大直径超深工作井施工对周边环境影响分析

李 敏

(中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300450)

1 引言

随着我国新型城市的高质量发展，城市地下工程的建设规模越来越大，导致基坑开挖也朝着超大、超深方向发展，基坑所处的地质条件和周边环境也更加复杂，无论是设计难度还是技术难度随之提高。由于复杂的地质条件，超大、超深工作井的开挖必然会引起周边环境沉降问题。

早在1970年，Iame[1]通过定性分析给出了影响基坑周围变形的因素:土体性质、周围建筑物结构和尺寸、基坑大小、支护方式、施工方式、地下水条件、超载、基坑暴露时间等。俞建霖[2]利用有限元法分析了基坑开挖引起周围建筑变形的影响因素。赵延林[3]采用有限差分软件FLAC2D分析了建筑物与基坑距离对沉降的影响。胡建华[4]对比现场监测数据与数值分析结果，对基坑周围建筑物沉降进行研究，总结了逆作法施工过程影响周围建筑物沉降的规律。刘登攀[5]重点分析了基坑周围存在超载情况下的建筑沉降规律。杨傲等[6]采用数值手段与监测数据对比分析的方法，研究了基坑降水对周边建筑沉降的影响[7]。综上所述，基坑开挖是一个系统的、多学科交叉的工程，涉及各种力学、渗流以及地质条件等众多影响因素[8]。

基坑降水施工必然伴随着周边建筑物的沉降[9]。若基坑处于相对简单的土层，这种影响可得到很好的控制；若基坑处于复杂地层，则可能会引发一系列岩土工程问题[10]。因此研究复杂地质条件下超大超深基坑施工对周边环境的影响，是解决基坑工程问题的关键。

基于工作井所处的复杂地质条件，对LG09＃-1工作井施工过程中周边地下水位变化、建筑物沉降进行监测，从实际监测数据出发并结合理论分析，揭示工作井施工对周边环境的影响规律，为类似工程提供参考经验。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是国务院部署的172项节水供水重大水利工程之一。该工程采用盾构技术进行输水隧道的施工，每个标段都有盾构机出发兼接收的工作井。其中土建施工A5标内包含一座超深大直径工作井LG09＃-1，该工作井为圆形，直径为35.9 m，埋深为61.55 m，位于佛山市顺德区伦教街道永丰工业南路南侧空地，北侧密集分布有众多工业厂区、厂房等，南侧为农田用地，周边500 m范围内分布有众多河流。工作井采用明挖和内衬逆作法配合施工，分14层开挖施工，施工步骤如图1所示。

图1 施工步骤(尺寸单位:mm；标高单位:m)

2.2 地质条件

LG09＃-1工作井所处地层中上部为第四系人工填土层和冲积层，厚度28.2～33.5 m，主要有①人工填土层、淤泥质黏土层、淤质细砂层、淤泥质黏土层、泥质细砂层、有机质黏土及泥质细砂层，其中含水层为淤质细砂层、泥质细砂层及泥质细砂层。LG09＃-1工作井地质剖面如图 2所示。

图2 工作井地质剖面

工程区地质构造以断层为主，第四系覆盖层分布较厚，断层多为掩埋基底断层，沿线丘陵山区植被发育，露头较少。工作井周边断层与输水线路呈大角度相交，断层带透水性好，易形成渗水通道。

工作井周边地下水类型以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排，雨季主要以大气降水和河流、渠道补给地下水，枯水季地下水补向河流。

3 周边环境及监测点布置

LG09＃-1工作井周围环境十分复杂，周边分布有多栋已建厂房、办公楼宇，且分布有多个鱼塘及两条河涌。距离厂房、楼宇距离最近处为75 m，相距工作井范围约为75～400 m。其中，合禾珠宝距工作井75 m，车雄俱乐部距工作井240 m。

为了研究降水施工对周边建筑物的影响，测压管在连续施工开始前完成安装埋设，采用水位测深仪进行人工观测。工作井周围监测点布置见图3，其中UP为地下水位监测点，LD为沉降监测点。

图3 监测点布置

4 监测结果及数据分析

4.1 地下水监测及发展规律

地下水位监测点UP2-1、UP4-1分别位于工作井的东南与西北侧。根据水位观测数据，绘制水位动态变化曲线图，如图4所示。由图4可知，观测期间(2020年5月－2020年12月)水位动态变幅为0.04～18.13 m。水位呈现出不同的阶段性，共分为三个阶段。

图4 地下水位变化曲线

第一个阶段水位稳定下降。初始时工作井开挖较浅，井内外水头差比较小、渗透路径长，工作井周边水位变化缓慢，前60 d一直稳定在较高水平，对周边环境影响很小；当开挖到第60天时，由于开挖深度增大，水头差也增大，渗透路径缩短，水位下降的速率有所增大，开挖完第十二步，测压管UP4-1水位缓慢下降至－7.86 m。

第二个阶段水位急剧下降。当开挖至第十三步，工作井透水量突然增大，井内大量水喷涌而出，导致周边水位迅速下降；直至开挖第十四步，短短3 d，UP2-1水位下降至－18.13 mm。进一步分析可知，水位迅速降低的根本原因是第十三步地层处于裂隙发育带，该层透水性极大，与周边环境形成贯通的透水通道；同时，地下水位下降至强透水层，其渗透系数相对弱透水层相差10 000倍，从而导致周边水位急剧下降。

第三阶段水位逐渐回升。随着工作井底板浇筑完成、设置回灌井及注浆封堵，减小了水的排出量，工作井周边地下水位得以恢复，20 d后地下水水位已处于基本稳定状态。

4.2 周边水位分析

为了分析工作井周边的水位变化情况，对工作井50 m以外区域的水位进行监测，绘制工作井不同距离处水位变化幅值曲线，如图5所示。

图5 周边水位变化与工作井距离的关系

由图5可知，开挖第十二层和第十三层对工作井50 m以外的水位影响不大，影响的只是工作井附近50 m之内的区域，由于水平渗流路径长，此时工作井施工对周边环境的影响不大。

从图5还可以看出，当工作井开挖到第十四层，周边水位普遍降低10 m以上，距离工作井200 m以上时水位降低幅度与工作井的距离关系不大。因为这层土为裂隙发育的透水层，该层与工作井400 m之内的断层相连形成贯通的透水通道，从而导致了该区域水位普遍降低，且没有水位坡度的变化。由于工作井周边水位降低呈现区域性的影响，且水位变化幅度在10 m以上，这必然引起周边环境的沉降问题。

4.3 工作井附近土体沉降分析

地下水位的变化必然引起土体有效应力的改变，从而导致周围建筑物发生沉降，地下水位监测点LD位于工作井的东南侧。根据工作井附近沉降观测数据，绘制工作井附近地表沉降随时间变化曲线，如图6所示。

图6 工作井附近土体沉降量随时间变化曲线

由图6可知，观测期间(2020年4月－2020年12月)，工作井附近沉降分为平缓段和加速阶段。前十二步施工时，由于工作井周边水位变化缓慢，沉降发展也比较平缓和稳定，最大沉降值不超过50 mm，对周边环境影响很小。当施工第十三步时，工作井开挖至裂隙发育的强透水层，工作井附近水位突然急剧下降，引起有效应力迅速增大，沉降速率随之增大；当开挖完第十四步，最大点沉降量为90 mm左右。注浆封堵后，工作井周边水位得以恢复，沉降速率得到控制。由此可知，工作井附近土体沉降与水位变化情况相互对应。

4.4 工作井周边沉降分析(50 m以外)

工作井开挖会导致周边(50 m以外)水位普遍降低，且水位未呈现漏斗形状。为了研究周边建筑物沉降的规律，以建筑物合禾珠宝和车雄俱乐部为例进行分析。根据监测结果，绘制建筑物沉降随时间变化的曲线，如图7和图8所示。

图7 合禾珠宝垂直沉降

图8 车雄俱乐部垂直沉降

初始观测日期为2020－11－18，其中合禾珠宝距工作井75 m，车雄俱乐部距工作井240 m。由图7和图8可知，由于工作井开挖和地下水位的变化，沉降增长不断波动并发展，合禾珠宝在观测期间最大累计沉降量可达到12 mm，车雄俱乐部在观测期间累计沉降可达到17 mm。结合建筑物与工作井距离可知，工作井施工对周边建筑沉降影响范围比较大。由于建筑物沉降不仅与地下水位的变化有关，还与土层条件、建筑物基础、固结度等有关，从而导致建筑物各点的沉降量不同。从数据上看，越到监测后期，数据变化越小，周边建筑物沉降趋于稳定。

5 降水引起建筑物沉降计算方法

分层总和法是规范中建议或者工程中比较常用的计算最终沉降量的方法[11]。计算降水引起的最终竖向变形量可按下式计算:

式中:s为降水引起的地层变形量(m)；Ψw为沉降计算经验系数，根据地区工程经验取值，无经验时，取Ψw＝1；Δσzi为降水引起的地面下第i土层中点处的附加有效应力(kPa)；Δhi为第i层土的厚度(m)；Esi为第i层土的压缩模量(kPa)。

工作井外土体中各点降水引起的附加有效应力宜采用地下水渗流分析方法按稳定渗流计算；当符合非稳定渗流条件时，可按地下水非稳定渗流计算[12]。附加有效应力按下列公式计算(见图9):

图9 降水引起沉降计算简图

计算点位于干土区时:

计算点位于降水后水位非饱和区时:

计算点位于饱和区时:

式中:α0为计算点至初始水位的垂直距离(m)；si为计算点对应的地下水位下降值(m)。

通过计算工作井周边水头下降产生的附加荷载，结合地层条件，工作井周边建筑物最终沉降量见表1。

表1 建筑物最终沉降计算结果及监测值

值得注意的是，理论计算依据井周测压管水头变化数据[13]，通过数值参数反演进行计算得到的水位变化，因此计算值跟实测值会存在一定的偏差，但是偏差较小。

6 结论

本文通过对LGO9＃-1工作井施工过程中及施工完成后工作井附近及周边地下水位和沉降的监测数据进行整理分析，主要得到以下结论:

对于该工程来说，工作井开挖至有裂隙发育的强透水层之前，工作井周边水位变化比较平稳缓慢，对周边环境影响范围、影响程度也比较小；当开挖至裂隙发育的强透水层时，工作井周边水位急剧下降，且该层与周边地层形成贯通的透水通道，对周边环境影响范围非常大，从而导致周边建筑物沉降与发展。