天津中心城區基坑降水對地面沉降的影響范圍研究

時紹瑋，朱慶川，徐 冬

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天津中心城區基坑降水對地面沉降的影響范圍研究

時紹瑋，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5個典型工程案例，對基坑降水引起的地面沉降規律進行了基本分析。由于基坑降水引起地面沉降的范圍較遠，往往能達到墻后5～10倍基坑開挖深度的距離，而實際基坑工程坑外沉降的測點往往布置在墻后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測數據對該模型進行驗證，最后利用該模型研究不同開挖深度的基坑（5～25m）降水對地面沉降的影響范圍，并探討5種不同止水帷幕截斷方式的工況下坑內降水后坑外水位及地面沉降隨時間發展關系。

基坑；沉降；范圍；發展；關系

0　前言

隨著城市發展速度與建設規模的不斷加大，建筑基坑規模和深度也隨之加大，基坑降水量不斷攀升。研究成果表明，天津市建筑密集區基坑降水引發地面沉降的貢獻率已經占到地面沉降總量的16%左右，但是由于基坑降水引發地面沉降在天津發生的歷史較短，導致在基坑降水過程中進行回灌所采用的方式、方法及相關技術要求的研究起步較晚，學者對其發生、發展及影響范圍的規律研究不深，導致在管理上缺乏有力的科研依據。因此，本文以《天津市基坑降水引發地面沉降規律分析》為依托，同時以典型基坑工程為案例，探討不同深度及不同截斷方式的基坑降水對地面沉降的影響范圍及發展關系，為進一步制定行之有效的管理措施提供科學依據（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證

首先依托文化中心站抽水試驗對數值模型進行校核。抽水試驗詳情見表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、二承壓層水位觀測井；DCCJ01～DCCJ10為地面沉降監測點，為了保護測點，將其布置在地表下2m；分層沉降監測點和分層孔壓監測點分別布置了4組，每組包括3個位置接近的測孔，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　抽水試驗基本情況Tab.1 pumping test process

根據土層分布，建立了三維地下水滲流數值模型。分別對W2井、W3井抽水試驗進行數值模擬，將計算的觀測井P2-1～P2-3及P3-2～P3-3的水位降深與現場抽水試驗的觀測井降深做對比（圖1、圖2）。由圖1、圖2可看出，建立的三維地下水滲流數值模型可以反映實際場地土層特性，可用于研究基坑降水引發沉降的范圍。

圖1.W2抽水試驗過程中水位降深計算值與實測值對比Fig.1 W2 pumping test in the process of water level drawdown calculated value compared with the measured values

圖2.W3抽水試驗過程中水位降深計算值與實測值對比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

基于驗證過的數值模型，通過對不同深度的基坑分別進行模擬，通過對截斷第一和第二層承壓含水層的程度，經過180天的抽水后引發地面沉降量的大小的分析，來控制沉降的影響范圍，從而對地下支護結構設計方案進行優化。截斷方式有以下幾種（張剛等，2008；王春波等，2013）：

第一含水層組：工況一，未對第一承壓含水層進行處理；工況二，截斷第一承壓含水層總厚度的1/2；工況三，對第一承壓含水層全部截斷。

第二含水層組：工況四，未對第二承壓含水層進行處理；工況五，截斷第二承壓含水層總厚度的1/4；工況六，截斷第二承壓含水層總厚度的1/2；工況七，截斷第二承壓含水層總厚度的3/4；工況八，對第二承壓含水層全部截斷。

基于地下連續墻對第二承壓含水層的的截斷方式的不同，來控制基坑周邊地表沉降。將地表沉降分為10mm、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（圖3），統計計算結果見表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　沉降發展過程

基于上文數值模型，以25m深基坑為例，探討5種不同止水帷幕截斷方式的工況下坑內降水后坑外水位及地面沉降隨時間發展關系，選取坑外距離地連墻中點約10m位置進行分析。圖4為地面沉降時程曲線，圖5為坑外承壓層水位變化時程曲線，圖6為坑外承壓層上覆弱透水層水位變化時程曲線。

由圖4可以看出，地面沉降在降水開始后10～20天發展較快，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，地面沉降在所計算的180天后仍未穩定，尤其是止水帷幕沒有截斷承壓層的各工況（陳崇希等，1999；張宏仁，1984）。

圖4　深25m 基坑不同工況下沉降隨時間變化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間變化Fig.6 25m excavations under different working conditions of weak permeable layer water level change over time

4　結論

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

（2）深15m基坑由于不需要對第二承壓含水層進行減壓，所以基坑降水并不會引發該含水層水位明顯下降，故第二承壓含水層是否截斷對坑外地表沉降影響較小。

（3）深20m基坑需要對第二承壓含水層進行減壓，加深止水帷幕深度會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。

對于10mm的沉降影響范圍，根據基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0～42m；對于20mm的沉降影響范圍，根據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斷第二承壓層，深20m基坑滿足降壓要求后，基本不會出現坑外30mm的沉降。此外，當止水帷幕截斷50%以上時，10mm沉降影響范圍有明顯“收縮”，當止水帷幕截斷75%以上，可將10mm沉降控制在距離基坑10m以內。

（4）深25m基坑開挖較深，如地下連續墻未截斷第二承壓含水層，為防止坑底凸涌，需對該含水層進行減壓處理，由于降深較大，坑外地表會出現較大沉降（約40mm）。

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

此外，對于10mm的沉降影響范圍，增加止水帷幕深度對其影響不大，如果周圍建筑對沉降敏感，沉降需要控制在10mm以內時，建議將第二承壓水截斷；對于20mm的沉降影響范圍，止水帷幕截斷50%以上時，其沉降影響范圍有明顯“收縮”；對于30mm的沉降影響范圍，止水帷幕截斷25%以上時，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，地面沉降在較長時間內仍不能穩定，尤其是止水帷幕沒有截斷承壓層的工況。

［1］葉淑君，薛禹群，張云，等. 上海區域地面沉降模型中土層變形特征研究［J］. 巖土工程學報，2005，27（2）：140～147.

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

［3］楊建民，鄭剛，焦瑩. 天津站抽水試驗數值反演分析［J］. 土木工程學報，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數值模擬與沉降控制［J］. 巖土工程學報，2011，32（12）：1950～1956.

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

［6］張剛，梁志榮. 承壓水降水引起地表沉降現場試驗研究［J］. 巖土工程學報，2008，30（S）：323～327.

［7］王春波，丁文其，劉文軍，等. 非穩定承壓水降水引起土層沉降分布規律分析［J］. 同濟大學學報（自然科學版），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沉降機制及計算方法［J］. 巖石力學與工程學報， 2009，28（5）：1010～1019.

［9］陳崇希，林敏. 地下水動力學［ M］. 武漢：中國地質大學出版社，1999.

［10］張宏仁. 漏斗體積的空間分布［J］. 水文地質工程地質，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

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