井內(nèi)襯墻于2020年3月18日進(jìn)行首層開挖，2020年7月10日，工作井開挖至第七層（約28m）位置時，在井內(nèi)東側(cè)距地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)約2m位置出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，出水量約10m/h；北側(cè)水位孔（UP4-1）地下水位下降0.60m，南側(cè)水位孔（UP2-1）地下水位基本未變；垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)呈緩慢沉降。

2020年8月21日開挖至第十層時（約42m），因地層進(jìn)入較完整巖面，能觀察到規(guī)則圓形探孔，初步判定為初勘地質(zhì)勘探孔，此時出水量約20m/h，同時第一時間對此處滲漏位置進(jìn)行注漿封堵處理，當(dāng)時已基本封堵住，只有少量明水滲出。北側(cè)水位孔（UP4-1）地下水位下降3.01m，南側(cè)水位孔（UP2-1）地下水位下降0.30m；垂直位移監(jiān)測數(shù)據(jù)仍呈緩慢沉降。

2020年9月5日，在進(jìn)行十一層土方開挖過程中，此處再次出現(xiàn)涌水，涌水量約30m/h，后經(jīng)封堵無果后采取引排措施，同時對出水量及基坑周邊沉降進(jìn)行加密監(jiān)測，水位和沉降仍未見突變變化；直至2020年10月26日晚，進(jìn)行基坑底板砼澆筑時，涌水量有明顯增加，約100m/h，持續(xù)時間約4個小時，后又恢復(fù)40m/h的出水量；南北兩側(cè)水位孔均下降11.7m左右，工作井基坑周邊測點連續(xù)3天沉降在2mm以上，對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常進(jìn)行了及時預(yù)警?；拥装逵克嬖趦煞N途徑。第一種為含水層地下水通過地連墻與巖體間通道發(fā)生滲漏，繞過地連墻底部，在基坑坑底發(fā)生滲漏；另一種途徑可能為沿斷層破碎帶發(fā)生滲漏，至坑底涌水。

圖2地連墻沉降與水位關(guān)聯(lián)過程線，在水位變化相同的情況下，地連墻下沉量遠(yuǎn)小于基坑周邊沉降量，因地連墻采用鋼筋混凝封堵土澆筑深度超過60m，只有地連墻底部產(chǎn)生下沉才會影響頂部垂直測點變化。

圖2 工作井地連墻沉降與水位關(guān)聯(lián)過程線

圖3和圖4基坑周邊沉降與水位關(guān)聯(lián)過程線，在水位變化相同的情況下，南側(cè)基坑周邊沉降量大于北側(cè)基坑周邊下沉量，因施工現(xiàn)場場地受限，垂直位移測點LD2-6埋設(shè)在車輛運輸?shù)缆泛褪┕ぶ丶O(shè)備堆載區(qū)附近，該測點比其他測點下沉量多了約20mm。

圖3 基坑南側(cè)沉降與水位關(guān)聯(lián)過程線

圖4 基坑北側(cè)沉降與水位關(guān)聯(lián)過程線

綜上，從圖2～圖3可以看出，水位初期下降后，地表沉降存在一定滯后性，地表沉降呈緩慢下沉趨勢，變化量較小；10月下旬沉降與水位基本保持一致性，水位下降，地表下沉；11月中旬施工單位對滲水點采取臨時封堵措施，沉降與水位變化趨勢趨于穩(wěn)定；11月下旬確定最終封堵灌漿處理方案，在底板安裝壓力表監(jiān)測基坑底板浮托力，同時在基坑周邊合適部位開回灌孔，采取邊封堵灌漿邊進(jìn)行回灌，地下水位在12月中旬回升至初始水位以上，基坑周邊垂直位移測點均抬升10mm左右，因垂直位移測點沉降存在不可逆變形，回升至某個臨界點后變化趨勢表現(xiàn)為平緩。

5 結(jié)論

若工作井地質(zhì)情況為地下富水軟土層，且土層覆蓋較深，深基坑開挖施工過程中地下水位的下降及周邊沉降情況不可避免，需在確保工程安全的前提下提高施工效率，故基坑開挖過程中出現(xiàn)地下水位需結(jié)合完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析：①若僅地下水位下降，累計下降值在3m以內(nèi)（需根據(jù)各施工部位的地質(zhì)條件進(jìn)行確定），基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物監(jiān)測數(shù)據(jù)未產(chǎn)生異常突變，可按設(shè)計及規(guī)范要求進(jìn)行加密數(shù)據(jù)采集，在監(jiān)測數(shù)據(jù)無進(jìn)一步異常變化情況下，謹(jǐn)慎進(jìn)行相關(guān)土建工作；②若地下水位下降與地表周邊沉降產(chǎn)生聯(lián)動變化，則需重點關(guān)注。屆時應(yīng)要求施工單位及時采取應(yīng)急工程措施，確認(rèn)水位下降及周邊的沉降不再進(jìn)一步發(fā)展后，方可進(jìn)行下一步工作，確保工程及周邊的安全。