時(shí)紹瑋，朱慶川，徐 冬

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天津中心城區(qū)基坑降水對(duì)地面沉降的影響范圍研究

時(shí)紹瑋，朱慶川，徐 冬

（天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061）

依托天津地區(qū)5個(gè)典型工程案例，對(duì)基坑降水引起的地面沉降規(guī)律進(jìn)行了基本分析。由于基坑降水引起地面沉降的范圍較遠(yuǎn)，往往能達(dá)到墻后5～10倍基坑開挖深度的距離，而實(shí)際基坑工程坑外沉降的測(cè)點(diǎn)往往布置在墻后1～4倍基坑開挖深度的距離，因此難以全面的獲得不同類型基坑（如基坑深度不一）降水對(duì)地面沉降的影響范圍。本文利用有限差分軟件Modflow建立三維地下水滲流模型，并利用文化中心站的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用該模型研究不同開挖深度的基坑（5～25m）降水對(duì)地面沉降的影響范圍，并探討5種不同止水帷幕截?cái)喾绞降墓r下坑內(nèi)降水后坑外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系。

基坑；沉降；范圍；發(fā)展；關(guān)系

0　前言

隨著城市發(fā)展速度與建設(shè)規(guī)模的不斷加大，建筑基坑規(guī)模和深度也隨之加大，基坑降水量不斷攀升。研究成果表明，天津市建筑密集區(qū)基坑降水引發(fā)地面沉降的貢獻(xiàn)率已經(jīng)占到地面沉降總量的16%左右，但是由于基坑降水引發(fā)地面沉降在天津發(fā)生的歷史較短，導(dǎo)致在基坑降水過程中進(jìn)行回灌所采用的方式、方法及相關(guān)技術(shù)要求的研究起步較晚，學(xué)者對(duì)其發(fā)生、發(fā)展及影響范圍的規(guī)律研究不深，導(dǎo)致在管理上缺乏有力的科研依據(jù)。因此，本文以《天津市基坑降水引發(fā)地面沉降規(guī)律分析》為依托，同時(shí)以典型基坑工程為案例，探討不同深度及不同截?cái)喾绞降幕咏邓畬?duì)地面沉降的影響范圍及發(fā)展關(guān)系，為進(jìn)一步制定行之有效的管理措施提供科學(xué)依據(jù)（葉淑君等，2005；楊建民等，2008；楊建民等，2010）。

1　有限差分模型建立及驗(yàn)證

首先依托文化中心站抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校核。抽水試驗(yàn)詳情見表1，其中W2、W3分別為第一、二承壓層降壓井；P2-1～P2-3、P3-1～P3-3分別為第一、二承壓層水位觀測(cè)井；DCCJ01～DCCJ10為地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了保護(hù)測(cè)點(diǎn)，將其布置在地表下2m；分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和分層孔壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置了4組，每組包括3個(gè)位置接近的測(cè)孔，如FCCJ1-1～FCCJ1-3、KXS1-1～KXS1-3，其埋置深度分別為4m、8m、12m（周念清等，2011；楊建民，2013）。

表1　抽水試驗(yàn)基本情況Tab.1 pumping test process

根據(jù)土層分布，建立了三維地下水滲流數(shù)值模型。分別對(duì)W2井、W3井抽水試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，將計(jì)算的觀測(cè)井P2-1～P2-3及P3-2～P3-3的水位降深與現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的觀測(cè)井降深做對(duì)比（圖1、圖2）。由圖1、圖2可看出，建立的三維地下水滲流數(shù)值模型可以反映實(shí)際場(chǎng)地土層特性，可用于研究基坑降水引發(fā)沉降的范圍。

圖1.W2抽水試驗(yàn)過程中水位降深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.1 W2 pumping test in the process of water level drawdown calculated value compared with the measured values

圖2.W3抽水試驗(yàn)過程中水位降深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 W3 pumping test in the process of water level drawdown calculated value compared with the measured values

2　沉降影響范圍

基于驗(yàn)證過的數(shù)值模型，通過對(duì)不同深度的基坑分別進(jìn)行模擬，通過對(duì)截?cái)嗟谝缓偷诙映袎汉畬拥某潭?，?jīng)過180天的抽水后引發(fā)地面沉降量的大小的分析，來控制沉降的影響范圍，從而對(duì)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。截?cái)喾绞接幸韵聨追N（張剛等，2008；王春波等，2013）：

第一含水層組：工況一，未對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行處理；工況二，截?cái)嗟谝怀袎汉畬涌偤穸鹊?/2；工況三，對(duì)第一承壓含水層全部截?cái)唷?/p>

第二含水層組：工況四，未對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行處理；工況五，截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/4；工況六，截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/2；工況七，截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?/4；工況八，對(duì)第二承壓含水層全部截?cái)唷?/p>

基于地下連續(xù)墻對(duì)第二承壓含水層的的截?cái)喾绞降牟煌瑏砜刂苹又苓叺乇沓两?。將地表沉降分?0mm、20mm、30mm、40mm四條等值線，研究基坑中部地連墻與四條等值線距離，得出地面沉降影響范圍從而提出墻深控制指標(biāo)（圖3），統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表3（王建秀等，2009） 。

表2　不同深度的基坑在不同工況下最大沉降量對(duì)比Tab.2 Different depth of excavations under different conditions the biggest settlement

表3　不同深度的基坑在不同止水工況下與各等值線的距離Tab.3 Different depth of excavations under different water conditions and the distance of the contour

圖3　基坑周圍地表沉降等值線與基坑距離示意圖Fig.3 The isoline the ground settlement around excavations and excavations distance diagram

3　沉降發(fā)展過程

基于上文數(shù)值模型，以25m深基坑為例，探討5種不同止水帷幕截?cái)喾绞降墓r下坑內(nèi)降水后坑外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系，選取坑外距離地連墻中點(diǎn)約10m位置進(jìn)行分析。圖4為地面沉降時(shí)程曲線，圖5為坑外承壓層水位變化時(shí)程曲線，圖6為坑外承壓層上覆弱透水層水位變化時(shí)程曲線。

由圖4可以看出，地面沉降在降水開始后10～20天發(fā)展較快，且能完成最終沉降的75%以上，而由于承壓層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土層的存在，地面沉降在所計(jì)算的180天后仍未穩(wěn)定，尤其是止水帷幕沒有截?cái)喑袎簩拥母鞴r（陳崇希等，1999；張宏仁，1984）。

圖4　深25m 基坑不同工況下沉降隨時(shí)間變化Fig.4 25m excavations under different working conditions change over time

圖5　深25m 基坑不同工況下承壓水位隨時(shí)間變化Fig.5 25m excavations under different working conditions change over time

圖6　深25m 基坑不同工況下弱透水層水位隨時(shí)間變化Fig.6 25m excavations under different working conditions of weak permeable layer water level change over time

4　結(jié)論

（1）對(duì)于基坑開挖深度為5m、10m的基坑，由于基坑開挖深度相對(duì)較小，且坑底距離第一承壓層層頂距離較大（一般約10m），故一般不需對(duì)第一承壓層進(jìn)行降壓處理，故基坑降水引起的坑外地面沉降范圍很小（若止水帷幕不發(fā)生滲漏的條件下）。

（2）深15m基坑由于不需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓，所以基坑降水并不會(huì)引發(fā)該含水層水位明顯下降，故第二承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)坑外地表沉降影響較小。

（3）深20m基坑需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓，加深止水帷幕深度會(huì)增加地下水滲流路徑，從而改變地下水滲流，減小坑外土體沉降。

對(duì)于10mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～42m；對(duì)于20mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～10m；而不論基坑止水帷幕是否截?cái)嗟诙袎簩樱?0m基坑滿足降壓要求后，基本不會(huì)出現(xiàn)坑外30mm的沉降。此外，當(dāng)止水帷幕截?cái)?0%以上時(shí)，10mm沉降影響范圍有明顯“收縮”，當(dāng)止水帷幕截?cái)?5%以上，可將10mm沉降控制在距離基坑10m以內(nèi)。

（4）深25m基坑開挖較深，如地下連續(xù)墻未截?cái)嗟诙袎汉畬?，為防止坑底凸涌，需?duì)該含水層進(jìn)行減壓處理，由于降深較大，坑外地表會(huì)出現(xiàn)較大沉降（約40mm）。

對(duì)于10mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～140m；對(duì)于20mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～88m；對(duì)于30mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～46m；對(duì)于40mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～10m。

此外，對(duì)于10mm的沉降影響范圍，增加止水帷幕深度對(duì)其影響不大，如果周圍建筑對(duì)沉降敏感，沉降需要控制在10mm以內(nèi)時(shí)，建議將第二承壓水截?cái)?；?duì)于20mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?0%以上時(shí)，其沉降影響范圍有明顯“收縮”；對(duì)于30mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?5%以上時(shí)，其沉降影響范圍有明顯“收縮”。

（5）基坑降水后，地面沉降在降水開始后10～20天發(fā)展較快，且能完成最終沉降的75%以上，而由于承壓層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土層的存在，地面沉降在較長時(shí)間內(nèi)仍不能穩(wěn)定，尤其是止水帷幕沒有截?cái)喑袎簩拥墓r。

［1］葉淑君，薛禹群，張?jiān)?，? 上海區(qū)域地面沉降模型中土層變形特征研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（2）：140～147.

［2］楊建民，鄭剛，焦瑩. 天津站抽水試驗(yàn)分析［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2008，41（7）：67～70.

［3］楊建民，鄭剛，焦瑩. 天津站抽水試驗(yàn)數(shù)值反演分析［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（9）：125～130.

［4］周念清，唐益群，婁榮祥，等. 徐家匯地鐵站深基坑降水?dāng)?shù)值模擬與沉降控制［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011，32（12）：1950～1956.

［5］楊建民. 無越流承壓含水層降落漏斗體積［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2013.

［6］張剛，梁志榮. 承壓水降水引起地表沉降現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（S）：323～327.

［7］王春波，丁文其，劉文軍，等. 非穩(wěn)定承壓水降水引起土層沉降分布規(guī)律分析［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（3）：361～367.

［8］王建秀，吳林高，朱雁飛，等. 地鐵車站深基坑降水誘發(fā)沉降機(jī)制及計(jì)算方法［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2009，28（5）：1010～1019.

［9］陳崇希，林敏. 地下水動(dòng)力學(xué)［ M］. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.

［10］張宏仁. 漏斗體積的空間分布［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1984.

Research on Foundation Pit Precipitation Affecting Land Subsidence in Tianjin Center Urban Area

SHI Shaowei， ZHU Qingchuan， XU Dong
（Tianjin Land Subsidence Controlling Office， Tianjin 300061）

Based on five typical engineering cases in Tianjin center urban area， the ground settlement caused by foundation pit precipitation is systematically analyzed. Using finite difference software Modflow， 3D groundwater seepage model is established， and the mode is tested and verified by the measured data. The model is used to study the land subsidence scope influenced by different excavation depth of foundation pit precipitation （5～25m）. Finally， for the five different water stop curtain truncation method， this paper discusses the relationship between pit precipitation water level and land subsidence with time.

Foundation pit； Land subsidence； Scope； Development； Relationship

TU753

A

1007-1903（2016）02-0038-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.008

時(shí)紹瑋（1983- ），女，主要研究方向：控制地面沉降管理。郵箱：zhuqhdx@163.com