降水開挖引起地面沉降的控制措施分析

劉帥君，張揚清

上海交通大學土木工程系，上海200240

降水開挖引起地面沉降的控制措施分析

劉帥君，張揚清

上海交通大學土木工程系，上海200240

復雜城市環境條件下深大基坑工程降排水所引發的地面沉降問題日益突出，針對地面沉降的控制措施已引起普遍關注。本文采用考慮飽和土流固耦合的有限元方法建立深基坑工程的二維分析模型，模擬深基坑施工的降水開挖過程，研究深厚承壓含水層中止水帷幕深度和坑外地下水回灌等措施對地面沉降的影響規律。結果表明，加深止水帷幕和加大回灌量均可以有效地減小基坑外的水位變化，控制降水開挖引發的坑外地面沉降。止水帷幕深度超過抽水井深度10 m時，止水帷幕的控制作用最優；回灌量至少達到抽水量1/5，回灌才會對地面沉降有較明顯的影響。

降水開挖；地面沉降；控制措施

在大規模的地下空間開發過程中，深基坑施工中淺層地下水抽水所導致的土層壓縮變形已成為地面沉降的主要影響因素，加劇了區域地面沉降的發展。工程經驗和監測數據表明，深基坑開挖卸荷引起的臨近土體沉降影響范圍通常為2～4倍開挖深度［1］，但承壓水減壓降水引起的周邊地面沉降影響范圍可達10～15倍開挖深度以上［2］。大量研究結果也表明，承壓水的降壓抽水是基坑施工過程引起地面沉降的主要因素［3，4］，在深厚承壓含水層采用懸掛式止水帷幕時尤為突出［5］。

為了降低基坑減壓降水帶來的不利影響，國內外學者已提出多種控制方法優化基坑降水方案從而控制地面沉降的方法［6，7］。采用間歇性降水方案也可以一定程度上減小地面沉降［8］。懸掛式止水帷幕也會影響基坑外水位降深，減小地面沉降［9］。地下水回灌也對地面沉降有比較顯著的控制作用［10］，另外分倉降水也可以減小地面沉降［11］。工程實踐中，合理設置止水帷幕和適度進行地下水回灌是較為常用的控制措施，但目前對相關措施的作用規律、實施效果及優化分析的研究較少。本文針對深厚承壓含水層中的深基坑降水開挖問題，對不同止水帷幕深度和不同回灌量條件下的施工過程進行數值模擬，研究不同控制措施對地面沉降的影響規律，分析其作用機理和控制效果。

1　工程概況

大定海泵站基坑工程位于上海市楊浦區楊樹浦路南側、平定路西側、黃浦江北岸，泵房距黃浦江規劃黃浦江岸線約70 m，占地近4730 m2，泵站出入口接向平定路。

泵站主體結構平面形狀接近矩形，總長56.4 m，總寬38.4～43.2 m，底板標高一般為-16.10 m，局部落段底板標高-17.7 m或-19.90 m。泵站及調蓄池合建構筑物采用厚1000 mm、深36 m或43 m地下連續墻作為基坑圍護。

本工程場地內地勢較為平坦，勘察期間勘探孔地面標高一般在+3.62~+4.90 m，為濱海平原地貌。本次勘察揭示場地內為正常沉積區，在55 m深度范圍內主要由飽和粘性土和粉性土組成，按其成因可分為9層。

根據基坑開挖深度，深基坑開挖到達⑤1層中下部，而地下連續墻進入⑦2層上部，未隔斷⑦層承壓水，對降水不利。

2　數值分析模型

基于上海地區大定海泵房的基坑開挖工程實例，根據Biot固結理論及流固耦合理論，采用考慮飽和土流固耦合特征的有限元方法建立深基坑工程的二維分析模型，分別采用“生死”單元和節點滲流量控制[12]來模擬基坑開挖和降水過程。基于該模型，分別對不同止水帷幕深度條件和不同回灌量條件下的基坑降水開挖進行數值分析，探討止水帷幕深度和回灌量對地面沉降的影響作用。

數值分析模型采用平面應變模型進行模擬，計算總體模型水平方向取340 m，計算寬度為基坑開挖深度的15倍；模型豎直方向取80 m，為開挖深度的4倍。據估算，承壓水井點降水影響半徑約為75.09 m，模型的尺寸也充分考慮到承壓水降水對周圍土體擾動的影響。

基坑降水開挖的示意圖如圖1所示，基坑開挖深度為20 m，寬度為80 m。基坑采用連續墻加鋼支撐的圍護體系，連續墻寬為1 m，共設7道支撐。D為承壓含水層厚度，D2為止水連續墻插入承壓含水層的深度，D3為抽水井插入承壓含水層的深度，抽水井深度為38 m。

圖1　基坑降水開挖的示意圖Fig.1 Sketch of foundation excavation

實際施工中土體中布設了多級梯次的降水井，對降水的模擬采用流量控制的方法，即在降水深度處某個節點施加一個流量荷載。潛水層疏干降水，每一級降水抽水時間為3 d，降水后水位降至該級開挖面以下；承壓水降水為減壓降水，抽水時間為5 d，抽水流量為400 t/d。

土體采用帶孔壓的平行四邊形單元（CPE4P）模擬，連續墻采用平行四邊形單元（CPE4）模擬，支撐采用梁單元（Beam）模擬，土體與連續墻的接觸設置接觸面。模型底部采用固定約束，左右兩側則采用水平約束。

基坑內土體開挖以及架設支撐都采用單元生死法模擬，每開挖一步就殺死該步所移除的土體，并且激活需要架設的支撐。

土體的MCC模型可以合理地連續墻的變形和連續墻后土體的變形情況[13]，所以本文采用MCC模型。結合上海地區的典型土層分布，參考文獻［14］的分析結果，土層計算參數選取如表1所示。

表1　土層計算參數Table 1 Parameters of soil layers

3　止水帷幕深度的影響分析

如圖1所示，定義隔斷比R為地連墻插入承壓含水層的深度D2與承壓含水層的總厚度的比值，地下水的止水條件用隔斷比來表示。針對不同止水帷幕深度，分別取隔斷比R為2/6、3/6、4/6、5/6和6/6（即完全隔斷）五種情況進行研究。

3.1止水帷幕深度對地下水位的影響

基坑外的承壓水層頂部的水位沿水平方向的分布如圖2所示。由圖可見，最低水位隨著隔斷比增大而逐步上升，即連續墻對滲流場的阻隔作用更好，基坑坑內減壓降水對坑外水位的影響越小。這主要是因為加大止水帷幕深度能減小承壓含水層中的過水斷面，增大了坑內外地下水滲流的繞流路徑，從而控制承壓含水層的滲流，減小基坑外地下水對基坑內地下水的補給，進而減小基坑降水對坑外水頭的影響。

3.2止水帷幕深度對地面沉降的影響

不同止水條件下坑外地面沉降的分布曲線如圖3。當R=2/6時，隔斷比最小，基坑外地面的最大沉降為28.978 mm；當R=6/6時，止水帷幕完全隔斷承壓含水層，基坑外的地面最大沉降為18.770 mm。

不同止水帷幕深度時的基坑外100 m處的地面沉降依次為12.679 mm、11.888 mm、11.577 mm、9.459 mm和7.853 mm，連續墻越深，沉降越小。連續墻完全隔斷時基坑外100 m處的沉降量約為連續墻隔斷比R=2/6時的60%，而且承壓水層完全隔斷時，地面沉降3 mm的位置對應在基坑外約170 m處，隔斷比最小（R=2/6）時，地面沉降3 mm的位置對應在基坑外約215 m處。

圖2　基坑外承壓含水層水位沿水平方向分布Fig.2 Horizontal distribution curves of water level outside pit

圖3　地面沉降分布曲線Fig.3 Distribution curves of ground settlement

最大沉降隨止水帷幕深度變化圖如圖4所示，由圖可見，止水帷幕越深，基坑外的水位變化越小，基坑外的地面沉降越小，而且地面沉降的影響范圍也越小，加大止水帷幕深度可以有效地控制承壓水降水引起的地面沉降。R小于4/6時，最大沉降隨止水帷幕加深變化較明顯，R大于4/6，最大沉降隨止水帷幕加深變化幅度很小，所以止水帷幕深度為50 m，超過抽水井深度12 m時，止水帷幕的作用效果最優。

圖4　最大沉降隨止水帷幕深度變化Fig.4 Change of maximum settlement with depth of diaphragm wall

4　坑外地下水回灌的影響分析

在基坑外20 m處設置回灌井，回灌井深度和抽水井相同，取為38 m，對承壓水進行人工回灌。定義回灌流量與承壓水抽水流量之比為F，分別取F為0（相當于無回灌）、1/20、1/10、1/5和1/2五種情況進行研究。

4.1坑外回灌對地下水位的影響

四種不同地下水回灌條件和無回灌時的基坑外承壓水水位沿水平方向的分布圖如圖5所示。從圖中可以看出，隨著回灌流量的增加，基坑外承壓水的孔壓在增大，基坑外的承壓水水位降深在減小。當回灌量達到抽水量的1/5時，承壓水水位比無回灌時上升了1.8 m，當回灌量達到1/2時，承壓水水位比F=1/5的水位上升了2.6 m，回灌的流量越大，對承壓水水位的影響幅度也越大。

圖5　基坑外承壓含水層水位沿水平方向分布Fig.5 Horizontal distribution curves of water level outside pit

4.2坑外回灌對地面沉降的影響

不同回灌條件下地面沉降的分布曲線如圖6所示。當無地下水回灌時，基坑外地面的最大沉降為28.978 mm，此時的地面沉降最大；當回灌量達到抽水流量的1/2時，基坑外的地面最大沉降為22.863 mm。

不同的回灌條件下基坑外100m處的地面沉降如表2所示，回灌量越大，沉降越小，回灌抽水比為1/2時基坑外100 m處的沉降量約為無回灌時的75%，而且回灌量最大（F=1/2）時，地面沉降3 mm的位置對應在基坑外約185 m處，無回灌時，地面沉降3 mm的位置對應在基坑外約215 m處。

增加地下水回灌也會減小基坑外的水位變化，從而控制基坑外的地面沉降，回灌流量越大，地面沉降越小。當F小于1/5時，回灌對地面沉降的影響不明顯，當F大于1/5時，尤其是回灌量達到抽水量的一半時，回灌可以顯著地減小地面沉降量。

表2　基坑外100 m處的地面沉降Table 2 Ground settlement at 100 m outside pit

圖6　地面沉降分布曲線Fig.6 Distribution curves of ground settlement

圖7　最大沉降隨回灌量變化圖Fig.7 Change of maximum settlement with recharge amount

5　結論

本文采用考慮流固耦合的數值模擬方法，研究了止水帷幕和坑外回灌對地面沉降的影響進行研究，得到如下結論：

（1）止水帷幕對承壓含水層的止水作用會影響承壓水的滲流，止水帷幕隔斷越深基坑外的水位變化越小，地面沉降越小，影響范圍也越小。在深厚承壓含水層中，當止水帷幕無法完全隔斷坑內外水力聯系時，應至少保證止水帷幕深度超過抽水井深度10 m以上。

（2）坑外回灌可控制回灌點以外的地下水頭下降量，在基坑周邊較小范圍內形成局部的滲流場平衡，從而減小地面沉降，減弱地面沉降的影響范圍；回灌流量越大，地面沉降會越小。回灌量達到1/5的抽水量時，回灌才會對地面沉降有明顯的控制作用，回灌量達到抽水量1/2時，回灌對地面沉降的控制效果較好。

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Analysis on the Measures Controlling the Ground Settlement Induced by Rainfall and Excavation

LIU Shuai-jun，ZHANG Yang-qing
Department of Civil Engineering/Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

As environmental impact induced by deep excavation and drainage in complex urban condition gets increasing attention，ground surface settlement controlling has been a hot study area.This paper mainly focused on impacts caused by various sealing curtain depth in the confined aquifer and groundwater recharge outside the excavation.To analysis the overall excavation process，a two dimensional numerical model which took fluid-solid coupling mechanics into consideration was adopted in this paper.The numerical calculation indicated that a deeper sealing curtain and a larger groundwater recharge volume would result in an effective controlling for ground surface settlement.To be specific，a 10 m-sealing curtain and a recharge quantity which equaled 20%of the pump-out would minimize the environmental impact.

Rainfall and excavation；ground settlement；control measures

P642.26

A

1000-2324（2016）05-0760-05

2015-01-16

2015-03-12

國家自然基金項目（41372282）

劉帥君（1989-），男，碩士研究生，研究方向樁基工程與巖土工程數值分析.E-mail：lsjsjtu@sjtu.edu.cn