北京市地质工程勘察院 北京 100048
摘要：根据地区环境的不同，基坑降水是造成地面沉降的主要因素，对于城市的建设和发展都造成一定的影响。并且，对深基坑勘察、支护及降水设计、监测等提出了很高的要求，深基坑降水引起地面沉降已成为城市建设的主要灾害之一。下面我们以某一地区的地面沉降为例，对于基坑降水引起的地面沉降原因进行分析。
关键词：基坑降水；地面沉降；原因
引言
目前，城市中大多数深基坑尤其是地铁基坑开挖在地下水位以下，施工时间长，且大部分地处高楼林立、地下管线复杂的繁华市区，因此减小基坑降水引起的地表沉降，确保周围地面及建筑物的安全尤为重要。
1截水设计理念
1.1 地面沉降机理
基坑降水开挖时，在基坑四周一定范围内，潜水必然产生水位降落，水位降低减少了土中地下水对土颗粒的浮托力，减小的孔隙水压力会转换成有效应力增量，即潜水水位每降低1m，有效应力增量为10kPa，这个有效应力增量使土体产生固结压密，引起土层发生变形，反映到地表面上，形成地表沉降或水平移动，地下水位降落的曲面分布必然会引起不均匀沉降。相对隔水的粘性土层的渗透系数和固结系数极低，释水压密遵从渗透固结规律缓慢发展。抽水引起的地面沉降既发生在含水层中，同时也发生在粘性土中，但各自主次不同所占比例不同。坑内外水头差的存在将引发粉砂土颗粒随地下水渗流（侧壁管涌）产生地层损失，最终反映为地面沉降。
1.2 基坑降水引起地面沉降的范围及影响程度
基坑降水时，抽降水引起地面沉降影响范围就是抽水水位下降漏斗的范围，并且具有离基坑愈近水位下降值愈大，地面沉降愈大的特点。当水位下降后的标高接近于枯水期地下水水位标高时，可作为基坑降水时的影响范围。对深基坑开挖与降水引起的地面沉降，主要由围护结构自身变形和坑外地下水位下降引起，但目前尚无法准确区分。深基坑开挖引起地面沉降的范围一般为开挖深度（h）的1~4倍，在深层承压水无法完全截水，采取降压悬挂止水、坑内降水方案时，降压影响增加，承压含水层弹性释水，承压性未变，地面沉降在距坑壁2h以内主要由围护结构自身变形引起，2h以外范围主要由降水引起，6h范围外地表变形不明显。
1.3 设计理念
（1）设置止水帷幕对基坑周围地面沉降大小起着决定性作用，若地下水位高于坑底，上层潜水较大且有充足的补给源，或承压水能使基坑发生流砂、管涌、突涌现象，或基坑周边有重要市政设施，或对地面的水平位移和垂直沉降需严格控制，应在降水前设置止水帷幕隔水并采用坑内降水，可大大减少降水工程引起的地面沉降。（2）设置回灌井可极大程度地减小回灌处以外地表的总沉降和不均匀沉降，是一个十分有效的控制地面沉降的方法。（3）基坑设计水位降深对基坑周围地面最终沉降量有一定影响，在满足要求时尽可能减小基坑设计水位降深。（4）井点埋置深度是一个不容忽视的因素，使止水帷幕下端较井点滤管下端深2m左右最佳，保持基坑内的降水曲面在坑底以下0.5~1.0m即可。（5）抽水井应尽量布置在基坑中，充分利用群井干扰效果，以较少数量的井达到控制降深的目的，同时使水力坡度陡降段处于基坑内，控制周边环境因水力坡度过大，造成不均匀沉降量过大的不利情况出现。
2工程案例分析
2.1水文试验方法、成果
对抽水试验井、观测井的结构进行了精心设计，采用钢管并注水泥浆做好分层止水，保持各含水层之间不串通，通过单井抽水，分层量测，共18组抽水试验求取含水层参数。对隔水层采用注水试验及室内渗透试验测求。区域地质情况：本站东650m分布有近似垂直于线路走向的古河道，河床内分布砂粉土，河床深切第二承压含水层8~10m，该处作为隔水层的④、⑥粘土层缺失，古河道中砂粉土潜水与承压水相连通。
2.2 工程问题
本工程降水单位设计了坑内30口混合降水井及分层水位观测井，坑外潜水回灌井兼观测井及⑦层承压水观测井。第三方监测单位坑外施工了混合观测井。初期降水过程中混合降水井涌水量5m 3 /h，一个月后单井涌水量2m 3 /h，涌水量与设计预想相符。问题：坑内潜水位下降至9m后降不下去，⑤层下降至14m、⑦层下降至17m。坑外潜水位下降至6m，⑤层水头下降至12m，⑦层水头下降17m。尚未开挖围护结构外40m范围内已产生了5~15mm的地表沉降。坑外潜水及⑤层承压水位变化与设计预想相悖，⑦层承压水位变化与设计预想相符。
2.3沉降原因分析
（1）止水帷幕底部隔水失效致上部潜水绕流进入坑内，即咬合桩砼收缩致地下水沿土体与围护结构之间绕流进入坑内，此说法太牵强。
（2）本站东650m古河道中砂粉土潜水与承压水相连通，坑内降压井致坑外潜水经古河道补给承压水。本站东侧车站距古河道250m，采用地连墙围护止水，混合井降水成功，地面未发现明显变形，说明降压第二承压水，水力坡度小，径流缓慢，对潜水影响极小。潜水绕流通过古河道补给承压水的说法不符合实际。
（3）如果⑤层部位咬合桩漏水，因④层隔水性好，潜水水位不降，增大坑内排水量可以解决本工程开挖。
（4）降压⑦层承压水，该层为Q 3 超固结土，先期固结压力p c =500kPa，减小孔隙水压力引起的有效应力增量远小于p c，不会使粘性土颗粒错位移动产生沉降。
（5）采用坑外潜水观测井对应坑内抽水井检验渗漏方法，证明咬合桩浅部潜水部位存在接缝漏水，水头差使潜水及粉土颗粒通过接缝涌入坑内，外侧水土流失导致地面沉降，这其中潜水水位下降，粉土压密是地面沉降的主要因素，土颗粒流失产生地层损失是次要因素。
（6）基坑外第三方监测单位施工的观测井（混合井）导通了浅部潜水含水层和承压水含水层，导致坑外潜水沿滤料进入第二承压含水层，潜水经降压井排出，造成坑外潜水位下降，引起地表变形。应封堵坑外混合观测井，重新设置分层观测井并加强监测。
3 减小降水对周围环境影响的一些措施
基坑降水过程中，随地下水位降低，土层有效应力增加，在基坑周围一定范围内，水位变化形成漏斗状分布，以漏斗为中心形成地面沉降变形区域，对基坑周围环境产生影响，严重时会引发周围地面裂缝、建筑物倾斜等，影响周围建筑物的正常使用和基坑安全施工，因此基坑降水设计施工中应充分预测沉降变化睛况，加强沉降监测，采取减少降水对基坑周围环境影响的对策。（1）充分预估降水可能引起的不良影响，制定预防措施及可靠的监测方案，把不均匀沉降控制在允许的范围内，发生问题及时处理。（2）设置有效的止水帷幕，尽量不在坑外降水。竖向止水帷幕最好达到不透水层，当含水层厚度大，竖向止水帷幕难以穿透或造价太高时，可考虑在坑底以下设置水平止水帷幕或悬挂式止水。（3）坑内降水与坑外回灌相结合，设置水位观测井监测水位变化，调节回灌量。（4）控制降水强度和降水延续时间。压缩基坑开挖的施工时间，根据承压水水头监测数据和基坑开挖深度，动态控制排水量，直至达到设计水位降深值，减少基坑累计排水总量。因地铁降水施工周期长，不建议采用混合井降水。
结语
综上所述，对降低承压水对地表的影响有了新的认识，有利于围护结构选型与降水方案之间权衡。分析了外部地质环境、水文地质条件对具体工点的影响，梳理了主次原因及错误认识。增加止水帷幕至④层粘土1.0m，对咬合桩接缝进行封堵，加大坑内疏干降水，并回灌潜水含水层，进行基坑开挖，控制地面沉降是可行的。
参考文献：
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[2] 姚纪华，宋汉周，等. 深基坑降水引起地面沉降的影响因子权重体系[J].勘察科学技术，2012，180（6）：16-20.
[3] 李志平.基坑降水引起的地面沉降分析[D].中南大学，2008.
论文作者:丁靖洋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：基坑论文; 水位论文; 地面论文; 含水层论文; 帷幕论文; 地表论文; 河道论文; 《基层建设》2017年第14期论文;