多基坑深层承压水降水引起地表沉降规律研究

杨 潇

( 1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2.岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

我国城镇化水平的提高带动了城市地下工程的发展，城市基坑工程从浅型单一基坑逐渐发展成深型多基坑．以多基坑为特征的地下工程，对施工环境和施工条件提出了更高的要求．地下承压水，因具有较高的水位，对于基坑工程的危害可以归结为两类：一是基坑坑底接近承压含水层顶板时，承压水水头压力过高导致的坑底突涌破坏；二是基坑开挖穿过了承压含水层时，由于基坑围护结构的渗漏导致的流砂管涌[1]．因此，有必要对影响基坑施工的承压水实施降水．基坑工程对承压水实施降水，会造成大面积的地层沉降．原因在于，降水一方面导致基坑四周水位降低，土中孔隙水压力消散，有效应力增加；另一方面在水位降落漏斗范围内的水力梯度增大，作用在土体上的渗透力增大[2]．

1923年，Meinzer首次在地下水的研究中提出了地面沉降的概念．1925年，美籍奥地利土力学家Karl Terzaghi根据有效应力原理率先提出了饱和土一维固结理论．基于饱和土有效应力原理和Terzaghi一维固结理论，国内外学者对基坑工程中降水引起的地层沉降问题作了较为广泛的研究．

顾小芸[3]回顾30年来由抽水引起的地面沉降计算，对计算参数进行了讨论．璩继立等[4]从某地铁车站降水实际出发，对上海地区降水引起的水头分布范围及其与地层沉降之间的一般规律做了研究．骆冠勇等[5]研究了在深厚弱透水层下卧强透水承压层的复杂地质条件下，下卧承压水层减压引起的土中应力变化及周围地表沉降的计算方法．S. L.Shen等[6]使用有限元模型对未开挖基坑承压水降压进行了模拟，并与实测数据做了对比分析．李文广[7]针对浅层承压含水层基坑降水，以粘弹性理论和随机介质理论为基础，推导了一种新的基坑降水引起地面沉降的计算方法．孙振岳等[8]通过离心机模型试验研究抽水引起的地基变形，探讨了渗透作用对地面沉降发展规律的影响．叶为民等[9]以某修复工程深基坑减压降水实例，基于Biot固结理论和Hardening-Soil本构模型，探讨了深基坑承压水降水对周边地面沉降的影响因素、范围和程度．杨天亮[10]根据某地铁车站深基坑工程减压降水和地质环境监测结果，分析了深基坑工程的地面沉降效应，为工程性地面沉降防治提供一定的科学依据和实践指导．

综上，目前对于基坑承压水降水及地层沉降的研究多是集中于单一基坑浅层承压水的降水实践或是从理论上推算深层承压水降水引起土层变形．然而，当基坑工程，特别是多个基坑遭遇深层承压水的特殊工况，实际施工所面临的风险是极大的．一方面对深层承压水降压引起的土体变形，其影响区域较大，会对各个基坑的本体稳定产生复杂的影响；另一方面，多个基坑的存在对于土层沉降有一定的控制作用，进而影响周边环境的变形规律．本文基于太沙基一维固结理论，着眼于多基坑深层承压水降水，即上海地区第二承压含水层的降水，在地下综合体工程背景下，研究承压水降水及其周边土层变形问题，通过数值模拟手段研究多种基坑布置形式下的地层沉降情况，具有一定的理论价值和工程指导意义．

1 工程背景及有限元模拟

1.1 工程背景

研究背景是上海汉中路地铁车站换乘枢纽工程，见图1．基坑开挖最深处达32.88 m，围护结构地下连续墙隔断了第一承压含水层，并对其实施坑内疏干降水；对于第二承压含水层，按需减压降水.由于该含水层未被围护结构隔断，采取坑内降水一会有坑外水源补给，二不利于坑内地下结构施工，因此最终采取坑外减压降水，属于第二类基坑工程降水[11]．此外，两层承压含水层之间没有水力联系．由于第一承压含水层坑内降水不会引起坑外土体沉降，因而本文针对第二层承压水作降水研究．

1.2 计算条件

利用GeoStudio2007有限元数值分析软件，对第二承压含水层做降水模拟．根据现场工程地质条件，将土体计算模型总结为5层：潜水含水层I、第一隔水层II、第一承压含水层III、第二隔水层IV、第二承压含水层V．各土层的特性参数见表1．

图1 总工程平面图Fig.1 The general engineering planar graph

表1 土层的计算参数Tab.1 Computing parameters of soil layers

2 有限元计算结果分析

研究多个基坑承压水降水，结合工程背景，选取典型断面进行分析．分析工况包括：两个独立基坑降压和坑中坑局部降压．研究控制变量为承压含水层厚度M和基坑间距D．第二承压含水层初始水位埋深6 m，统一水位降深10 m，降压井插入第二承压含水层深度3 m.

2.1 两个独立基坑降压

2.1.1 承压含水层厚度M的影响

基坑间距D为50 m，承压含水层厚度M取值10 m、15 m、20 m、25 m、30 m．降压井布设在目标基坑隔水帷幕外侧5 m处．计算模型如图2，降压目标基坑位置对应x=525～550 m，相邻基坑位置对应x=450 ～475 m，降压井位置对应x=520 m及x=555 m．

（1）降水结果分析

降压后目标基坑处第二承压含水层顶部水位如图3．不同承压含水层厚度的降压水位曲线基本重合，目标基坑处水位基本不变．因为水位降落仅受到水位降深影响，而与承压含水层厚度M无关．

（2）地表沉降结果分析

降压后基坑周边地表沉降如图4．如图围护结构对于地表沉降有隔断作用，即围护结构两侧地表沉降值出现了跳跃突变．当处于降压井外侧约33 m之间的区域(x=487～588 m)，地表沉降s随承压层厚度M增加呈现先增加后减小的特点；当处于此区域之外时，地表沉降s随承压层厚度M增加而增加．对x=487～588 m区域内地表沉降出现后期减小的现象，原因在于该区域处于降压井抽水点附近影响区域，随着承压层厚度M后期逐渐增加，降压井插入深度有限，使得抽水的地层变形受到了限制，而出现了后期地表沉降减小的特点．

图2 不同承压层厚度的双坑降压计算模型Fig.2 The computing model of two independent pits with various thickness of confined aquifer

图3 不同承压层厚度的双坑降压水位Fig.3 Curve of dewatering of two independent pits with various thickness of confined aquifer

图4 不同承压层厚度的双坑降压后周边地表沉降Fig.4 Curve of surface settlement of two independent pits with various thickness of confined aquifer

2.1.2 基坑间距D的影响

计算模型如图5所示．

（1）降水结果分析

降压后目标基坑内第二承压含水层水位如图6．水位降落曲线不受基坑间距D的影响，表现为统一水位降深下各水位降落曲线重合．

图5 不同基坑间距的双坑降压计算模型Fig.5 The computing model of two independent pits with various distances of excavations

图6 不同基坑间距的目标基坑降压水位Fig.6 Curve of dewatering of two independent pits withvarious distances of excavations

图7 不同基坑间距的双坑地表沉降Fig.7 Curve of surface settlement of two independent pits with various distances of excavations

（2）地表沉降结果分析

降压后的地表沉降如图7所示．围护结构对地表沉降有隔断作用；随着基坑间距D的增加，目标基坑内部地表沉降逐渐减小，其外侧地表沉降基本相同；随着基坑间距D的增加，相邻基坑内部地表沉降减小，其外侧地表沉降衰减速率加快．

2.2 坑中坑局部降压

2.2.1 承压含水层厚度M的影响

计算模型如图8，大基坑位置对应x=405 ～595 m，局部深坑位置对应x=485 ～515 m，降压井布设位置对应x=480 m、500 m、520 m．

图8 不同承压层厚度的坑中坑降压计算模型Fig.8 The computing model of pit in pit with various thickness of confined aquifer

图9 不同承压层厚度的坑中坑降压水位Fig.9 Curve of dewatering of pit in pit with various thickness of confined aquifer

图10 坑中深坑的周边地表沉降(不同承压层厚度)Fig.10 Curve of surface settlement of pit in pit with various thickness of confined aquifer

（1）降水结果分析

在不同承压层厚度下，坑中深坑在降压后的承压层水位如图9，规律同前．

（2）地表沉降结果分析

坑中深坑工况下的地表沉降如图 10所示．在x=450～550 m范围以外，随着承压层厚度增加，地表沉降逐渐增大；在该范围内，随着承压层厚度增加，地表沉降逐渐减小，这与前述地表沉降规律有所不同，原因在于前述各工况采用的是在目标基坑两侧进行双井降压，而坑中深坑采用的是对目标深坑内外三井降压，后者的降水曲线要高于前者(如图11)，表明同一降深下，三井降压对x=460～540 m范围内土层的孔隙水压力消减程度要弱于双井降压，因此没有表现出地表沉降随承压层厚度增加而首先增大的情况，只呈现出了地表沉降随承压层厚度增加而减小的特点．

图11 同一降深下双井降压和三井降压水位曲线Fig.11 Curve of dewatering under two wells and three wells

图12 不同基坑间距的坑中坑降压计算模型Fig.12 The computing model of pit in pit with various distances of excavations

2.2.2 基坑间距D的影响

这里研究的基坑间距D，是指深坑边缘到大基坑边缘的距离．计算模型如图 12所示，局部深坑位置对应x=485～515 m，降压井布设位置对应x=480 m、500 m、520 m．

图13 不同基坑间距的坑中坑降压水位Fig.13 Curve of dewatering of pit in pit with various distances of excavations

（1）降水结果分析

降压后水位曲线如图13，规律同前．

（2）地表沉降结果分析

不同基坑间距的地表沉降结果如图14．

图14 不同间距的坑中坑周边地表沉降Fig.14 Curve of surface settlement of pit in pit with various distances of excavations

随着基坑间距D的增加，外侧地下连续墙对地表沉降的收敛作用愈加明显．然而，在研究深坑中心处第二隔水层及上覆土层垂直沉降时发现，随着基坑间距D的增加，土层沉降出现先增大后减小的现象，以D=30 m为分界点，如图15.这是因为围护结构对于地表沉降的隔断作用，隔断效果越明显，深坑内部土体沉降值越大．于是，当基坑间距很小时，围护结构对降压区域附近地表沉降隔断作用未充分发挥，深坑中心土层沉降值偏小；当基坑间距达一定数值时，隔断作用才充分发挥，深坑中心土层沉降值增加到最大；而当基坑间距继续变大时，隔断作用逐渐减弱，深坑中心土层沉降值逐渐减小．

图15 坑中坑中心处第二承压含水层以上各土层垂直沉降Fig.15 Settlement of vertical section at the center point of pit in pit

3 结论

（1）两个独立基坑实施承压水降水，在降压井形成的一定影响区域内，地表沉降量随着承压含水层厚度M增加而先增加后减小；在影响区域外，地表沉降量s随着承压含水层厚度M增加而增加．

（2）两个独立基坑实施承压水降水，随着基坑间距D增加，两个基坑内部的地表沉降均逐渐减小．

（3）坑中坑实施承压水降水，在降压井形成的一定影响区域内，地表沉降随着承压含水层厚度M的增加而逐渐减小，在影响区域外，地表沉降随着承压含水层厚度M的增加而逐渐增大．

（4）坑中坑实施承压水降水，随着基坑间距D的增加，深坑内部的地表沉降先增大后减小．

References

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