深基坑减压降水地面沉降控制综合分区方法研究

2018-08-04杨天亮

上海国土资源 2018年2期

杨天亮

（1.上海市地质调查研究院，上海 200072；2.国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3.上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

随着国土资源“三深一土”科技发展战略的实施，深层地下空间开发利用成为当前热点，其中深基坑工程作为典型地下空间开发利用类型，逐渐向大、深、群方向发展，由此出现了大量的深大基坑工程和基坑群，产生了一系列环境地质问题，最为突出的深基坑减压降水引发的显著不均匀沉降问题已经成为当前上海城市安全和可持续发展的重要制约因素。

1 深基坑工程区域地质环境条件

1.1 工程地质条件

上海地区与基坑工程密切相关的土层主要包含9个工程地质层，并以黏性土、粉性土和砂性土为主，在垂直方向交替出现，呈现出较好的成层分布特征。其中，黏性土含水率较高，土层多以软塑、可塑状为主，前期固结程度较低，可压缩性较高。粉性土和砂性土呈饱和状，较为松散，在地下水位下降时易压密下沉，具有较大的可压缩性。

1.2 表土层

第①层表层填土主要有人工填土、浜土、吹填土、江滩土等，土性相对复杂，与人工回填物密切相关。

第②层属Qh3滨海—河口相沉积，全区普遍分布，根据岩性差异可细分为②1层褐黄色黏性土，可塑，属中等压缩性土，俗称“硬壳层”，是良好的天然地基持力层；②2层灰黄色黏性土，软塑，属中等—高压缩性土，局部夹粉性土；②3层（浅部砂层）灰色粉性土、粉砂，松散—稍密，属中等压缩性土，长江河口砂岛和潮坪地貌区普遍分布。

（2）第一软土层

第③层淤泥质粉质黏土、④层淤泥质黏土，属Qh2滨海—浅海相沉积，流塑，属高压缩性土，全区普遍分布。总体土性较差，受工程建设活动影响明显，是浅部主要的压缩层。

（3）第二软土层

第⑤层黏土、粉质黏土层，属Qh1滨海—沼泽相沉积，全区普遍分布，软塑—可塑，土性至上而下逐渐变好，属中—高压缩性土，是工程建设影响的主要压缩层之一。在古河道地区受切割影响自上而下一般相应沉积了分布不稳定的第⑤2层灰色粉性土、粉砂，稍密—中密，局部密实，属中等压缩性土；第⑤3层灰—褐灰色黏性土，可塑，属中等压缩性土；第⑤4层灰绿色黏性土，可塑—硬塑，属中等压缩性土。

（4）第一硬土层

第⑥层暗绿色黏土、粉质黏土层，属Qp3-2河口—湖泽相沉积层，可塑—硬塑，属超固结、中等压缩性土，除河口砂岛地区整体缺失外，其它地区受古河道切割局部缺失。

（5）第一砂层

第⑦层草黄色—灰色粉性土、粉细砂，属Qp3-2河口—滨海相沉积，中密—密实，属中等压缩性土，是良好的桩基持力层，对深基坑工程影响较大，除河口砂岛地区整体缺失外，其它地区普遍分布。

（6）第三软土层

第⑧层黏性土为主，属Qp3-2滨海—浅海相沉积，塑—可塑，属轻度超固结、高—中等压缩性土，部分地区缺失。部分地区发育有⑧2层灰色粉质黏土、粉砂互层，可塑或中密，具交错层理，夹砂互层呈“千层饼”状，属中等压缩性土，是较好的桩基持力层。

（7）第二砂层

1.2 水文地质特征

上海地区深基坑工程影响范围内（100m以浅）的含水层主要有潜水含水层、微承压含水层、第一承压含水层和第二承压含水层，其水文地质特征如下：

（1）潜水含水层

潜水含水层为全新世中晚期（Qh2-3）河口—滨海相沉积，层底埋深一般为3～25m，厚度介于2.5～24m。岩性以黏性土或上部黏性土、下部砂性土为主。潜水含水层富水性一般较差，但在长江河口砂岛地区富水性相对较好。潜水基本无开发利用，水位比较高且较稳定，埋深约0.5m。

（2）微承压含水层

微承压含水层为全新世早期（Qh1）溺谷相沉积，零星分布在古河道分布区及长江河口砂岛区，滨海平原区局部分布。岩性以砂质粉土为主，部分地区下部为粉砂，其层顶埋深为15～22m，厚度介于2～15m之间（图1）。微承压含水层富水性贫乏，单井涌水量为1～20m3/d（口径500mm、降深2m时）。微承压含水层除工程降水外基本无开发利用，水位比较高，但由于含水层不连续，各地区水位有一定差异，受工程降水和下覆含水层补排影响有一定波动。由于含水层顶板埋深较浅，水位较高在基坑开挖过程中有突涌的可能。

图1 微承压含水层结构图Fig.1 The structure diagram of microcon fi ned aquifer

（3）第一承压含水层

图2 第一承压含水层结构图Fig.2 The structure diagram of fi rst con fi ned aquifer

第一承压含水层主要受工程降水和第二承压含水层影响。在工程建设密集区域由于基坑降水可形成一定区域的地下水位漏斗，在第一、二承压含水层沟通区受第二承压含水层水位抬升影响第一承压含水层水位有一定的抬升。第一承压含水层顶板埋深较浅，水位较高，富水性较好，对基坑工程不利，在基坑开挖过程中有突涌的可能，而且当隔水帷幕未隔断承压含水层的情况下减压降水容易引发基坑外水位下降和地面沉降。

（4）第二承压含水层为中更新世（Qp2）河口—滨海相沉积物，除基岩凸起处缺失外全区广泛分布，且发育良好。其顶板埋深一般60～70m，层厚一般20～30m，含水层岩性以灰色细中砂含少量砂砾石为主（图3）。第二承压含水层是上海地区透水性和富水性最好的含水层（组）之一，除基岩浅埋区富水性小于100m3/d外，富水性普遍介于1000～3000m3/d（口径250mm，降深5m）。

总体上第二承压含水层水位受区域水位和人工回灌控制，受人工回灌影响地下水位呈逐年微量抬升趋势，水位标高普遍在-1～-4m。另外因受工程降水和第一承压含水层水位波动影响会出现一定的水位波动，且在工程建设活动密集的第一、二承压含水层沟通区水位普遍偏低，如在陆家嘴地区水位标高在-3～-4m。由于含水层顶板埋深较深，通常在第一、二承压含水层非沟通区基坑减压降水不涉及第二承压含水层。在第一、二承压含水层沟通区由于含水层厚度较大，富水性好，隔水帷幕无法阻断承压含水层，减压降水对基坑外水位影响较大。

图3 第二承压含水层结构图Fig.3 The structure diagram of second con fi ned aquifer

2 深基坑减压降水模式

按照深基坑工程降水的目的含水层次和工程特性，可以分为两种降水类型，一种为疏干降水，一种为减压降水。

2.1 疏干降水

疏干降水主要对基坑开挖深度范围内的潜水含水层地下水进行疏干，其目的主要是为了降低土体含水量，提高土体强度以便于基坑开挖，同时也有利于土体稳定，减小基坑围护的变形。在深基坑工程中通常对开挖深度范围内的土体均采用隔水帷幕进行封闭，因此疏干降水对基坑外地下水和地面沉降影响较小。

2.2 减压降水

当基坑开挖深度较深，承压含水层上覆土压力小于承压水顶托力时基坑存在突涌可能，此时需要采取减压降水措施。依据隔水帷幕插入承压含水层深度不同，在减压降水过程中地下水向基坑内汇集时所呈现出的渗流特征也不同，并导致其引发的基坑外水位降深和地面沉降有显著差异。根据基坑隔水帷幕插入承压含水层深度不同可分为三种模式。

（1）落底式帷幕

该模式下基坑隔水帷幕隔断承压含水层，降压井布置在基坑内，采用封闭式降水，减压降水期间基坑内外没有水力联系，或水力联系很弱，坑外水位基本不受影响（图4）。这种减压降水模式对控制基坑周边地面沉降最为有利，但要求承压含水层底板埋深较浅，隔水帷幕能够隔断承压含水层。

（2）敞开式帷幕

图4 落底式帷幕——封闭式降水示意图Fig.4 Sketch map of bottomed waterproof curtain and enclosed dewatering

该模式下隔水帷幕对于承压含水层不起隔水作用，降压井常布置在基坑外（如图5），即采用坑外降水，目前上海地区也有一些基坑采用敞开式帷幕，降压井布置在基坑内。敞开式帷幕时减压降水对控制基坑周边地面沉降最为不利，通常不建议采用此类减压降水模式。

图5 敞开式帷幕——坑外降水示意图Fig.5 Sketch map of opened waterproof curtain and dewatering outside of pit

（3）悬挂式帷幕

该模式下隔水帷幕进入承压含水层一定深度，但未隔断承压含水层，隔水帷幕具有一定的隔水效果，但基坑内外地下水仍具有明显的水力联系。悬挂式帷幕时通常采用坑内降水，不宜采用坑外降水。根据隔水帷幕插入深度与降压井井底深度间的相互关系又可将该种情况划分为两种类型，一种是降压井井底高于隔水帷幕底面（滤管内凹型悬挂式帷幕），该种情况下由于隔水帷幕阻挡，地下水向基坑内汇集时水流路径增加，而且地下水以垂向流动向基坑内汇集，利用含水层垂直向渗透系数较水平向渗透系数小的特点，将显著减小向基坑内汇集的水量，显著减小基坑外水位降深和地面沉降（图6-a）；另一种是降压井井底低于隔水帷幕底面（滤管外凸型悬挂式帷幕），该种情况下隔水帷幕阻挡地下水效果不明显，地下水向基坑内汇集仍以水平流动为主，对减小基坑外水位降深和地面沉降效果不明显（图6-b），此时有些基坑工程也将降水井布置在基坑外，采用坑外降水。

综上分析可知，敞开式和悬挂式帷幕情况下的减压降水对基坑周边环境影响较大，目前在深基坑工程中为对特定的建（构）筑物的保护，或针对局部开挖深度较深位置采取局部加深隔水帷幕的情况已较为普遍，基坑隔水帷幕的多元化发展旨在减轻基坑减压降水对坑外地下水位和地面沉降的影响。

图6 悬挂式帷幕——坑内降水示意图Fig.6 Sketch map of hanging waterproof curtain and dewatering inside of pit

3 深基坑减压降水综合分区

3.1 地质结构分区研究

由工程水文地质特征分析可知，上海地区地层虽然具有显著成层分布特征，规律性较强。受沉积环境和古河道切割等因素影响，在不同的区域呈现出不同的地层组合，而且根据工程实践不同地层组合对深基坑工程影响差异较大，因此有必要进行地质结构分区研究。目前深基坑工程的主要影响深度为第⑨层及以浅地层，即分区需考虑第⑨层及其上部土层的组合特征。

上海地区由于海侵和海退的影响，主要形成了湖沼平原、滨海平原、河口砂岛和潮坪四种地貌类型，不同的沉积环境决定了上海地区地层分布与缺失的基本格局。在局部地区地层分布主要受古河道切割影响，古河道切割导致地层层序发生变化，使得部分地区第⑥层缺失，并沉积有第⑤2层。此外，上海部分地区第⑧层缺失使得第⑦、⑨层沟通，形成了厚度较大的承压含水层，具有较强的典型性，而且对工程建设影响较大，因此在分区中应加以考虑。根据上述分析，深基坑工程地质结构分区应在地貌类型的基础上考虑第⑤2层和第⑧层分布情况。表1、图7分别为深基坑工程地质结构分区表和图。

表1 深基坑工程地质结构分区表Table 1 Partitioned table of engineering geological structure in deep pit

3.2 深基坑工程特性对减压降水地面沉降影响因素分析

图7 上海市深基坑工程地质结构分区图Fig.7 Partitioned map of engineering geological structure in deep pit

工程实践和研究表明深基坑减压降水受基坑开挖深度、基坑面积、基坑形状、隔水帷幕等基坑工程特性影响，其中以基坑开挖深度、基坑面积、隔水帷幕插入目的含水层深度对基坑减压降水引发的坑外水位降深和地面沉降影响最为显著。

（1）基坑开挖深度

随着基坑开挖深度的加深，承压含水层上覆土重减小，当土层自重小于承压水的顶托力时基坑有发生突涌的可能，且开挖深度越深，水位设计降深越大。因此在隔水帷幕没有隔断承压含水层的情况下，基坑开挖深度越深，减压降水引发的基坑外承压水位降深就越大，引发的地面沉降也越明显。

目前上海地区基坑开挖深度越来越深，地铁四号线董家渡段修复工程中基坑开挖深度最深达到41m。根据目前工程经验在上海中心城区当基坑开挖深度超过15m时就可能需要采取减压降水措施。一般基坑深度按照民用建筑地下室层高4m选取，因此在含有多层地下室的深基坑工程中大多需要采取减压降水措施。

（2）基坑面积

上海地区基坑面积跨度较大，据粗略统计基坑最小约为300m2左右，多为各种小型工作井，面积较大可达50000m2，多为住宅小区。常见的工业与民用建筑基坑面积大多数在5000m2至10000m2之间。而且随着社会发展对地下空间开发的需要，目前地下空间开发具有呈片，呈区域开发的趋势，基坑也将从单个基坑向基坑群发展。

在同等条件下，基坑面积越大形成的降水漏斗越大，由此引发的地下水位降深和地面沉降的影响范围也较大，深基坑工程密集区则有形成一定范围的区域性降水漏斗的可能。

（3）基坑形状

上海地区基坑形状大多为矩形（近矩形）和不规则多边形，其中以矩形和矩形的组合型最多（T型、L型等），此外还有像地铁车站等条形基坑数量也较多。以矩形基坑为例，基坑的长宽比对减压降水引发的基坑外水位降深和地面沉降有显著影响。长宽比越大的基坑，减压降水引发的基坑外水位降深和地面沉降在基坑的长边和短边方向差异越大，不均匀沉降也越明显。

（4）隔水帷幕插入目的含水层深度

通常隔水帷幕进入目的含水层深度决定了基坑减压降水方式，是目前控制基坑减压降水引发坑外水位降深和地面沉降最有效的手段之一。然而采用何种隔水帷幕，以及隔水帷幕的设计深度即受工程需要，也受工程经济性的影响。水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等虽然有效施工深度较浅，且防渗性能一般，但由于其造价较低，在一些开挖深度较浅的基坑工程中与挡土结构一起共同作为基坑的围护结构。地下连续墙虽然隔水深度较深，而且防渗性能较好，但工程造价较高，一般适用于开挖深度较深的基坑工程中。随着《上海市地面沉降防治管理条例》的实施推进，坑外地下水位控制必将成为隔水帷幕选型的另一个重要因素。

此外，根据工程经验基坑施工过程中基坑施工周期（减压降水周期）、降水强度、隔水帷幕渗漏等因素都对深基坑减压降水引发的地面沉降有一定影响。

3.3 深基坑减压降水地面沉降防治综合分区

深基坑减压降水引发的地面沉降与很多因素有关，其中地层组合、减压降水方式（隔水帷幕插入目的含水层深度）、深基坑工程特性的差异都将导致深基坑工程引发地面沉降的差异。因此要抓住主要影响因素进行分区研究，综合分区有利于简化影响因素，是深基坑减压降水地面沉降防治研究的重要基础性工作。

（1）综合分区方法

深基坑减压降水目的含水层包括⑤2层（微承压含水层）、⑦层（第一承压含水层）和⑨层（第二承压含水层）。降水目的含水层不同意味着地层组合、基坑开挖深度、减压降水方式、降水引发的坑外水位降深和地面沉降等均具有较大差异，因此降水目的含水层是综合分区的分区依据。

地层组合特征对基坑减压降水影响突出，因此在降水目的含水层确定后，地层组合特征对减压降水引发的坑外水位降深和地面沉降影响显著，应将其作为综合分区的分区依据。

深基坑减压降水引发的基坑外水位降深和地面沉降在很大程度上受隔水帷幕进入目的含水层深度影响。而隔水帷幕进入目的含水层的深度是由减压降水目的含水层顶、底面埋深和隔水帷幕有效隔水深度共同决定的，也应将其作为综合分区的分区依据。根据上海地区工程经验和相关技术标准，通常水泥土搅拌桩的有效施工深度以18m为下限，型钢水泥土搅拌墙最大施工深度可达30m左右，地下连续墙的有效隔水深度较深，上海地区常以60m为下限，极限深度可达70m。依据不同类型隔水帷幕的有效隔水深度不同，可以将目的含水层顶、底板埋深分为底板埋深小于30m、30～60m、60～70m和顶板埋深大于70m四类，以区别同一目的含水层，同一地层组合情况下，含水层顶、底埋深差异对减压降水影响。

根据上述分析，综合分区可采用三级分区，第一级分区是降水目的含水层；第二级分区是地层组合；第三级分区是目的含水层顶、底埋深（用于判定现有隔水帷幕是否可以隔断目的含水层）。分区方法见表2。

表2 综合分区方法Table 2 Integrated partitioning method

（2）综合分区

依据综合分区方法，每个分区的编号分为3个层次，第一级编号指示基坑降水的目的含水层；第二级编号指示目的含水层上覆地层组合情况；第三级编号指示不同隔水帷幕隔断的可能性及总体可隔断性。例如：编号“⑦Ⅱ3-1”区中“⑦”代表一级分区第⑦层，“Ⅱ3”代表二级分区的滨海平原古河道区地层组合，“-1”中的数字1代表三级分区的第⑦层底板埋深为30～60m。

此外，为避免分区重复仍需进行一定的简化，以第⑤2层为目的含水层时，第⑤2层分布与第⑧层无关，因此分区中滨海平原古河道区不再划分亚区；以第⑦层为目的含水层时，当第⑦、⑨层沟通时三级分区标号统一采用数字“3”；以第⑨层为降水目的含水层时，分区中不再重复考虑第⑦、⑨层沟通的情况。

依据上述分区办法和简化原则，综合分区如表3。

虽然综合分区是在全面分析了上海全域的水文地质、工程地质条件的基础上进行划分的，但由于地层的复杂性，仍存在少数地层组合未包含在综合分区内，如在闵行部分地区第⑤2层、⑦层和⑨层沟通时，降水目的含水层为⑤2层，含水层底面埋深大于60m，以及降水目的含水层为④2层或⑤1t层等情况。此时，采用相近原则，如第④2层或⑤1t层微承压含水层均划入⑤2层，当以⑤2层为降水目的含水层，含水层底面埋深大于60m时划入30＜B＜60m。

表3 综合分区表Table 3 Integrated partitioning table

依据上海三维城市地质信息系统海量地质钻孔资料绘制全市微承压含水层（第⑤2层）、第一承压含水层（第⑦层）和第二承压含水层（第⑨层）底（顶）面埋深图，并根据综合分区表绘制出综合分区图（图8～图10）。所绘制综合分区图精度受钻孔分布及数量影响，因此在实际工程中应以实际地层参照综合分区表确定基坑工程所属分区。