上海地铁车站深基坑工程地面沉降防治实例分析

占光辉，何 晔，黄鑫磊

（上海市地质调查研究院，上海200072）

上海地铁车站深基坑工程地面沉降防治实例分析

占光辉，何 晔，黄鑫磊

（上海市地质调查研究院，上海200072）

软土地区深基坑工程施工中对地下水的降压与疏排易引发地面沉降等环境地质问题。结合上海某地铁车站深基坑降水工程，分析了设置隔水帷幕及进行浅部含水层人工回灌等措施后的地面沉降动态特征，探讨了基坑围护结构的止水性与布设深度、人工回灌与信息化监测等措施的技术要求与综合应用，以助于深基坑工程地面沉降防治。

环境地质；地面沉降；深基坑施工；降水工程；沉降防治

随着上海城市发展和对土地资源的需求，地下空间开发利用的强度与规模日益提高[1]。由于上海为典型的三角洲沉积平原，与地下空间开发密切相关的浅部地层主要以浅海相的粘性土和砂性土为主，具有高含水率、高压缩性等特点，而且地下水位埋藏浅，因此地下空间的开发利用过程中很容易引发地面沉降等环境地质问题[2,3]。

基坑工程是城市地下空间开发中的重要方面，也必然要涉及地下水的降压与疏排等问题，其是引发基坑周边地下水环境变化和不均匀沉降的主要因素之一[4～7]。

上海对地面沉降防治工作一直常抓不懈，近年来对工程建设引发的地面沉降问题高度重视。即将于2013年7月1日施行的《上海市地面沉降防治管理条例》，进一步明确了深基坑工程地面沉降的防治管理[8]。

本文以上海某地铁车站深基坑降水工程为例，分析地面沉降动态特征，探讨沉降防治措施及其应用实效，以促进深基坑工程地面沉降防治的技术交流与实践进步。

1 工程概况

上海某地铁车站为地下二层12m宽的岛式站台，基坑总面积约4300m2，开挖深度19.1～26.3m。采用地下连续墙作为围护结构，设置深度分别为30.8m与42.5m，将基坑分割为东区、换乘段、西区3个独立施工区域。东区最大开挖深度19.501m（底板标高-15.541m），地下连续墙深度30.80m；西区最大开挖深度19.116m（底板标高-15.156m），地下连续墙深度30.80m；换乘段最大开挖深度26.253m（底板标高-22.293m），地下连续墙深度42.50m。

本工程基坑范围内浅部主要以粉土和粘土为主（图1）；涉及的承压含水层为⑦层第一承压层，主要为粉砂和细砂土。据地层剖面可知：换乘段地下连续墙隔断⑦层承压含水层，而东区和西区地下连续墙均未能隔断该含水层。

图1 基坑平面示意及地层剖面Fig.1 The plan of foundation pit and stratum section

本工程对基坑底板的稳定性进行了验算，并作为减压降水作业时控制承压水位的依据。根据验算结果，东区的安全承压水头埋深为12.93m（标高-8.97m），设计水位降深6.16m；西区的安全承压水头埋深为11.97m（标高-8.01m），设计水位降深5.20m；换乘段的安全承压水头埋深为24.89m（标高-20.93m），设计水位降深18.12m。一般在前四道开挖支撑时不需要降压，而在第5道支撑至基坑底板需降压。

工程采用分段施工，当东区结构施工至±0.00后施工西区，在西区结构施工至±0.00后再施工换乘段。因此减压降水分三个时段进行，且之间都有一定的时间间隔。减压降水持续时间分别为46天、66天和72天。

为掌握减压降水期间的地面沉降动态，在基坑周边布设了总长超过200m的监测剖面。在东区基坑减压降水期间采取了按需降水，但因地下连续墙没有阻断承压含水层，基坑外承压水位降深达3.7m，基坑总排水量超过2万m3。降水期间，距基坑超过200m的区域内均有地面沉降，最大沉降量超过16mm，周边路面和管线出现明显不均匀沉降；施工影响范围（3倍基坑开挖深度）外的沉降量约4mm。距基坑100m范围内，北侧沉降量明显大于东侧，说明平行于条形基坑长边一侧的沉降更为严重。

在距基坑约70m（3H以外区域）处设置了一组分层标，用于监测各特征土层的变形情况。最终地面沉降量为8.40mm，承压含水层的压缩量为2.09mm，占25%；降压层上部粘性土层沉降量6.31mm，占75%。

2 地面沉降防治措施

2.1 浅层承压水人工回灌

该工程在东区基坑减压降水期间采取了人工回灌措施。为减少对基坑围护结构和降水作业的影响，回灌井布设在距基坑约40m处。回灌压力维持在0.25MPa左右，日回灌量约250m3。回灌后承压水位迅速抬升，在基坑与周边环境之间形成了一道地下水分水岭，回灌停止后水位迅速下降，可见其对承压水位的影响显著。

回灌期间地面整体表现为回弹，但发生回弹的地层只有承压含水层，相邻粘性土层沉降趋势有所减缓，其它地层均无明显变化。

2.2 隔水帷幕

本工程的基坑围护结构也充当隔水帷幕。东、西两区开挖深度接近，围护结构相同；换乘段开挖较深，设计承压水降深超过18m，因此如果围护结构深度与东、西区基坑相同，则减压降水对周边环境的影响较大，因此设计单位增加了围护结构的深度，使其进入承压含水层底板以下1m，基本阻断承压含水层。

隔水帷幕的设置，特别是阻断含水层的围护结构，实际效果良好。在设计的减压降水条件下，东区和西区的抽水量均超过2万m3，而换乘段抽水量不足1万m3，且基坑外水位降幅也明显小于东西两区。可见换乘段隔水帷幕深度的增加有利于保护周边环境，而且效果显著。但即使在隔水帷幕阻断承压含水层的情况下，基坑外水位降深依然达到2m，周边最大沉降量超过4mm。可见由于承压含水层下部粘土层的越流存在，即使阻断承压含水层也不能避免减压降水对基坑外地下水位和地面沉降的影响。

3 分析与讨论

本工程选择地下连续墙作为围护结构和隔水帷幕、适当增加围护结构深度、按需降水、人工回灌、信息化监测等防治措施，保障了基坑的安全并减小了减压降水对周边环境的影响，使得整个基坑工程得以顺利完工。

但在整个工程中仍有需要改进之处，例如：降水设计与基坑围护设计分离、人工回灌只是作为应急备用措施、水位监测和地面沉降监测独立进行等。由于这些原因，使得减压降水和人工回灌工作相对较为被动，只能在设计好的框架下进行，难有大作为；而地下水位和地面沉降监测缺乏有机联系，也使水位和沉降监测数据在时间和空间上难以匹配。

浅层承压水人工回灌和增加隔水帷幕深度以阻断含水层，都在一定程度上防止或降低了减压降水的地面沉降效应。浅层承压水人工回灌对于防止基坑外承压水位下降和防治地面沉降是有效的，且回灌方式对最终沉降量的影响较大，故建议在减压降水开始时就进行回灌，而不是在水位下降，相邻粘土层发生压缩以后。本工程由于采用加压回灌，使得回灌量大幅增加，达到单井出水量的近50%。但因回灌压力过大，长时间回灌导致在井周围发生涌水，回灌被迫停止。根据工程经验，目前在不加压或小压力的情况下，浅层承压水人工回灌量只有出水量的20%左右，回灌效率较低。如何改进回灌工艺，提高回灌效率是目前亟待解决的问题。

增加隔水帷幕的长度是目前防治基坑减压降水引发的地面沉降的另一个行之有效的方法。增加止水帷幕在含水层中的插入深度可以增加基坑外承压水进入基坑内的渗流路径，且可以将原有的水平流转化为垂直流，由于含水层垂直向的渗透系数通常都小于水平向的渗透系数，这样可以大幅减少流入基坑的水量。但增加隔水帷幕深度也意味着增加工程成本，而且在有些地区第一承压含水层很厚或与第二承压含水层沟通，因此盲目增加隔水帷幕在经济效益和技术实现上也存在一定问题。

除此之外，优化降水方案、加强降水运行管理以及缩短开挖工期等都有助于减小降水对周边环境的影响。但这些方法单独使用，可能存在相互制约，实际效果或许并不显著。必须将其组合形成综合防治措施，体现作业方案的系统性与全面性，以发挥最佳效能。有必要在基坑设计阶段，就将围护、减压降水和回灌一并进行设计，并予密切交互和有机协同。

缺少统筹考虑和统一协调会使各项措施的应用受到限制，影响防治的综合效果。因此有必要改变各种方案独立设计、独立实施，缺少统一安排的传统模式。将减压降水的沉降防治纳入顶层设计中，从建设项目开始阶段就进行评估，与基坑工程同步设计，与基坑施工统筹考虑，使各项防治措施协同一致，效率得到充分发挥。

4 结语

对于软土地区深基坑工程施工而言，为保障基坑安全并防止或降低减压降水引发的地面沉降等环境地质问题，采用强度高和隔水性能好的围护结构、增加围护结构深度、按需降水、人工回灌及信息化监测等措施，具有明显实效。各项技术方法应形成综合防治措施体系，并纳入建设项目的顶层设计中，与基坑设计同步进行，有助于进一步提高防治效果，减小防治成本，从而促进工程性地面沉降防治工作的深化和提高。

References)

[1] 江帆,张仰. 上海市地下空间开发利用的实践与展望[J]. 上海城市规划,2011,(2):62-67.

Jiang F, Zhang Y. Practice and outlook on the development of underground space in Shanghai[J].Shanghai Urban Planning Review,2011,(2):62-67.

[2] 刘毅. 地面沉降研究的新进展与面临的新问题[J]. 地学前缘, 2001,8(2):273-277.

Liu Y. Land subsidence research approaches and advent problems[J].Earth Science Frontiers,2001,8(2):273-277.

[3] 龚士良. 上海城市建设对地面沉降的影响[J]. 中国地质灾害与防治学报,1998,9(2):108-111.

Gong S L. Effects of urban construction on the land subsidence in Shanghai[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,1998,9(2):108-111.

[4] 龚士良,叶为民,陈洪胜,等. 上海市深基坑工程地面沉降评估理论与方法[J]. 中国地质灾害与防治学报,2008,19(4):55-60.

Gong S L, Ye W M, Chen H S, et al. Theory and methodology on assessment of land subsidence caused by excavation engineering for deep foundation pit in Shanghai[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2008,19(4):55-60.

[5] 杨天亮,严学新,王寒梅,等. 基坑施工引发的工程性地面沉降研究[J]. 上海地质,2009,30(2):15-21.

Yang T L, Yan X X, Wang H M, et al. Study on land subsidence induced by excavation engineering[J].Shanghai Geology, 2009,30(2):15-21.

[6] 杨天亮. 深基坑减压降水引发的地面沉降效应分析[J]. 上海国土资源,2012,33(3):41-44,70.

Yang T L. Analysis of the land subsidence impact of dewatering of deep foundation pits[J].Shanghai Land & Resources, 2012,33(3):41-44,70.

[7] 王建秀,吴林高,朱雁飞,等. 地铁车站深基坑降水诱发沉降机制及计算方法[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(1):1010-1019.

Wang J X, Wu L G, Zhu Y F, et al. Mechanism of dewateringinduced ground subsidence in deep subway station pit and calculation method[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1):1010-1019.

[8] 上海市人大常委会. 上海市地面沉降防治管理条例[J]. 上海国土资源,2013,34(2):92-96.

The Standing Committee of Shanghai Municipal People’s Congress. Regulations for the prevention of land subsidence in Shanghai[J].Shanghai Land & Resources,2013,34(2):92-96.

Discuss on Land Subsidence Control for Deep Foundation Pit Engineering in Shanghai Subway Station

ZHAN Guang-Hui, HE Ye, HUANG Xin-Lei
(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

The decompression and discharging of underground in deep foundation pit construction in soft soil area are easy to cause the land subsidence and other environmental geological problems. Using the deep foundation pit engineering in Shanghai subway station, this paper, analysis the land subsidence dynamic characteristics after setting the waterproof curtain and artificial recharge in shallow aquifer and other methods, and discusses the watertightness and laying depth of pit support structure, and studies the technical requirements of artificial recharge and information monitoring and their integrated applications. The above mentioned methods are to the benefit of preventing and controlling the land subsidence in deep foundation pit engineering.

environmental geology; land subsidence; deep foundation pit; dewatering engineering; land subsidence control

P642.26

A

2095-1329(2013)02-0068-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.016

2013-05-22

2013-06-20

占光辉(1985-),男,硕士,主要从事地面沉降防治研究.

电子邮箱：zhangh2007@126.com

联系电话：021-56613051

上海申通集团重大科研项目(JS-KY10R030)