黃鑫磊

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

地面沉降是上海地區(qū)最主要的地質(zhì)環(huán)境問題，也是最主要的地質(zhì)災害。近年來，隨著上海地面沉降研究的不斷深入和防治管理的不斷強化，地面沉降得到了較好的控制，年均沉降速率已控制在6mm以內(nèi)，但不均勻沉降特征顯著，直接影響重大基礎(chǔ)設施的運營安全[1]。通過地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)局部沉降漏斗與該區(qū)域的工程建設活動吻合；根據(jù)基坑案例監(jiān)測數(shù)據(jù)，懸掛式帷幕基坑降水對周圍地面沉降影響范圍較大，最遠可超過10H（H為基坑開挖深度）[2-3]。這反映出深基坑等地下空間開發(fā)建設已成為影響局部區(qū)域地面沉降的重要因素。

針對巨厚松散層沉積區(qū)基坑減壓降水地面沉降問題，一些專家和學者從基坑降水設計、地面沉降變形規(guī)律、淺層地下水回灌等不同角度開展了研究，如駱祖江采用有限差分數(shù)值模擬方法，探討了復雜巨厚松散沉積層以控制地面沉降為目標的最優(yōu)化深基坑降水設計理論[4]；王建秀等通過對基坑工程降水過程的分層變形監(jiān)測，探討了深基坑工程降水誘發(fā)沉降機制及計算方法[5]；葉為民等基于Biot固結(jié)理論，探討采用不同止水形式基坑工程降水過程對地面沉降規(guī)律影響規(guī)律[6]；楊天亮、吳建中等開展了水位與沉降雙控模式下的淺層地下水人工回灌試驗，評價了其在防治工程型地面沉降中推廣應用的可行性及適用性[7-8]。這些研究對認識深基坑工程地面沉降規(guī)律，開展地面沉降防治具有參考價值，但已有的成果缺乏對防治措施的系統(tǒng)性總結(jié)，尚未有從地面沉降防治角度對基坑降水全過程控制的工程應用案例。

本文嘗試從不均勻地面沉降防治角度出發(fā)，提出基坑圍護與工程降水一體化設計方法，基于基坑減壓降水全過程控制原則，以上海某在建車站東區(qū)基坑為例進行示范應用探索，以期為深基坑減壓降水地面沉降控制提供解決方案，助力地質(zhì)環(huán)境保護與城市工程建設協(xié)調(diào)綠色發(fā)展。

1 基于地面沉降控制的基坑圍護與工程降水一體化設計方法

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對懸掛式深基坑減壓降水地面沉降規(guī)律及影響因素[9]，聚焦目前基坑圍護設計與減壓降水地面沉降防治不匹配的問題，提出了基于地面沉降控制的基坑圍護與工程降水一體化設計方法（圖1），即按照基坑降水需求和地面沉降控制要求，在基坑圍護初步設計基礎(chǔ)上，優(yōu)先進行基坑降水與人工回灌一體化設計，以控制坑內(nèi)降水對坑外地質(zhì)環(huán)境影響；當不能滿足沉降控制目標時，再以止水帷幕插入最優(yōu)和基坑抽水量最小為原則，進行止水帷幕深度優(yōu)化設計，提出基坑圍護優(yōu)化設計建議，最終形成滿足地面沉降控制的基坑降水設計方案。

基于地面沉降發(fā)生后難以治理恢復的實踐認識，深基坑減壓降水地面沉降防治應重在預防及過程控制。為此，總結(jié)了基坑降水全過程優(yōu)化控制技術(shù)要點：第一，在基坑設計階段，采用基坑圍護與工程降水一體化設計方法；第二，在降壓運行階段，根據(jù)基坑分層開挖進度實施“按需降水”，加強水位降深控制及地面沉降同步監(jiān)測；第三，當坑外水位降深超過控制要求時，及時啟動淺層地下水人工回灌，穩(wěn)定坑外地下水滲流場，控制水位漏斗區(qū)擴大，從而達到地面沉降控制目標。

圖1 基坑圍護與工程降水一體化設計流程Fig.1 The flow chart for integrated design of foundation pit enclosure and engineering dewatering

2 深基坑減壓降水地面沉降控制示范應用探索

2.1 示范工程概況

上海某在建地鐵車站基坑工程，分東、西兩個獨立基坑，基坑最大開挖深度20.0m。該場區(qū)屬濱海平原區(qū)地貌，為正常地層分布區(qū)，第一承壓含水層頂面埋深約27.5～29.8m，第一、二承壓含水層溝通，第二承壓含水層底面埋深約87～91m?；訃o結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式，設計墻深34.0～36.5m。

根據(jù)基坑底板穩(wěn)定性分析結(jié)果，該基坑開挖過程中存在承壓水突涌風險，須采取減壓降水措施，設計水位降深達7.3～8.9m。依據(jù)深基坑減壓降水地面沉降綜合分區(qū)[9]，該示范工程屬于⑦ 2-3區(qū)；根據(jù)雙控參考指標[10]，該工程地面沉降控制指標為1.7～2.1mm、水位降深控制指標為1.0m。

本次以該工程西區(qū)基坑為例，在建設和施工單位的大力支持下，通過采取基坑止水帷幕深度優(yōu)化、降壓井施工及降水運行優(yōu)化、地面沉降監(jiān)測、淺層地下水人工回灌等綜合技術(shù)措施，使坑外水位降深和地面沉降滿足控制指標要求，為深基坑減壓降水地面沉降防治起到引領(lǐng)和示范作用。

2.2 基坑圍護設計優(yōu)化與人工回灌設計

（1）止水帷幕深度優(yōu)化設計

由于該工程所在場地因第一、二承壓含水層溝通，降水目的含水層厚度達57.2～63.5m，從工程經(jīng)濟技術(shù)合理考慮，止水帷幕難以隔斷降水目的含水層，宜采取懸掛式止水帷幕。根據(jù)場地水文地質(zhì)補充勘察結(jié)果，建立了水文地質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬方法，對基坑減壓降水過程進行預測，當前條件下坑內(nèi)降水坑外3H處水位降深超過4m，不能滿足地面沉降控制要求。通過分析不同止水帷幕深度條件下水位降深（見圖2）可知，隨著止水帷幕深度增加，坑外水位降深隨之減小，尤其當止水帷幕深度大于或等于43m，坑外水位降深明顯減小，地面沉降可得到有效控制。同時當止水帷幕深度大于43m以后，坑外地下水位降深減小趨勢不明顯，止水帷幕效應優(yōu)勢不明顯。因此，經(jīng)過最優(yōu)化求解，建議將基坑止水帷幕深度增加到43m。

圖2 止水帷幕深度與坑外3H處水位降深關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between curtain wall depth and water level drawdown at 3H outside the pit

（2）止水帷幕深度優(yōu)化效果評估

根據(jù)上述分析計算，建設和施工單位決定增加止水帷幕深度，但在西區(qū)基坑圍護已經(jīng)施工完成的情況下，受施工條件、經(jīng)濟效益等因素制約，最終在基坑北側(cè)和東側(cè)采用MJS工法將止水帷幕深度增加至43m，而端頭井和南側(cè)則保持原有深度。結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，通過數(shù)值模擬方法對基坑圍護與工程降水設計進行評估，結(jié)果表明僅將基坑北側(cè)和東側(cè)止水帷幕深度增加至43m將無法滿足水位降深和地面沉降控制指標。為此需要在基坑周邊開展地下水人工回灌，以控制坑內(nèi)降水對周邊地質(zhì)環(huán)境的影響。采用上述模型經(jīng)過最優(yōu)化求解，在基坑南北兩側(cè)各布設3口回灌井，可滿足水位降深和地面沉降控制指標要求。

（3）淺層地下水人工回灌設計

本次擬建6口回灌井，但受工程施工場地條件制約，基坑北側(cè)減少1口，最終共建成5口回灌井?；毓嗑疄V水管埋深30～40m，即在第⑦1層內(nèi)，比降壓井和止水帷幕深度略小，以充分利用止水帷幕的隔水效應，減小坑外回灌對坑內(nèi)降水的影響?；毓喾绞讲捎迷訅夯毓啵磳⒔祲壕槌龅牡叵滤ㄟ^曝氣池曝氣、沉淀池沉淀凈化后送往回灌井進行人工回灌，在回灌過程中配合以人工回揚等措施防止濾水管堵塞。

2.3 基坑減壓降水過程優(yōu)化與地面沉降監(jiān)測

（1）降壓井施工工藝優(yōu)化

根據(jù)降水設計計算，單井涌水量需達到240m3/d以上，或者增加降壓井數(shù)量才能滿足坑內(nèi)水位降深要求。由于本工程基坑面積較小，不宜增加降壓井數(shù)量，一般工程中通常采用增加降壓井濾水管長度，以保障單井出水量。但對坑外水位降深和地面沉降控制不利。本工程在不增加降壓井濾水管長度的情況下，通過濾料級配、泥漿濃度等一系列施工工藝優(yōu)化，提高了單井出水量及成井質(zhì)量，并使降壓井深度小于止水帷幕深度，以便最大程度地利用止水帷幕的隔水效應[11]，達到控制坑外水位降深和地面沉降的目的。

（2）降壓運行關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制

基坑施工工程中，嚴格按降壓運行方案，實施“按需降水”。根據(jù)基坑分層開挖深度，逐步開啟降壓井點，調(diào)節(jié)降壓井出水量，使得基坑降水量呈現(xiàn)“臺階”式上升（見圖3），實現(xiàn)減小基坑降水量的目的。

圖3 開挖深度 降水量 回灌量歷時關(guān)系Fig.3 Diachronic relationship between excavation, pumping and recharge

為了實時高效地監(jiān)測地下水位動態(tài)，本次借助自動化水位計及數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)刃畔⒓夹g(shù)開發(fā)了Win-Troll系統(tǒng)，對地下水位進行智能化遠程監(jiān)測與控制。通過與設計降深對比，及時調(diào)節(jié)出水閘閥開啟度，動態(tài)調(diào)整降壓井出水量。該系統(tǒng)可查詢一個或多個水位計的實時或歷史數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)表格或歷時曲線方式顯示；也可支持短信及振鈴喚醒，當監(jiān)測井水位達到設計降深時進行預警提醒，適時啟動地下水人工回灌，實現(xiàn)精準控制地下水位降深。

（3）地面沉降綜合監(jiān)測

為全面監(jiān)控減壓降水過程中基坑周邊地下水位和地面沉降變化，以及指導地面沉降防治措施實施，在基坑周邊及3H、10H處布設了地下水位觀測井、在基坑西側(cè)和南側(cè)分別布設了地面沉降監(jiān)測剖面（最遠達30H）等監(jiān)測設施，對基坑降水全過程及其周邊地質(zhì)環(huán)境進行同步監(jiān)測。

2.4 地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）地下水位控制效果

基坑減壓降水期間觀測井內(nèi)水位均有所下降，從基坑施工期間降水量、回灌量與承壓水位關(guān)系歷時曲線（圖4）可知，在基坑施工期間，隨著基坑開挖和降水的進行，承壓水位逐步下降，坑內(nèi)降水對坑外水位有一定影響，距離基坑3H（約60m）處G2觀測井內(nèi)地下水位降深約5.0m，距基坑10H（約200m）G1觀測井內(nèi)地下水位降深約2.5m，且因止水帷幕在該側(cè)未加深，水力坡度較平緩，影響范圍也較遠，理論推測25H（約500m）處水位降深約1m。地下水人工回灌后，距基坑3H處觀測井水位迅速抬升超過3m，距基坑10H處觀測井水位抬升約0.5m，可見人工回灌對地下水位抬升作用明顯，且影響范圍較大。

（2）地面沉降控制效果

從典型地面沉降監(jiān)測點歷時曲線（圖5）可知，在基坑開挖和減壓降水過程中，基坑周邊地面沉降量逐漸增大，距基坑3H點地面最大累計沉降量接近5mm，在啟動回灌井后，距離回灌井和基坑較近的監(jiān)測點出現(xiàn)較為明顯的回彈，最大地面回彈量大于2mm，最遠監(jiān)測點（距基坑約30H）基本沒有回彈量，但地面沉降趨勢明顯變緩，由發(fā)展趨于收斂。

圖5 基坑南側(cè)地面沉降監(jiān)測剖面典型監(jiān)測點歷時曲線Fig.5 Land subsidence process of typical monitoring points on the south side of deep foundation

（3）防治成效討論

通過采用基坑圍護與工程降水一體化設計方法，實施基坑減壓降水全過程優(yōu)化控制，坑外承壓水位和地面沉降得到了較好的控制，最終距離基坑3H處最大水位降深約1.5m，最大累計地面沉降約3mm；對比同類型基坑工程，本工程引起的水位降深和地面沉降量明顯減小。但由于本工程是首個示范應用案例，在基坑圍護施工完成后才對止水帷幕深度進行優(yōu)化，受場地施工空間限制，回灌井也未能完全按照設計實施，導致示范應用結(jié)果比參考控制指標略高。如果在施工階段能夠更合理地安排場地和工程進度，完全按照基坑圍護與工程降水一體化設計實施則可能會取到更好的防治效果。

3 結(jié)論與建議

（1）巨厚松散層地質(zhì)條件是上海地區(qū)地面沉降易發(fā)的主要內(nèi)因，深基坑工程建設是引發(fā)區(qū)域不均勻地面沉降發(fā)育的重要因素。為此，提出了基坑圍護與工程降水一體化設計方法，總結(jié)了基坑減壓降水全過程控制技術(shù)要點。

（2）以上海某在建車站西區(qū)基坑為例開展的原型工程示范應用探索，初步驗證了基于地面沉降控制的基坑圍護與工程降水一體化設計方法可行；該方法有利于深基坑減壓降水地面沉降雙控指標的實現(xiàn)和基坑周邊地質(zhì)環(huán)境的保護，可為深基坑減壓降水地面沉降控制實踐提供解決方案。

（3）建議下一步不斷優(yōu)化深基坑減壓降水地面沉降雙控指標，完善地面沉降控制技術(shù)標準體系；建議修訂深基坑工程管理相關(guān)制度，促進防治技術(shù)的推廣應用；從而為深基坑減壓降水地面沉降控制提供技術(shù)支撐和機制保障。