富水软弱地层基坑开挖中的土体变形与渗流特性

任 壮 丁春林 吴 烁 吴 超

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 201804, 上海；2.中铁十四局集团大盾构工程有限公司， 211800, 南京∥第一作者， 硕士研究生)

随着城市轨道交通的快速发展，地铁车站深基坑大量出现在城市闹市区和交通繁忙的道路交叉口[1-2]。由于地铁深基坑需要开挖至地下水位以下，因此在开挖前需要先降低地下水位。然而，降低地下水位会导致基坑周边土体有效应力增大，使土体发生固结不均匀沉降。这种不均匀沉降可能损坏周边的建筑物，导致房屋和路面开裂，埋藏管线受到破坏等问题。因此，基坑周边水土演变已成为深基坑工程的研究热点[3-4]。

目前，诸多学者对基坑周边水土演变规律进行了研究，如通过基坑变形机理开展对基坑宽度、降水深度、降水时间等因素的研究，或研究考虑降水因素影响下的土体沉降的计算方式[5-8]。然而，对基坑周边水土演变规律的研究较多，而对软土富水深基坑水土演变研究深度不足，有待进一步深入研究。

对此，本文依托无锡富水软土地区的地铁3号线旺庄路站深基坑工程，通过现场实测地下水位、孔隙水压力、降水井流量等，分析降水对基坑土体变形特性的影响，以获得降水前后深基坑周边变形特性规律。

1 工程背景

旺庄路站位于无锡新吴区长江路与旺庄路的交叉路口，为地下二层岛式车站，其周边交通繁忙。旺庄路站周边建筑物众多，且其场地两侧分布了大量市政管线，因此施工过程中必须严格控制基坑周边的土体变形。

旺庄路站有效站台中心处基坑深度为15.83 m，北端盾构井基坑最深处为17.80 m，南端盾构井基坑最深处为19.10 m。该车站基坑变形控制等级为一级，车站基坑外地面最大沉降量、围护结构最大水平位移均不得超过0.001 5H(H为基坑开挖深度)。

旺庄路站的地层条件如图1所示。该工程场地地层主要为黏质粉土、黏土和粉质黏土层。

图1 旺庄路站地层条件示意图Fig.1 Diagram of Wangzhuang Road Stationstratum condition

基坑区域地下水类型为松散岩类孔隙水，包括潜水、微承压水和第Ⅰ层承压水。其中，潜水稳定水位标高为1.42～1.80 m左右；微承压水水位埋深为2.31～2.81 m，水位标高为1.61～1.63 m左右；第Ⅰ承压水水位埋深一般为5.83～6.37 m左右，水位标高为-1.34～-1.88 m左右。

基坑潜水降水共持续60 d，其中承压水降水从第40日开始。降水井及观测井平面位置示意图如图2所示。

2 基坑降水的实地观测

2.1 地下水位现场观测结果

基坑开始降水后，利用SWJ-90型钢尺水位计测量SG48的地下水位埋深及JY06的水头降深。观测结果如图3所示。

注：SG为疏干井,JY为承压井;数字为观测井编号。图2 基坑内降水井及观测井平面位置示意图Fig.2 Planar layout diagram of dewatering welland observation well in foundation pit

图3 水位埋深观测值Fig.3 Observation value of water level buried depth

由图3可见：SG48的水位变化时程曲线并不是呈线性降低的趋势，其斜率有低有高，曲线有明显的拐点。这表明：该水位并不是随时间均匀降低的，水位降低过程呈现出明显的多梯次分段下降变化特征。经分析，坑内疏干土体存在空间上的变异性，不同土层的渗透系数及各向异性具有一定的差异：在渗透性低的土层中，观测井水位下降缓慢；在渗透性高的土层中，观测井水位下降相对较快。

由图3还可看出：JY06在未降水之前承压含水层水头降深几乎无变化。经分析，疏干井滤管未插入承压含水层，因其上覆弱透水层的隔水作用，基坑内疏干降水几乎不会影响到承压含水层。随着承压井抽水的不断进行，坑内的承压含水层的水头高度逐渐降低。与疏干观测井不同，坑内承压观测井水头降深时程变化曲线的斜率不断减小，表明其水头降低速度在逐渐减慢，其水头降深变化过程按照变化速率大致可以分为快速降低期、缓慢降低期及逐渐稳定期。其中，缓慢降低期的承压含水层水头降深在缓慢地增长，逐渐稳定期的承压含水层水头降深已基本稳定。

2.2 孔隙水压力监测

在基坑南端头井布置1个孔隙水压力监测断面，共设3个监测孔，每个监测孔内埋设4个孔隙水压计。孔隙水压计的埋深分别为6 m、14 m、26 m及36 m。监测布点埋深示意图如图4所示。

图4 孔隙水压力计埋深布置示意图Fig.4 Diagram of buried depth layout plan of porewater pressure monitor

运用钢弦式孔隙水压力计，用数显频率仪测读并记录孔隙水压力计频率。有:

(1)

式中：

μ——孔隙水压力；

K——标定系数；

fi——测试频率；

f0——初始频率。

位于端头井外1 m处的1号监测孔内，各测点的孔隙水压力随时间的变化曲线如图5所示。

图5 1号监测孔内的孔隙水压力变化曲线Fig.5 Change curve of pore water pressure atNo.1 monitoring point

其他监测孔的孔隙水压力变化规律与图5类似。进一步分析发现：在基坑降水开挖前，由于地质情况类似，各相同埋深测点的孔隙水压力初始值较为接近；随着基坑降水开挖过程的进行，在同一测点中，浅层孔隙水压力减小幅度较小，深层孔隙水压力减小幅度比浅层孔隙水压力减小幅度要大。分析其原因，当基坑内进行降水开挖时，在围护结构隔水的情况下，坑外水需从地连墙底端绕流进入坑内，由于相对隔水层的渗透系数较小，故深层地下水的水头损失大于浅层地下水的水头损失。

2.3 降水井流量现场监测结果分析

现场降水施工时，在疏干井及降水井上安装了流量表。本文以疏干井SG49及承压井JY05抽水流量为例，分析富水软弱地层基坑降水过程中疏干井和承压井抽水流量的变化特征。图6和图7分别为SG49及JY05的抽水流量-时间变化曲线。其他疏干井及承压井的抽水流量变化规律类似。

图6 SG49的抽水流量-时间变化曲线Fig.6 Time history curve of SG49 pumping flow

图7 JY05的抽水流量-时间变化曲线Fig.7 Time history curve of JY05 pumping flow

由图6和图7明显可以看出，疏干井和承压井的抽水流量呈现出不同的特征。

对于疏干井而言，群井疏干抽水时，其单井出水量逐渐衰减，由刚开始的27.3 m3/d逐渐降到13.0 m3/d左右。在观测期间发现：投入使用初期，疏干井动水位均在较短时间内迅速降至抽水泵位置，降幅较大；随后，会出现掉泵现象，水泵会间断出水；随着疏干井抽水时间不断增加，由于地下连续墙插入了弱透水层中，较大程度地阻隔了基坑内外潜水含水层的水力联系，坑内潜水水位不断降低，于是疏干井在1 d内的出水时间会变得越来越长，出水量也会相应减小。

对于承压井而言，其单井出水量明显比疏干井出水量大。最初出水流量为157.1 m3/d，抽水3～4 d后便降至约117.0 m3/d，随后出水流量基本稳定。这是因为承压含水层未被地下连续墙隔断，且承压含水层渗透系数较大，水源补给比较充足、迅速，故在一定时间内承压井水泵抽水状态就会相对稳定。

3 基坑降水开挖对周围土体变形影响的实测结果

3.1 基坑周边的土体沉降

在基坑开挖过程中，应力场与渗流场同时在发生变化，两者相互作用、相互影响。这种作用模式称为渗流-应力耦合作用[9]。在基坑降水开挖过程中，基坑四周土体会发生不同程度的沉降变形。图8为端头井断面地表沉降随时间变化的曲线。

图8 端头井断面地表沉降随时间变化图Fig.8 Diagram of ground surface settlement ofend well section

由图8可知：在端头井段基坑开始施工阶段，测点DB21-1、DB21-2、DB23-3、DB24-4及DB24-5的沉降值分别为5.84 mm、4.28 mm、3.35 mm、2.56 mm、1.84 mm，距离基坑较近处测点的沉降值稍大；随着基坑降水开挖的进行，各测点沉降值出现不同程度的增加，其中距离基坑较远处的测点DB23-3、DB24-4及DB24-5的沉降增加较大，且沉降最大值为21.88 mm。由监测数据还发现，基坑降水开挖完成后，各测点的沉降都发生了一定的回弹，距基坑较近处的地面回弹值较大，距基坑较远处的地面回弹值较小。

3.2 基坑围护结构的水平变形

基坑围护结构的水平变形不仅取决于围护结构的类型，还会受到围护结构插入比及刚度等的影响。围护结构产生较大变形不仅使自身结构存在安全隐患，而且会导致墙外侧的土体产生不均匀沉降，损坏基坑周边的建筑和道路。因此，在施工过程中必须严密监测围护结构变形，保证安全施工。

如图2所示，选取南部端头井段的测斜断面的监测数据进行分析。端头井段断面地下连续墙的水平位移s沿连续墙深度Hp变化曲线如图9所示。

图9 端头井段地下连续墙水平位移沿深度变化曲线

由图9可知：端头井段基坑开挖制作第一道混凝土支撑完成时，s最大值为0.41 mm，出现在地下连续墙上半部分 ，地下连续墙底端s几乎为0；随着Hp的增加，s逐渐增大，s最大值出现在地下连续墙的中间位置，s随Hp增大呈先增大后减小的趋势，但地下连续墙底部也出现了一定的水平位移；第三道支撑完成时，s最大值为11.10 mm。由于端头井段的基坑较深，从地下连续墙的变形曲线可以看出，其开挖面以下的墙体出现了整体的水平位移。

经过严格的降水控制和监测分析，旺庄路站基坑变形控制良好，地面最大沉降不超过22 mm，地下连续墙水平位移不超过12 mm，达到了预期的效果，保证了工程的安全施工，可以为类似工程案例提供借鉴。

4 结论

1) 随着基坑降水开挖的进行，在同一测点中，深层孔隙水压力降幅较大，浅层孔隙水降幅较小。

2) 在基坑内疏干井的水位现场实测中，观测井水位变化时程曲线并不是呈线性降低的趋势，斜率有变化，曲线有明显拐点，其水位降低过程明显呈现出多梯次分段下降的变化特征。

3) 距离基坑较近处的地面沉降稍大。随着基坑降水开挖的进行，各测点沉降值出现不同程度的增大，此时距离基坑较远处的地面沉降增大较多。基坑降水开挖完成后，各测点的地面沉降有所回弹，其中距离基坑较远处的地面沉降回弹比较小，距离基坑较近处的地面回弹较大。

4) 随着基坑开挖越来越深，地下连续墙的水平位移也逐渐增大，最大值出现在地下连续墙中部位置，地下连续墙水平位移沿深度呈先增大后减小的趋势，但连续墙底部也出现了水平位移。