深基坑降水对区域环境影响的研究

成辉

近年来，快速发展的城市建设导致土地及地下空间资源越发稀缺，地铁车站深基坑的情况越来越普遍。在长三角地区，主要的地质类型是潜水含水层和承压含水层。在施工过程中，如果无法对地下水进行合理控制，极易造成大范围的地面沉降。地铁工程大多是在城市中心，周围的环境相对复杂，工程周围建筑密集。采用有效的方法控制地下水沉降对整个工程的施工具有重要的研究意义。当前，在基坑降水的处理和计算中，主要采用有限元分析方法。基于这些理论，本文的研究结合常州地铁1 号线施工线路翠竹站基坑降水工程，通过采用工程软件ABAQUS完成对整个工程的分析，探讨了止水帷幕插入承压层不同的深度对整个工程周围所产生的影响，然后结合分析结果探讨其规律[1-3]。

1.工程概况

翠竹站相关预留工程位于飞龙东路与永宁路十字路口，沿飞龙东路南北向布置。本文所研究的工程是地下三层结构，在施工中设置了一组风亭及一个出入口。具体的工程结构见图1。该工程主体结构长54.6m，施工的标准段外包宽度23m，标准段基坑开挖深度约24.103m，北端头井开挖深度约26.023m。施工中采用明挖作业法，工程的主体采用双柱三跨结构。本工程主体结构体系采用“复合墙”结构体系，标准段内衬墙厚下一、下二层侧墙为700mm、下三层侧墙为900mm，端头井内衬墙厚下一、下二层侧墙为800mm、下三层侧墙为1000mm，地下连续墙厚度为1000mm。共设置六道支撑，其中第一、四道为混凝土支撑（第四道钢支撑上部设置临时撑），其余为伺服式自动补偿钢支撑。

图1 工程总平面图

该工程基坑坑底位于砂质粉土夹粉质粘土层，开挖深度内以粘土层为主，自上而下依次为：（1）粉质粘土；（2）砂质粉土；（3）淤泥质粘土；（4）粉质粘土；（5）粉砂夹砂质粉土；（6）粉砂；（7）粘土；（8）粉质粘土；（9）砂质粉土夹粉质粘土。基底以下依次为：（1）粉砂；（2）粉质粘土。本区域地下水类型主要为潜水和承压水。

2.数值模拟

根据车站施工设计数据和现场地质条件，建立了地铁车站基坑降水方案的三维有限元模拟。模型尺寸为1000m×300m×64m，地下连续墙长度为200m（两侧端井段长度为14m），宽度为28m，呈“I”形，并根据插入承压含水层的不同深度建立了几种不同的地下连续墙模型。模型的几何尺寸和组件之间的位置关系如图2 所示。排水井在土层深处20m，以保证地下水位低于基坑底板。

图2 有限元模型

模型的上边界为自由边界，其法向位移受其周围各边界的约束，竖向和水平位移受下边界的约束。土壤采用修正剑桥模型。各土层厚度及物理力学参数见表1。地下连续墙厚度1m，混凝土强度等级C35，渗透系数1×10-9cm/s，模拟计算力学参数见表2。

表1 土层物理力学参数

表2 计算力学参数

3.基坑降水的环境影响分析

3.1 地表沉降和水压变化

从图3 中可以看出：（1）基坑降水引起的基坑外土体固结沉降具有明显的规律性，降水引起的沉降落在漏斗半径内，基坑附近的沉降量较大，随着基坑之间距离的扩增其沉降速度逐渐减小。（2）基坑降水引起的邻近土体变形范围与水位变化深度有关，且大于支护结构变形。（3）基坑降水引起的土体变形具有明显的滞后效应，固结需要较长时间才能达到稳定。（4）基坑外水位的降低将对支护结构和基坑围护结构的稳定性产生一定影响，并会引起位移。

图3 地表沉降变形

3.2 不同止水帷幕插入深度下降水对坑外地表沉降的影响

由图4 可以知道，基坑降水会引发基坑外的地面沉降呈现出远小近大的趋势。基坑距离越近，沉降值越大。随着基坑距离的增大，地表沉降值减小[3]。当开挖距离达到一定数值时，整个地表的沉降趋于稳定。在工程周围的地表沉降稳定时，采用该软件分析基坑距离与地表沉降的具体影响关系和范围。在止水帷幕插入的深度完全切断承压含水层时，基坑外部地表沉降数值的减小要显著超过其他深度[4]。基坑工程周围地表沉降数值会随着止水帷幕插入深度的减小而减小，当不采用止水帷幕的时候减小速率最小。止水帷幕插入的深度与降水影响范围两者之间负相关[4-8]。在止水帷幕插入的深度完全切断承压含水层时，周围降水影响范围小于150m，不采用止水帷幕的时候影响范围超过300m，在止水帷幕插入深度小于一半的时候，基坑最大沉降量达到了24.8mm，在止水帷幕插入深度达到2/3的时候，最大沉降量达到了11.6mm。

图4 基坑降水引起坑外地表沉降

4.减压降水引起的地面沉降控制措施

降水工程复杂程度为复杂程度，地下水控制设计施工的安全等级为一级。

根据该工程的支护结构特点和拟建场地的水文地质特征，基坑工程的安全性很大程度上取决于基坑降水的成功，因此，降水设计的可靠性十分重要[9]。地表沉降以及降水应尽量不要对周围的建筑物有太大影响。

（1）建筑物和地下管线附近减压深井的抽水时间应尽量缩短，并根据需要进行降水[10]。

（2）潜水疏干井按照150m2/口布置，并尽可能增加预抽水时间。

表3 翠竹站预留工程、1 号出入口通道基坑降水复杂程度分析表

（3）结合勘察报告地质剖面图以及基坑开挖深度，开挖底板在粘土层，本项目地下连续墙深度进入砂质粉土夹粉质粘土层，完全隔断承压含水层。

（4）为保证基坑安全，在坑内布置适量的备用观测井，平时作为水位观测井观测基坑中的水位，指导基坑降水运行，同时还可兼作备用井抽水。

（5）应及时向降水项目部报告环境监测数据，绘制相关图表和曲线，规范降水作业程序，确保基坑开挖和环境的安全。

（6）对于降水水井相关工作完后，需及时并详细地制定好降水减压的实施方案[10]。

5.结论

以常州轨道交通2 号线施工段翠竹站作为分析对象，采用ABAQUS 工程软件分析了止水帷幕插入的深度不同对基坑降水以及周围环境的影响，得出如下结论：

（1）基坑降水所产生的影响呈远大近小的一种漏斗状趋势；基坑距离与地表沉降以及水位下降呈负相关关系，影响数值随基坑距离增大而减小。

（2）在止水帷幕插入的深度完全切断承压含水层时，基坑外部的地表沉降数值减小要显著超过其他的插入深度，基坑工程周围地表沉降数值会随着止水帷幕插入深度的减小而减小，当不采用止水帷幕的时候减小速率最小。

（3）在止水帷幕插入深度不到1/2的时候，并不起到有效的隔水效果，此时基坑内外的水流连接强度比较大，会造成较大施工风险，在止水帷幕插入率为2/3 的时候，具有非常明显的隔水效果，可以起到对承压层的完全隔水，因此施工时可以采用这种方案。

常州翠竹站基坑工程施工的安全性很大程度上取决于基坑降水的成功，必须做好安全控制措施。在后期的施工过程中，对于水帷幕的深度，需在满足要求的情况下，对设计空间做出优化，以降低施工成本。