基坑工程承压水降水及引起的沉降分析

吴增金

（江苏中车城市发展有限公司，江苏 无锡 214000）

1 引言

近年来随着城市建设的发展，越来越多的建筑需要深基坑建设，在一些高水位或者是含水丰富的地区进行基坑开挖时，基坑降水是工程中面临的重要问题。基坑降水可以减少坑内土体含水量，增强土体强度，提高开挖条件下土体稳定性，便于工人和机械在坑内施工作业；特别是对于承压水含水层，承压水头过大或者基坑开挖深度较深面临承压水突涌危险，降水能够降低基坑内承压含水层水位，防止基坑开挖过程中产生突涌、流砂等不良地质现象的发生，保证施工顺利进行，但是基坑降水引起的周围水位下降能够造成土体自重应力的增加，引起地面沉降和不均匀沉降，威胁周围建构筑的安全使用，在以往的工程案例中有很多由于基坑降水设计不当而导致基坑失稳的事故，特别是在城市建筑密集区域，周围环境对土体沉降的要求较高，对基坑降水提出了更高的要求。因此基于水位地质条件合理选用承压水降水方案，准确判断基坑承压水降水渗流引起的周围水位下降，进而分析周边地面沉降特性对工程和周边地区的施工安全有重要意义。文章以软土地区某地铁基坑工程承压水降水设计为背景，在对工程水文地质条件进行分析的基础上，阐述了不同承压水降水方案的影响，探讨分析了基坑承压水降水方案及引起的周边地表沉降特性，从而为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

某地铁车站基坑开挖工程位于软土地区，该地区地貌为海积平原，地形平缓开阔，上部主要地层为淤泥质土和黏土，含水层为青灰色淤泥质粉质黏土，局部间夹薄层粉土、粉砂，颗粒细，透水性相对差，下部包括圆砾、含黏土圆砾层等，地下水埋深1.0~2.10 m；基坑位于城市交通主要干道、房屋建筑及居民住宅区等，工程周围情况复杂，对沉降变形要求较高，基坑开挖深度约为20 m，采用地下连续墙+内支撑的支护型式，明挖法施工。

承压水主要赋存于圆砾、含黏性土圆砾层中，含黏性土圆砾分布不稳定且厚度不均，总体厚度较薄，黏粒含量较大，富水性和渗透性一般。根据测量承压水含水层埋深一般30~45 m，根据现场圆砾层的抽水试验所测，承压水头埋深为地表以下3.5 m。承压含水层主要接受上部含水层的越流或侧向补给，通过人工抽汲或越流等方式排泄，地下水位动态随季节变化较小。由于该基坑开挖深度较深面临承压水突涌危险，降水井设计须进行基坑抗突涌分析，在各开挖分区内针对性布置坑内减压井，对相应承压含水层进行减压降水。本工程基坑周边环境较复杂，本基坑工程面临地下潜水和承压水的地下水处理问题，特别是承压水的存在会造成基坑突涌危险，基坑需要长时间、大幅度、大范围的抽水，基坑降水对周边敏感环境有一定的不利影响。地下工程施工延续时间较长，基坑排水周期较长，排水量大，排水设施要求较高，需要制定与本工程实际相符的降水措施。

3 抗突涌稳定性分析

为了防止基坑底板突涌的发生，基坑开挖应该满足的稳定条件为基坑底板至承压含水层顶板之间土的自重压力应大于承压水含水层顶板处的承压水顶托力，工程中承压水抗突涌稳定性分析的公式为：

式中：Ps——承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力（kPa），Pw——降水前初始状态下承压水的顶托力（kPa），hi——承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度（m），γsi——承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度（kN/m3），H——高于承压含水层顶面的承压水头高度（m），γw——水的重度，取10.00（kN/m3），Fs——安全系数，一般取1.05~1.20。

上覆土层加权平均重度γs取18.00 kN/m3，计算得到的不同基坑开挖深度条件下对应的基坑抗突涌安全系数见表1所示。根据目前实测水头计算结果来看，对于“④3承压含水层”，车站主体区域均需要进行减压降水，降深幅度为12.10~15.00 m；对于“⑤3承压含水层”，车站主体区域亦需进行减压降水，降深幅度为3.58~6.28 m。因此需在各开挖分区内针对性布置坑内减压井，对相应承压含水层进行减压降水。

表1 基坑开挖深度与对应的安全系数

4 承压水降水方案

本工程基坑开挖过程需要采取降水措施，根据工程经验，本基坑工程的降水设计采用减压深井等分层进行针对性降水。减压井能够降低承压含水层的承压水水头，将其控制在安全埋深以内，以防止基坑底部发生突涌，确保施工时基坑底板的稳定性，但减压井的布置应尽量减少由于减压降水引起的坑外地层沉降，特别是降水对周边建构筑物和各类设施的不利影响，避免产生较大差异沉降，同时控制降水对坑内坑底土体变形的影响，减少在坑内支护结构体内产生的附加应力。

本工程可采用的降水方案包括：（1）基坑坑外减压降水。这种情况下井过滤器应超过隔水帷幕的深度，当止水帷幕深度未进入承压水层或者进入深度不长时，坑外的降水井能够减小流向坑内的水头压力，通过坑外多点的承压降水能够降低基坑范围内的承压水头，当井在坑内影响施工或坑内无法支护固定井管，周围的环境要求并不十分严格，可考虑坑外降水。（2）基坑坑内减压降水。当基坑隔水帷幕进入承压水层较深时可以采用坑内降水，这种情况下井过滤器不应超过隔水帷幕的深度，此时坑外水通过帷幕底部绕后进入基坑内部，能有效地降低承压水头，同时抽水量也相对小，坑外水头和水位下降也相对小，因此引起的周围地层沉降影响要小。综上所述，本工程采用坑内减压降水的方式，尽可能减少对坑外环境的影响。“④3层含黏性土圆砾”承压水位降深较大，厚度分布不均且略有起伏，由于地连墙已将“④3层”隔断，但由于地连墙止水效果未知，“④3层”仍有一定的突涌风险，因此在坑内根据地层分布均匀布置备用减压井，坑内单独布置“④3层”水位观测井；“⑤3层圆砾”水位降深为3.58~6.28 m，在小里程端及标准段区域坑内布置减压井悬挂降水，另外单独布置“⑤3层”水位观测井兼备用井；由于大里程端头井位置已施工坑底加固封底措施，但加固体质量自身也无法绝对保证，仍存在一定的突涌风险，因此在大里程端头井区域布置备用减压井一般情况仅作为观测井，在应急时开启，尽量减少对坑外环境的不利影响。根据前述基坑突涌稳定性安全验算结果，应对第④3层和⑤3层承压含水层采取减压降水的有效措施，第④3层备用减压井井深为27~34 m；第⑤3层减压井井深设置为44~47 m，减压井深度根据地层起伏布置；减压降水深井孔径650 mm，井管及过滤器外径273 mm。

5 降水沉降数值分析

根据工程的水文地质条件，通过有限元软件Midas开展了数值模拟分析，考虑地下水三维渗流模型，研究承压水降水特性及其引起的周围地面沉降。模型以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外。模型地层条件、开挖条件和降水工况按照实际情况下进行模拟，并且根据本工程的勘察资料对模型进行赋值。对应本模型的基坑降水模拟，模型边界在降水井影响边界以外，故可将模型边界定义为常水头边界，水位不变，模型四周限制水平方向位移，底部限制垂直方向的位移。此外模拟仅考虑承压水降水分布情况，为了分析方便，未考虑基坑周围建构筑物情况。

根据目前开挖工况，针对本项目的承压含水层减压降水方案，对基坑降水进行三维模型模拟，经计算，坑内需对含黏性土圆砾层需布置6口备用减压井，圆砾土层需布置5口减压井。在满足最大设计降深要求时，假设第④3层和第⑤3层的减压降水运行时间为90天，降水运行后基坑预测第3层水位降深等值线图如图1所示。从图中可以看出，降水条件下水头由坑内向外逐渐变化，坑内水位降深较大，坑外水位降深随矩基坑距离的增加而逐渐降低。坑外降水仍有较大的降深影响范围，在影响范围内都可能造成周围地面的沉降，从而对周围建构筑的正常使用带来安全隐患，因此控制坑外水位的降水对控制周围地表沉降有重要意义。对本工程而言，合理的选择止水帷幕插入深度，能够降低坑外水位的降深。

图1 基坑降水后第3层水位降深等值线图

考虑到坑外水位的降低会引起地表及周围建构筑的沉降，进一步分析了不同止水帷幕深度条件下引起的基坑周围地表沉降，降水运行完成后，分析得到降水引起的坑外环境地面累积沉降如图2所示，与坑外水位降深一致，随着离基坑距离的增加，土体沉降逐渐减小，止水帷幕越深，降水引起的地表沉降越小，说明对承压水降水而言，增加止水帷幕深度可以有效地减小坑外水头降深，从而降低地表沉降，保障周围建构筑的安全。

图2 不同止水帷幕深度条件下基坑周边沉降

而另一方面进一步增加止水帷幕也受到成本和效能的限制，当止水帷幕满足了基坑降水和稳定性要求时，坑外的地表沉降可以通过布置回灌井进行控制，对于本工程而言周边环境复杂，对沉降要求较高，由于“⑤3层”未被地连墙隔断，承压水降水将对坑外造成不利影响，可以在基坑外布置回灌兼井，必要时可通过回灌井提升地下水水位，减缓地面沉降变形。

6 结论

文章以软土地区某地铁基坑降水工程为背景，探讨分析了基坑承压水降水方案及引起的周边地表沉降特性。通过对工程水文地质条件的分析，并结合有限元软件进行数值模拟，给出了合理的坑内承压水降水方案，分析了承压水降水引起的坑内外水头分布情况，探讨了降水引起的基坑周边沉降特性，并研究了不同止水帷幕条件对沉降的影响。通过分析表明，合理的设计承压水降水方案，采用合理的止水帷幕措施对控制基坑周边沉降，保障基坑周边建构筑物安全都有重要意义。