基坑降水引起围护结构和地下主体结构变形分析

赵静波

（中铁十八局集团有限公司，天津300222）

近年来，在复杂的城市环境中进行深基坑开挖已经成为城市发展的重要途径.日趋狭小的工作空间和愈发严格的变形控制对降水安全提出了更高要求.因此，对降水引起的水位变化和结构变形的研究具有重要意义.

为防止降水引起坑外较大沉降，工程中通常通过布置止水帷幕隔断基坑内外水力联系，并采用预降水评估其隔断效果.未插入隔水层的悬挂式止水帷幕具有工期较短、造价较小等优势，逐渐在工程中得到应用，但悬挂式止水帷幕不能完全彻底阻隔基坑内外的水力联系，降水时容易引发坑外水位降低从而产生较大沉降[1-2].冯晓腊[3]利用数值模拟方法分析了在基坑降水过程中悬挂止水帷幕对地下水渗流特性的影响；肖明钊[4]对降水量的计算方法进行了优化；周火垚等[5]结合实际工程和理论分析，提出了悬挂式止水帷幕与深井降水相结合的降水方式控制地下水位；郑刚[6-8]等结合一系列降水试验，提出了解决悬挂式止水帷幕引起坑外较大沉降的工程措施.上述研究对于悬挂式止水帷幕在工程中的应用具有重要的借鉴意义.实际工程中地质水文条件较为复杂，承压水往往不连续，落地式止水帷幕不能完全阻隔坑内外水力联系，悬挂止水帷幕凭借造价低、施工快等特点应用前景较好.但由于目前工程中仍多采用落地式止水帷幕阻断基坑内外水力联系，悬挂止水帷幕缺乏充足的理论支撑和实践经验.

本文结合天津某分布于既有车站两侧的异形基坑，开展单井降水和群井降水试验，对降水过程中基坑内外水位变化进行监测，判断地连墙对承压水的阻隔作用，监测降水引起地连墙和既有车站主体结构的变形情况.在此基础之上，对基坑围护结构和既有车站变形控制策略进行探讨，以期为类似工程提供参考.

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

天津某基坑工程分布于思源道车站主体结构东西两侧，基坑平面图如图1所示.基坑为不规则形状，东侧基坑最长处191.08 m，最宽处107.57 m；西侧基坑最长处145.113 m，最宽处95.778 m.既有思源道地铁车站已于4年前施工完成.本工程地下一层横跨思源道站体上方，地下一层底板与思源道车站顶板同一标高，地下二层底板与思源道车站中板同一标高，在既有思源道站站厅层设置两个连接通道，从而既有车站和本工程负二层能够无高差接驳.

图1 基坑平面

1.2 工程地质水文条件

基坑场地地连墙深度范围内以渗透性较好的粉质黏土为主，掺杂粉土和少量的粉砂，如表1所示.

表1 土体物理力学参数

场地潜水水位埋深0.40～2.10m（高程0.27～2.21m）.第一承压含水层位于⑧2粉土层中，以上端的⑦黏土层和下部的⑧1粉质黏土为主要隔水层顶板，层顶埋深约16.9～20.4 m.第二承压含水层位于⑨2层粉土和⑩2层粉土层中，顶部隔水板为⑨1粉质黏土层.层顶埋深约24.0～27.8 m，局部以透镜体形式存在，如图2所示.

1.3 基坑与围护结构

基坑采用厚度0.8 m的地连墙进行支护，其标准段开挖深度为15 m，对应地连墙深度为32 m，与既有地铁站零接两侧共用既有地铁车站的地连墙，新旧地连墙接缝处设置高压旋喷桩加固.基坑内支撑均为混凝土支撑；东西侧为独立封闭基坑，均为环形辐射支撑体系，东侧设置两个环梁支撑体系.结合水文地质条件可知，地连墙作为止水帷幕能够切断基坑内外第一层承压水之间的水力联系，但由于地连墙深度较浅，基坑内外第二层承压水可能存在一定的水力联系，但其抗突涌验算满足规范要求.

图2 地质水文剖面

2 降水试验概况

由于该基坑与既有车站零距离接驳，为了保证既有车站结构和线路的安全稳定，两侧基坑开挖需要对称降水.根据地质水文条件可知，该场地分布有大量高渗透性土体，且承压含水层不连续，存在基坑内外水力联系的可能.为降低降水过程中基坑内外水力联系发生的风险，本工程先后进行单井和群井降水试验，通过基坑内外观测井观测基坑内外水位变化和建筑物变形量.

2.1 降水井、观测井及变形监测点布置

降水井、观测井及变形监测点布置如图3所示.基坑中共布置47口疏干井，其中西侧基坑内布置22口，东侧基坑布置25口；基坑外共布置36口观测井，其中主要普通潜水观测井GCJ0共18口，深度为10 m，重点关注GCJ0-1至GCJ0-4；第一层承压水观测井GCJ1共9口，深度为18 m，重点关注GCJ1-1至GCJ1-4；第二层承压水观测井GCJ2共9口，深度为30 m，重点关注GCJ2-1至GCJ2-4.

变形监测主要包括基坑周边地表沉降、地连墙水平位移和竖向位移及既有车站结构水平和竖向位移.其中，沉降监测点绕基坑外边缘分布，共设30组，每组5个测点，由内向外间隔均为2 m.地连墙监测点沿基坑四周均匀布置，其中DC1-5为沉降监测点，DS1-5为水平位移监测点.既有车站主体结构监测包括沉降和水平位移监测，沿行车方向布置，其中JGS01-06为水平位移监测点，JGC01-10为沉降监测点.

图3 井点及监测点布置

3 降水试验过程

3.1 单井降水试验

单井降水试验在基坑开挖之前进行，在监测单井降水效果的同时也观察坑外潜水位观测井和第一承压水观测井水位变化.降水时长24 h，JD1（10 m）、JD3（18 m）、JX1（10 m）、JX3（18 m）设计降水深度为3 m；JD2（10 m）、JD4（18 m）、JX2（10 m）、JX4（18 m）设计降水深度为4m，括号内数字为各井深度，其他试验参数如表2所示.

表2 单井降水试验h

东侧基坑抽水井JD1-4周围坑内水位观测井及坑外临近水位观测井水位变化如图4a所示；西侧基坑抽水井JX1-4周围坑内水位观测井及坑外临近水位观测井水位变化如图4b所示.

图4 单井降水引起的水位变化

由上图可知，东西侧基坑降水井水位变化规律较为接近，试验可靠性较强.仅以东侧基坑数据进行分析：随着抽水时间的增大，水位逐渐降低，降水时间超过7 h后，JD-1（10 m）和JD-3（18 m）水位下降接近3 m；JD-2（10 m）和JD-4（18 m）水位下降接近4 m，基本达到设计降深，说明抽水井降水效果较好，停止抽水后，观测井水位迅速恢复至原地下水位.

基坑外潜水层观测井GCJ0-3水位变化整体较小，最大降深仅10 mm；但第一承压水层观测井GCJ1-3水位变化相对较大，最大降深达30 mm.分析该现象的原因为：标准段地连墙深度为32 m，深入10-2层粉土粉砂层，切断了基坑内外潜水层水力联系；因此，在坑内对10 m深的抽水井进行抽水时，基坑外的潜水层观测井水位变化较小，但第一承压水观测井水位变化较大，初步表明基坑内外该承压水层存在一定的水力联系.

3.2 群井降水试验

群井降水试验在单井试验之后基坑开挖之前实施，监测群井降水效果的同时也监测坑外潜水位观测井和第一、第二承压水观测井水位变化.降水井深度分为10，18，30 m，分别与潜水、第一承压水和第二承压水联通.降水时长60 h，设计降水深度为10 m且所有井同时降水，其他试验参数如表3所示.

表3 群井降水试验h

降水过程中水位变化如图5所示.

图5 群井降水引起的水位变化

由图5可知，东西侧基坑降水井水位变化规律较为接近：随着抽水时间的增大，水位逐渐降低；降水时间超过17 h后，坑内水位观测井水位下降接近10 m，达到设计降深，说明抽水井降水效果较好；停止抽水后，观测井水位迅速恢复至原地下水位.

与单井试验类似，基坑外潜水层观测井GCJ0-1水位变化较小，最大降深仅0.2 m，说明地连墙切断了基坑内外潜水层水力联系.深度为18 m的抽水井JX-3（18 m）、JD-3（18 m）和坑外观测井GCJ1-1均深入地下第一承压水层.抽水开始后，坑内水位迅速降低，至设计深度后保持稳定，坑外观测井随着坑内水位的变化也呈现相同的规律，但水位变化幅度较小，基坑内外第一承压水存在微弱的水力联系.深度为30 m的抽水井JX-5（30 m）、JD-5（30 m）和坑外观测井GCJ2-1均深入第二承压水层.抽水开始后，坑内水位迅速降低，至设计深度后保持稳定，坑外观测井随着坑内水位的变化也呈现相同的规律，水位变化幅度达4 m，说明此处基坑内外第二承压水存在较大的水力联系.

除此之外，分析图中水位降低速率可知，潜水水位降低速率最快，第一承压井次之，第二承压井最慢.产生该现象的原因是由于基坑内外承压水存在水力联系，抽水时基坑内外承压水相互补给造成的.

通过上述分析可知基坑内外承压水存在水力联系，造成该现象的原因可能是由于地勘点间距一般在25～30 m之间，勘察结果无法预测承压水的不连续性.为避免此类事件的发生，可在基坑开挖前做预降水试验，以全面掌握场地水文地质情况.

4 沉降及支护位移观测

4.1 地连墙变形

降水期间，对基坑地连墙水平和竖向位移进行了监测，如图6和图7所示.

由图6可知，开始降水后，地连墙顶部沉降逐渐增大，0～17 h之内地连墙沉降速率较大；当水位稳定后，沉降保持稳定，沉降最大值为DC-1处的9 mm，发生在东西两侧基坑中间的位置，而东侧基坑西南侧的DC-6和DC-7两处沉降较小.分析其原因为：东西两侧基坑均降水引起的叠加效果使DC-1处沉降较大；而DC-6和DC-7沉降主要受到东侧基坑降水影响.停止抽水后，地连墙有小幅回弹.

图7中，地下连续墙表面的水平位移方向均指向基坑内部.开始降水后，水位逐渐降低，基坑内土体有效应力增加，沉降增大.地连墙向内发生位移，最大水平位移为5 mm，为基坑深度的0.03%，发生在DC-1处，达到整个基坑施工水平位移控制值的23.8%.

图6 地连墙沉降随抽水时间变化曲线

图7 地连墙水平位移随抽水时间变化曲线

4.2 既有车站变形

降水试验过程中既有车站主体结构的竖向位移如图8所示.

图8 既有车站沉降随抽水时间变化曲线

从图8可看出，降水过程中既有车站主要发生沉降变形，最大竖向沉降量为2 mm左右，对车站自身安全影响较小；且在停止抽水后，既有车站发生了小幅度回弹.

5 降水控制策略探讨

通过上述降水试验结果的分析可知，本基坑地连墙并未完全截断埋深较深且横向不连续的第二承压水层，基坑内外第二承压水存在水力联系，东西两侧基坑降水导致了基坑围护结构和既有车站主体结构发生了较大的沉降和水平位移.导致该现象发生的原因为地勘点布置间隔较大，勘察结果无法完全反应实际地质水文条件.因此，为了避免实际开挖降水过程中的工程灾害，开展预降水试验十分必要；同时，可在坑外设置相应的承压层回灌井，并在坑外承压层水位观测井发生水位下降时，及时进行回灌.

6 结论

本文结合天津某分布于既有车站两侧的异形基坑降水试验，对降水过程中水位变化、地连墙和既有结构变形展开了分析，主要结论如下.

（1）场地内第二承压水不连续，基坑地连墙未能完全阻断该承压含水层，通过基坑试验发现基坑内外第二承压水存在横向水力联系，造成降水过程中地连墙和既有结构发生了较大的沉降和水平变形.

（2）当地下水文地质分布复杂时，间隔较大的勘察点无法准确描述地下水力地质分布，在基坑开挖前进行降水试验十分必要.

（3）采用悬挂式止水帷幕且存在基坑内外承压水联通的风险时，可在坑外设置相应的承压层回灌井，并在坑外承压层水位观测井发生水位下降时，及时进行回灌.

（4）降水会引起基坑支护结构水平和竖向位移增大，且当水位稳定后，上述变形达到最大值；随着地下水位升高，支护结构水平和竖向位移均降低，但降低幅度较小.