基于地面沉降控制的基坑围护与工程降水一体化设计方法与应用

2018-12-04黄鑫磊

上海国土资源 2018年4期

黄鑫磊

（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）

地面沉降是上海地区最主要的地质环境问题，也是最主要的地质灾害。近年来，随着上海地面沉降研究的不断深入和防治管理的不断强化，地面沉降得到了较好的控制，年均沉降速率已控制在6mm以内，但不均匀沉降特征显著，直接影响重大基础设施的运营安全[1]。通过地面沉降监测数据发现局部沉降漏斗与该区域的工程建设活动吻合；根据基坑案例监测数据，悬挂式帷幕基坑降水对周围地面沉降影响范围较大，最远可超过10H（H为基坑开挖深度）[2-3]。这反映出深基坑等地下空间开发建设已成为影响局部区域地面沉降的重要因素。

针对巨厚松散层沉积区基坑减压降水地面沉降问题，一些专家和学者从基坑降水设计、地面沉降变形规律、浅层地下水回灌等不同角度开展了研究，如骆祖江采用有限差分数值模拟方法，探讨了复杂巨厚松散沉积层以控制地面沉降为目标的最优化深基坑降水设计理论[4]；王建秀等通过对基坑工程降水过程的分层变形监测，探讨了深基坑工程降水诱发沉降机制及计算方法[5]；叶为民等基于Biot固结理论，探讨采用不同止水形式基坑工程降水过程对地面沉降规律影响规律[6]；杨天亮、吴建中等开展了水位与沉降双控模式下的浅层地下水人工回灌试验，评价了其在防治工程型地面沉降中推广应用的可行性及适用性[7-8]。这些研究对认识深基坑工程地面沉降规律，开展地面沉降防治具有参考价值，但已有的成果缺乏对防治措施的系统性总结，尚未有从地面沉降防治角度对基坑降水全过程控制的工程应用案例。

本文尝试从不均匀地面沉降防治角度出发，提出基坑围护与工程降水一体化设计方法，基于基坑减压降水全过程控制原则，以上海某在建车站东区基坑为例进行示范应用探索，以期为深基坑减压降水地面沉降控制提供解决方案，助力地质环境保护与城市工程建设协调绿色发展。

1 基于地面沉降控制的基坑围护与工程降水一体化设计方法

本文在已有研究成果的基础上，针对悬挂式深基坑减压降水地面沉降规律及影响因素[9]，聚焦目前基坑围护设计与减压降水地面沉降防治不匹配的问题，提出了基于地面沉降控制的基坑围护与工程降水一体化设计方法（图1），即按照基坑降水需求和地面沉降控制要求，在基坑围护初步设计基础上，优先进行基坑降水与人工回灌一体化设计，以控制坑内降水对坑外地质环境影响；当不能满足沉降控制目标时，再以止水帷幕插入最优和基坑抽水量最小为原则，进行止水帷幕深度优化设计，提出基坑围护优化设计建议，最终形成满足地面沉降控制的基坑降水设计方案。

基于地面沉降发生后难以治理恢复的实践认识，深基坑减压降水地面沉降防治应重在预防及过程控制。为此，总结了基坑降水全过程优化控制技术要点：第一，在基坑设计阶段，采用基坑围护与工程降水一体化设计方法；第二，在降压运行阶段，根据基坑分层开挖进度实施“按需降水”，加强水位降深控制及地面沉降同步监测；第三，当坑外水位降深超过控制要求时，及时启动浅层地下水人工回灌，稳定坑外地下水渗流场，控制水位漏斗区扩大，从而达到地面沉降控制目标。

图1 基坑围护与工程降水一体化设计流程Fig.1 The flow chart for integrated design of foundation pit enclosure and engineering dewatering

2 深基坑减压降水地面沉降控制示范应用探索

2.1 示范工程概况

上海某在建地铁车站基坑工程，分东、西两个独立基坑，基坑最大开挖深度20.0m。该场区属滨海平原区地貌，为正常地层分布区，第一承压含水层顶面埋深约27.5～29.8m，第一、二承压含水层沟通，第二承压含水层底面埋深约87～91m。基坑围护结构采用地下连续墙形式，设计墙深34.0～36.5m。

根据基坑底板稳定性分析结果，该基坑开挖过程中存在承压水突涌风险，须采取减压降水措施，设计水位降深达7.3～8.9m。依据深基坑减压降水地面沉降综合分区[9]，该示范工程属于⑦ 2-3区；根据双控参考指标[10]，该工程地面沉降控制指标为1.7～2.1mm、水位降深控制指标为1.0m。

本次以该工程西区基坑为例，在建设和施工单位的大力支持下，通过采取基坑止水帷幕深度优化、降压井施工及降水运行优化、地面沉降监测、浅层地下水人工回灌等综合技术措施，使坑外水位降深和地面沉降满足控制指标要求，为深基坑减压降水地面沉降防治起到引领和示范作用。

2.2 基坑围护设计优化与人工回灌设计

（1）止水帷幕深度优化设计

由于该工程所在场地因第一、二承压含水层沟通，降水目的含水层厚度达57.2～63.5m，从工程经济技术合理考虑，止水帷幕难以隔断降水目的含水层，宜采取悬挂式止水帷幕。根据场地水文地质补充勘察结果，建立了水文地质模型，通过数值模拟方法，对基坑减压降水过程进行预测，当前条件下坑内降水坑外3H处水位降深超过4m，不能满足地面沉降控制要求。通过分析不同止水帷幕深度条件下水位降深（见图2）可知，随着止水帷幕深度增加，坑外水位降深随之减小，尤其当止水帷幕深度大于或等于43m，坑外水位降深明显减小，地面沉降可得到有效控制。同时当止水帷幕深度大于43m以后，坑外地下水位降深减小趋势不明显，止水帷幕效应优势不明显。因此，经过最优化求解，建议将基坑止水帷幕深度增加到43m。

图2 止水帷幕深度与坑外3H处水位降深关系曲线Fig.2 The relationship between curtain wall depth and water level drawdown at 3H outside the pit

（2）止水帷幕深度优化效果评估

根据上述分析计算，建设和施工单位决定增加止水帷幕深度，但在西区基坑围护已经施工完成的情况下，受施工条件、经济效益等因素制约，最终在基坑北侧和东侧采用MJS工法将止水帷幕深度增加至43m，而端头井和南侧则保持原有深度。结合工程实践经验，通过数值模拟方法对基坑围护与工程降水设计进行评估，结果表明仅将基坑北侧和东侧止水帷幕深度增加至43m将无法满足水位降深和地面沉降控制指标。为此需要在基坑周边开展地下水人工回灌，以控制坑内降水对周边地质环境的影响。采用上述模型经过最优化求解，在基坑南北两侧各布设3口回灌井，可满足水位降深和地面沉降控制指标要求。

（3）浅层地下水人工回灌设计

本次拟建6口回灌井，但受工程施工场地条件制约，基坑北侧减少1口，最终共建成5口回灌井。回灌井滤水管埋深30～40m，即在第⑦1层内，比降压井和止水帷幕深度略小，以充分利用止水帷幕的隔水效应，减小坑外回灌对坑内降水的影响。回灌方式采用原水加压回灌，即将降压井抽出的地下水通过曝气池曝气、沉淀池沉淀净化后送往回灌井进行人工回灌，在回灌过程中配合以人工回扬等措施防止滤水管堵塞。

2.3 基坑减压降水过程优化与地面沉降监测

（1）降压井施工工艺优化

根据降水设计计算，单井涌水量需达到240m3/d以上，或者增加降压井数量才能满足坑内水位降深要求。由于本工程基坑面积较小，不宜增加降压井数量，一般工程中通常采用增加降压井滤水管长度，以保障单井出水量。但对坑外水位降深和地面沉降控制不利。本工程在不增加降压井滤水管长度的情况下，通过滤料级配、泥浆浓度等一系列施工工艺优化，提高了单井出水量及成井质量，并使降压井深度小于止水帷幕深度，以便最大程度地利用止水帷幕的隔水效应[11]，达到控制坑外水位降深和地面沉降的目的。

（2）降压运行关键环节控制

基坑施工工程中，严格按降压运行方案，实施“按需降水”。根据基坑分层开挖深度，逐步开启降压井点，调节降压井出水量，使得基坑降水量呈现“台阶”式上升（见图3），实现减小基坑降水量的目的。

图3 开挖深度降水量回灌量历时关系Fig.3 Diachronic relationship between excavation, pumping and recharge

为了实时高效地监测地下水位动态，本次借助自动化水位计及数据采集、传输等信息技术开发了Win-Troll系统，对地下水位进行智能化远程监测与控制。通过与设计降深对比，及时调节出水闸阀开启度，动态调整降压井出水量。该系统可查询一个或多个水位计的实时或历史数据，并以数据表格或历时曲线方式显示；也可支持短信及振铃唤醒，当监测井水位达到设计降深时进行预警提醒，适时启动地下水人工回灌，实现精准控制地下水位降深。

（3）地面沉降综合监测

为全面监控减压降水过程中基坑周边地下水位和地面沉降变化，以及指导地面沉降防治措施实施，在基坑周边及3H、10H处布设了地下水位观测井、在基坑西侧和南侧分别布设了地面沉降监测剖面（最远达30H）等监测设施，对基坑降水全过程及其周边地质环境进行同步监测。

2.4 地面沉降监测数据分析

（1）地下水位控制效果

基坑减压降水期间观测井内水位均有所下降，从基坑施工期间降水量、回灌量与承压水位关系历时曲线（图4）可知，在基坑施工期间，随着基坑开挖和降水的进行，承压水位逐步下降，坑内降水对坑外水位有一定影响，距离基坑3H（约60m）处G2观测井内地下水位降深约5.0m，距基坑10H（约200m）G1观测井内地下水位降深约2.5m，且因止水帷幕在该侧未加深，水力坡度较平缓，影响范围也较远，理论推测25H（约500m）处水位降深约1m。地下水人工回灌后，距基坑3H处观测井水位迅速抬升超过3m，距基坑10H处观测井水位抬升约0.5m，可见人工回灌对地下水位抬升作用明显，且影响范围较大。

（2）地面沉降控制效果

从典型地面沉降监测点历时曲线（图5）可知，在基坑开挖和减压降水过程中，基坑周边地面沉降量逐渐增大，距基坑3H点地面最大累计沉降量接近5mm，在启动回灌井后，距离回灌井和基坑较近的监测点出现较为明显的回弹，最大地面回弹量大于2mm，最远监测点（距基坑约30H）基本没有回弹量，但地面沉降趋势明显变缓，由发展趋于收敛。

图5 基坑南侧地面沉降监测剖面典型监测点历时曲线Fig.5 Land subsidence process of typical monitoring points on the south side of deep foundation

（3）防治成效讨论

通过采用基坑围护与工程降水一体化设计方法，实施基坑减压降水全过程优化控制，坑外承压水位和地面沉降得到了较好的控制，最终距离基坑3H处最大水位降深约1.5m，最大累计地面沉降约3mm；对比同类型基坑工程，本工程引起的水位降深和地面沉降量明显减小。但由于本工程是首个示范应用案例，在基坑围护施工完成后才对止水帷幕深度进行优化，受场地施工空间限制，回灌井也未能完全按照设计实施，导致示范应用结果比参考控制指标略高。如果在施工阶段能够更合理地安排场地和工程进度，完全按照基坑围护与工程降水一体化设计实施则可能会取到更好的防治效果。