考慮不同地下水位基坑開挖對地面沉降影響的研究

張 盼

(安徽三洲水利建設有限公司，安徽 宿州 234000)

1 引言

基坑工程因其能夠有效利用地下空間而備受工程界關注，對此學者們進行了大量的研究，劉暢等[1]結合天津市某基坑工程進行斜直交替支護樁現場監測，首次對支護斜樁的樁身受力進行測試和分析，研究結果表明:斜樁對直樁存在斜撐效應。張旭群等[2]針對廣州地鐵3 號線某地鐵站基坑工程，采用有限元模擬分析方法，對鄰近隧道的受力影響進行了分析，分析結果表明:若不同區段采用不同的支護形式，可保證地鐵周圍隧道的安全。孫鵬昌等[3]依托廈門某基坑工程，研究了深基坑開挖爆破對樁錨支護結構的影響，研究結果表明:爆破速度可影響樁錨支護結構。陳秋爽等[4]將BIM技術應用于基坑的施工模擬、工程量統計、綠色建設方面，以實現基坑施工全過程管理的可視化、標準化和信息化。尚桌等[5]采用基底封底配合降水減壓以保證基坑安全開挖，并通過監測數據說明了不同封底形式和降水對基坑的變形影響。張輝等[6]基于極限分析上限定理，推導了3 種破壞模式下基坑抗傾覆力矩的計算表達式。

然而以上的研究均沒有涉及地下水位不同時，基坑的開挖、排水和支護措施對地面沉降的影響，針對以上問題，本文選擇了地層巖性相同，但是地下水位線不同的兩個基坑，通過對地面的沉降監測，對基坑的開挖、排水和支護措施進行評價，以上的研究方法可為類似的含地下水的基坑處置提供參考。

2 工程概況

選擇兩個含地下水的基坑作為研究對象，此基坑周圍巖土體性質相同，巖土體從上而下依次為風化土、風化巖和軟巖，結合室內實驗可知，巖土體物理力學參數也相同，見表1。

表1 巖土體物理力學參數

為使基坑具有可對比性，選擇的基坑施工區域體積相同為6000 m3，長×寬×高為50 m×10 m×12 m(圖1)，開挖基坑的體積為500 m3，長×寬×高為10 m×10 m×5 m，由以上數據可知，施工區域的長度是基坑長度的5 倍，高度是基坑高度的2.4 倍，結合以往施工的經驗，以上的倍數關系是能夠保證基坑的開挖不對周圍環境造成不良影響。

圖1 基坑開挖平面圖(單位:m)

結合數值模擬研究可知(圖2)，嚴格按照開挖、支護和排水次序，還原基坑開挖的整個過程，模擬結果表明，若增加基坑施工區域，基坑周圍巖土體的受力和位移變化不超過0.2%，由此結果可知，針對基坑的體積方量，施工區域的邊界是合理的。

圖2 數值模擬立體圖(單位:m)

確定了基坑的開挖區域和施工區域，選擇的基坑地下水位分別是距離地面2.5 m 和4 m 處，本文的研究重點是相同的地層、施工工序、支護和排水方法，不同地下水位線處的基坑施工，對地面沉降的影響。由于施工區域是基于基坑對稱分布的，因此僅須研究地面AB 范圍內的沉降即可(圖1)。

針對地下水位位于2.5 m 處的基坑，該含地下水位的兩個基坑均采用半逆法施工，第一次開挖深度為1m，開挖后應當及時對坑底進行支護，待支護完成，且基坑周圍巖土體位移穩定后，利用觀察儀器對AB 進行沉降監測。第二次開挖深度為1.5 m，地下水位于第二次開挖結束時，此時發現地下水涌出，隨即采用井點降水法，在規定的時間內將地下水排盡，排盡后隨及進行第二次支護，待支護結束后利用觀察儀器對基坑巖土體AB 進行沉降監測。依次類推，開展第三次和第四次開挖、支護、排水和監測。

地下水位位于4 m 處基坑的開挖和支護次序可按照地下水位2.5 m 處的基坑進行，以此進行沉降對比研究，以評價地下水位不同處，基坑的施工對地面沉降的影響。

3 測量方法

結合測量規則，沿AB方向間隔5 m選擇一個沉降觀測點，共計6 個觀測點。

首先應該設置沉降觀測基點，基點的設置應當定在壓縮性較低的土層上(圖3)，以此保證沉降觀測的有效性。且基點的設置須不受其他施工措施的影響，這樣方能反映基坑開挖對地面建筑物的影響。

圖3 基點的設置

按照試驗的設點進行沉降點的觀測，不涉及排水的區域，開挖后隨及進行支護，待支護完成后，地面沉降穩定后進行沉降的觀測，并記錄沉降數據(圖4)。涉及排水的區域時，開挖后須先進行排水處理，待排水完成并符合排水要求后，再進行支護，最后待地面沉降穩定后進行沉降的觀測，并記錄沉降數據。

圖4 沉降的觀測

最后記錄觀測數據，在基坑開挖完成后，進行沉降觀測時，必須記錄每次觀測的施工進度、開挖方量、建筑物的傾斜裂縫等各種影響沉降變化和異常的情況。由于本文是為了研究不同地下水位對基坑開挖的影響，所以基坑施工區域是不存在其他建筑物的，暫不必記錄建筑物的傾斜變化。

值得注意的是沉降的觀測精度等級采用Ⅱ級水準測量，視線高度不宜低于0.5 m，應當采用閉合法消除誤差。

沉降觀測的穩定標準為測量的數據中記錄三次觀測沉降值，每次沉降量均不大于2 2 倍測量中誤差，若達到此標準，則認為沉降已進入穩定階段。若沉降值變化值較大，須待地面沉降穩定后進行觀測。

4 沉降結果

嚴格按照以上操作步驟，基坑共計4 次開挖，對地面沉降的觀測也記錄了4 次，現按照次序依次將結果記錄見圖5～圖8。

圖5 第一次開挖不同地下水位處AB 沉降

圖8 第四次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖5 可知，地下水位線2.5 m 處AB 的沉降均較地下水位線4.0 m 處的大，差值約5%(兩者差值除以數值較大沉降的絕對值)，說明地下水位較淺時，開挖后地面的沉降較大，但因為差值不明顯，說明開挖對沉降的影響在可控的范圍內。

由圖6 可知，地下水位線2.5 m 處時的AB 的沉降均較地下水位線4.0 m處的大，差值約4%，此差值率較第一次開挖小，說明地下水位較淺時，開挖后地面的沉降較大，但差值進一步縮小，說明第二次開挖后地面沉降差值會進一步縮小，證明支護措施是合理有效的。

圖6 第二次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖7 可知，地面以下2.5 m 處基坑經過排水處理后，第三次開挖兩者的差值率較前兩次小，說明排水效果明顯，達到了有效控制沉降的目的。

圖7 第三次開挖不同地下水位處AB 沉降

由圖8 可知，基坑地下水位線4.0 m 處的沉降較地下水位線2.5 m 處略大，但兩者相差不大，說明排水效果明顯，達到了控制地面沉降的目的。

綜上所述:不同地下水位處基坑的排水、支護措施是達到了理想的效果;另一方面可知只要排水和支護措施滿足施工要求，均可控制地面沉降，達到工程要求的目的。

5 總結

本文對不同地下水位處的基坑進行4 次開挖、排水和支護處理，并對地面沉降進行觀察，可以得出如下結論:

(1)開挖后四次沉降結果比較接近，說明基坑的開挖、排水和支護措施是達到工程要求的，且可認為現階段基坑的開挖、排水和支護措施已比較成熟;

(2)地下水位較淺時，地面沉降較地下水位較深處基坑略大，說明地下水位不同確實對地面沉降有一定的影響，但是此影響不明顯;

(3)本次的監測結果適用于地下水位不超過4m 處基坑的處置，若超過此深度，此方面的研究有待進一步深入。