富水軟弱地層基坑開挖中的土體變形與滲流特性

任 壯 丁春林 吳 爍 吳 超

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804, 上海；2.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司， 211800, 南京∥第一作者， 碩士研究生)

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵車站深基坑大量出現在城市鬧市區和交通繁忙的道路交叉口[1-2]。由于地鐵深基坑需要開挖至地下水位以下，因此在開挖前需要先降低地下水位。然而，降低地下水位會導致基坑周邊土體有效應力增大，使土體發生固結不均勻沉降。這種不均勻沉降可能損壞周邊的建筑物，導致房屋和路面開裂，埋藏管線受到破壞等問題。因此，基坑周邊水土演變已成為深基坑工程的研究熱點[3-4]。

目前，諸多學者對基坑周邊水土演變規律進行了研究，如通過基坑變形機理開展對基坑寬度、降水深度、降水時間等因素的研究，或研究考慮降水因素影響下的土體沉降的計算方式[5-8]。然而，對基坑周邊水土演變規律的研究較多，而對軟土富水深基坑水土演變研究深度不足，有待進一步深入研究。

對此，本文依托無錫富水軟土地區的地鐵3號線旺莊路站深基坑工程，通過現場實測地下水位、孔隙水壓力、降水井流量等，分析降水對基坑土體變形特性的影響，以獲得降水前后深基坑周邊變形特性規律。

1 工程背景

旺莊路站位于無錫新吳區長江路與旺莊路的交叉路口，為地下二層島式車站，其周邊交通繁忙。旺莊路站周邊建筑物眾多，且其場地兩側分布了大量市政管線，因此施工過程中必須嚴格控制基坑周邊的土體變形。

旺莊路站有效站臺中心處基坑深度為15.83 m，北端盾構井基坑最深處為17.80 m，南端盾構井基坑最深處為19.10 m。該車站基坑變形控制等級為一級，車站基坑外地面最大沉降量、圍護結構最大水平位移均不得超過0.001 5H(H為基坑開挖深度)。

旺莊路站的地層條件如圖1所示。該工程場地地層主要為黏質粉土、黏土和粉質黏土層。

圖1 旺莊路站地層條件示意圖Fig.1 Diagram of Wangzhuang Road Stationstratum condition

基坑區域地下水類型為松散巖類孔隙水，包括潛水、微承壓水和第Ⅰ層承壓水。其中，潛水穩定水位標高為1.42～1.80 m左右；微承壓水水位埋深為2.31～2.81 m，水位標高為1.61～1.63 m左右；第Ⅰ承壓水水位埋深一般為5.83～6.37 m左右，水位標高為-1.34～-1.88 m左右。

基坑潛水降水共持續60 d，其中承壓水降水從第40日開始。降水井及觀測井平面位置示意圖如圖2所示。

2 基坑降水的實地觀測

2.1 地下水位現場觀測結果

基坑開始降水后，利用SWJ-90型鋼尺水位計測量SG48的地下水位埋深及JY06的水頭降深。觀測結果如圖3所示。

注：SG為疏干井,JY為承壓井;數字為觀測井編號。圖2 基坑內降水井及觀測井平面位置示意圖Fig.2 Planar layout diagram of dewatering welland observation well in foundation pit

圖3 水位埋深觀測值Fig.3 Observation value of water level buried depth

由圖3可見：SG48的水位變化時程曲線并不是呈線性降低的趨勢，其斜率有低有高，曲線有明顯的拐點。這表明：該水位并不是隨時間均勻降低的，水位降低過程呈現出明顯的多梯次分段下降變化特征。經分析，坑內疏干土體存在空間上的變異性，不同土層的滲透系數及各向異性具有一定的差異：在滲透性低的土層中，觀測井水位下降緩慢；在滲透性高的土層中，觀測井水位下降相對較快。

由圖3還可看出：JY06在未降水之前承壓含水層水頭降深幾乎無變化。經分析，疏干井濾管未插入承壓含水層，因其上覆弱透水層的隔水作用，基坑內疏干降水幾乎不會影響到承壓含水層。隨著承壓井抽水的不斷進行，坑內的承壓含水層的水頭高度逐漸降低。與疏干觀測井不同，坑內承壓觀測井水頭降深時程變化曲線的斜率不斷減小，表明其水頭降低速度在逐漸減慢，其水頭降深變化過程按照變化速率大致可以分為快速降低期、緩慢降低期及逐漸穩定期。其中，緩慢降低期的承壓含水層水頭降深在緩慢地增長，逐漸穩定期的承壓含水層水頭降深已基本穩定。

2.2 孔隙水壓力監測

在基坑南端頭井布置1個孔隙水壓力監測斷面，共設3個監測孔，每個監測孔內埋設4個孔隙水壓計。孔隙水壓計的埋深分別為6 m、14 m、26 m及36 m。監測布點埋深示意圖如圖4所示。

圖4 孔隙水壓力計埋深布置示意圖Fig.4 Diagram of buried depth layout plan of porewater pressure monitor

運用鋼弦式孔隙水壓力計，用數顯頻率儀測讀并記錄孔隙水壓力計頻率。有:

(1)

式中：

μ——孔隙水壓力；

K——標定系數；

fi——測試頻率；

f0——初始頻率。

位于端頭井外1 m處的1號監測孔內，各測點的孔隙水壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 1號監測孔內的孔隙水壓力變化曲線Fig.5 Change curve of pore water pressure atNo.1 monitoring point

其他監測孔的孔隙水壓力變化規律與圖5類似。進一步分析發現：在基坑降水開挖前，由于地質情況類似，各相同埋深測點的孔隙水壓力初始值較為接近；隨著基坑降水開挖過程的進行，在同一測點中，淺層孔隙水壓力減小幅度較小，深層孔隙水壓力減小幅度比淺層孔隙水壓力減小幅度要大。分析其原因，當基坑內進行降水開挖時，在圍護結構隔水的情況下，坑外水需從地連墻底端繞流進入坑內，由于相對隔水層的滲透系數較小，故深層地下水的水頭損失大于淺層地下水的水頭損失。

2.3 降水井流量現場監測結果分析

現場降水施工時，在疏干井及降水井上安裝了流量表。本文以疏干井SG49及承壓井JY05抽水流量為例，分析富水軟弱地層基坑降水過程中疏干井和承壓井抽水流量的變化特征。圖6和圖7分別為SG49及JY05的抽水流量-時間變化曲線。其他疏干井及承壓井的抽水流量變化規律類似。

圖6 SG49的抽水流量-時間變化曲線Fig.6 Time history curve of SG49 pumping flow

圖7 JY05的抽水流量-時間變化曲線Fig.7 Time history curve of JY05 pumping flow

由圖6和圖7明顯可以看出，疏干井和承壓井的抽水流量呈現出不同的特征。

對于疏干井而言，群井疏干抽水時，其單井出水量逐漸衰減，由剛開始的27.3 m3/d逐漸降到13.0 m3/d左右。在觀測期間發現：投入使用初期，疏干井動水位均在較短時間內迅速降至抽水泵位置，降幅較大；隨后，會出現掉泵現象，水泵會間斷出水；隨著疏干井抽水時間不斷增加，由于地下連續墻插入了弱透水層中，較大程度地阻隔了基坑內外潛水含水層的水力聯系，坑內潛水水位不斷降低，于是疏干井在1 d內的出水時間會變得越來越長，出水量也會相應減小。

對于承壓井而言，其單井出水量明顯比疏干井出水量大。最初出水流量為157.1 m3/d，抽水3～4 d后便降至約117.0 m3/d，隨后出水流量基本穩定。這是因為承壓含水層未被地下連續墻隔斷，且承壓含水層滲透系數較大，水源補給比較充足、迅速，故在一定時間內承壓井水泵抽水狀態就會相對穩定。

3 基坑降水開挖對周圍土體變形影響的實測結果

3.1 基坑周邊的土體沉降

在基坑開挖過程中，應力場與滲流場同時在發生變化，兩者相互作用、相互影響。這種作用模式稱為滲流-應力耦合作用[9]。在基坑降水開挖過程中，基坑四周土體會發生不同程度的沉降變形。圖8為端頭井斷面地表沉降隨時間變化的曲線。

圖8 端頭井斷面地表沉降隨時間變化圖Fig.8 Diagram of ground surface settlement ofend well section

由圖8可知：在端頭井段基坑開始施工階段，測點DB21-1、DB21-2、DB23-3、DB24-4及DB24-5的沉降值分別為5.84 mm、4.28 mm、3.35 mm、2.56 mm、1.84 mm，距離基坑較近處測點的沉降值稍大；隨著基坑降水開挖的進行，各測點沉降值出現不同程度的增加，其中距離基坑較遠處的測點DB23-3、DB24-4及DB24-5的沉降增加較大，且沉降最大值為21.88 mm。由監測數據還發現，基坑降水開挖完成后，各測點的沉降都發生了一定的回彈，距基坑較近處的地面回彈值較大，距基坑較遠處的地面回彈值較小。

3.2 基坑圍護結構的水平變形

基坑圍護結構的水平變形不僅取決于圍護結構的類型，還會受到圍護結構插入比及剛度等的影響。圍護結構產生較大變形不僅使自身結構存在安全隱患，而且會導致墻外側的土體產生不均勻沉降，損壞基坑周邊的建筑和道路。因此，在施工過程中必須嚴密監測圍護結構變形，保證安全施工。

如圖2所示，選取南部端頭井段的測斜斷面的監測數據進行分析。端頭井段斷面地下連續墻的水平位移s沿連續墻深度Hp變化曲線如圖9所示。

圖9 端頭井段地下連續墻水平位移沿深度變化曲線

由圖9可知：端頭井段基坑開挖制作第一道混凝土支撐完成時，s最大值為0.41 mm，出現在地下連續墻上半部分 ，地下連續墻底端s幾乎為0；隨著Hp的增加，s逐漸增大，s最大值出現在地下連續墻的中間位置，s隨Hp增大呈先增大后減小的趨勢，但地下連續墻底部也出現了一定的水平位移；第三道支撐完成時，s最大值為11.10 mm。由于端頭井段的基坑較深，從地下連續墻的變形曲線可以看出，其開挖面以下的墻體出現了整體的水平位移。

經過嚴格的降水控制和監測分析，旺莊路站基坑變形控制良好，地面最大沉降不超過22 mm，地下連續墻水平位移不超過12 mm，達到了預期的效果，保證了工程的安全施工，可以為類似工程案例提供借鑒。

4 結論

1) 隨著基坑降水開挖的進行，在同一測點中，深層孔隙水壓力降幅較大，淺層孔隙水降幅較小。

2) 在基坑內疏干井的水位現場實測中，觀測井水位變化時程曲線并不是呈線性降低的趨勢，斜率有變化，曲線有明顯拐點，其水位降低過程明顯呈現出多梯次分段下降的變化特征。

3) 距離基坑較近處的地面沉降稍大。隨著基坑降水開挖的進行，各測點沉降值出現不同程度的增大，此時距離基坑較遠處的地面沉降增大較多。基坑降水開挖完成后，各測點的地面沉降有所回彈，其中距離基坑較遠處的地面沉降回彈比較小，距離基坑較近處的地面回彈較大。

4) 隨著基坑開挖越來越深，地下連續墻的水平位移也逐漸增大，最大值出現在地下連續墻中部位置，地下連續墻水平位移沿深度呈先增大后減小的趨勢，但連續墻底部也出現了水平位移。