武汉某地铁基坑降水引发的地面沉降数值模拟分析

熊志涛，叶腾升，文美霞，王 伟

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

在地铁工程(特别是车站基坑)施工过程中，由于地下水位标高通常大于基坑底面设计标高，为了施工安全，需要进行基坑降水。而基坑防水施工过程，需长时间保持低水位，往往使地铁车站及周边一定范围内形成一个“降落漏斗区”，导致土体中含水量降低，特别是承压含水层水位的大幅降低，造成地面沉降、塌陷和开裂等灾害，同时可能造成周边地下水流失，加剧城市地下水资源的局部短缺［1］。

本文选取武汉某正在施工建设的地铁基坑工程为研究对象，首先建立施工区含水层三维水流数学模型，采用有限差分法，分析不同施工方式下地铁基坑降水对地面沉降的影响，进而提出合理的防治措施。

1 研究区概况

施工区位于长江西岸、汉江北岸，属河流冲积平原地貌，地形平坦。该区覆盖层地层岩性为第四系全新统冲积层粘土、粉细砂、砂砾石层。地下水为第四系孔隙承压水，主要赋存于粉细砂及砂砾石层，土体透水性强，地下水丰富，是区内主要含水层。

根据施工区地层分布规律、岩土体物理力学性质、地下水开采现状等，结合地下水动态特征、补径排条件分析，地下水流问题可以概化为非均质三维地下水渗流模型。

2 基坑降水引发地面沉降分析

抽取地下水引起的土层压缩变形反映在土层孔隙的变化，因而根据土力学原理，由土层孔隙的变化，可以求得土层的压缩变形量［2-4］。

式中:av为压缩系数;γw为水体重力密度;H为水头;S0为土体初始高度为;e0为孔隙比。

可见，当水位降深相等时，即dH不变，土层的压缩变形量与原始厚度、初始孔隙比和土层压缩系数有关。依定义土体的侧限压缩模量，所以土层的压缩变形量，与水位降深、压缩模量和土层的初始厚度有关［5］。

若共有N层土层，则总的沉降量为:

基坑主要采用明挖法围护施工，侧向隔水帷幕采用地下连续墙，坑底采用封底隔水帷幕。该施工工程具有基坑开挖规模大、地层结构复杂、周边建筑物密集且重要、施工难度大等特点。基坑降水引发的地面沉降，主要原因可归结于人工抽水引起周边土体的孔隙度降低。关于基坑降水引发的地面沉降量计算，首先采用GMS数值模拟方法，模拟计算出某一时刻的基坑降水水位降深，分析基坑区地层岩性及工程地质条件，对于不同土层分别赋予压缩模量Esi及初始厚度S0i值。最后，分别计算每层土体沉降量，叠加结果即为土层总沉降量［6］。求解过程如下:

(1)建立研究区地下水数值模型，模拟预测基坑降水条件下地下水水位降深值。

(2)分析基坑施工区背景地质条件，对岩土层进行概化。

(3)对不同岩土层分别给定相应的压缩模量Esi及初始厚度S0i。

(4)分别计算每层土层沉降量，最后计算出综合沉降量。

该区地层可概括为3层，参数选取如下:

第一层(粘性土层):Es1=12．55 MPa，S01=10 ～15 m。

第二层(粉细砂层):Es2=32．51 MPa，S02=10．5 ～15．5 m。

第三层(砂砾石层):Es3=50．21 MPa，S03=9．5 ～12．7 m。

根据设计资料，本次施工开挖基坑长约300 m，宽约47 m，深约28．32m。基坑四周布置辐射井，基坑水位最大降深为25．5m。根据国内外地铁施工工期先例［7］，地铁施工工期一般在三年，分析在不同基坑施工方式下，基坑周边三年后地面沉降量，将计算沉降量与监测沉降量相对比，为工程施工提供一定的借鉴。

图1 基坑外降水施工区地层概化图Fig．1 Formation generaliztion of precipitation of foundation pit exterior in construction area

2．1 基坑外辐射井降水

根据工程基坑降水要求，地下水位降深为25．5 m(图2)，GMS数值模拟显示，如果采取基坑外辐射井降水的方式，假设在基坑周边布设四个井孔，获取的地下水流场分布见图2。根据图2分析可知，辐射井单井涌水量达到3 200 m3/d，中心水位降深可达25．5 m，影响范围约为2 500 m。根据地面沉降量计算公式及流场分布状况，在与长江垂直方向上，向基坑两侧选取地面与基坑等距点，结合地层分布情况，计算得到地面沉降量(表1)。从地面沉降数据结果可知，如单纯采取基坑外辐射井降水方式处理，在基坑施工过程中，将引发基坑周边大范围地下水疏干，从而诱发大规模地面沉降，对周边建筑和道路造成严重影响，应在实际施工中予以避免［8］。

图2 基坑外单井涌水量3 200 m3/d时地下水流场图Fig．2 Flow field diagram of water infolw of 3 200 m3/d

表1 基坑外降水引起不同方向地面沉降量计算表Table 1 Calculation table of amount of land subsidence in different directions

2．2 基坑内辐射井降水

地铁基坑施工过程中，一般采取地下连续墙、隔渗帷幕边施工边降水的方式，减小因工程降水对周边地质环境的影响［9］。在此情况下基坑内布设四个井孔，上层施工过程中，粘土层为相对隔水层;向下施工过程中，应进行基坑降水，防止坑底涌水涌砂。本次基坑内降水主要对单井涌水量500 m3/d、1 000 m3/d两种情况进行模拟预测，分析不同涌水量下对周边地面沉降的影响。

当单井涌水量为500 m3/d时，降水影响范围可达1 800 m，中心水位降深为3．31 m(图3)，根据地面沉降量计算公式及地下水流场分布状况(图4)，计算得到的地面沉降量见表2。

图3 基坑内降水(500 m3/d)施工区地层概化图Fig．3 Formation generalization of precipitation of foundation pit in construction area(500 m3/d)

图4 基坑内单井涌水量500 m3/d时地下水流场图Fig．4 Flow field diagram of water inflow of 500 m3/d in foundation pit

当单井涌水量为1 000 m3/d时，降水影响范围可达2 000 m，中心水位降深为6．1 m(图5)，地下水流场分布情况见图6，表3给出了相应的地面沉降量。

由表2和表3分析可知，当采用边开挖边降水方式，在做好基坑防水的情况下，减小辐射井的单井涌水量，同时做好基坑封底施工，可有效减小周边地面沉降量，满足基坑施工要求。

表2 基坑内降水(500 m3/d)引起不同方向地面沉降量计算表Table 2 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit

图5 基坑内降水(1 000 m3/d)施工区地层概化图Fig．5 Formation generalization of precipitation of foundation pit in coustruction area(1 000 m3/d)

图6 基坑内单井涌水量1 000 m3/d时地下水流场图Fig．6 Flow field diagram of water inflow of 1 000 m3/d in foundation pit

表3 基坑内降水(1 000 m3/d)引起不同方向地面沉降量计算表Table 3 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit(1 000 m3/d)

2．3 现场监测地面沉降量

本例中基坑施工具有工序复杂、施工难度大、工期长的特点，因此加强周边建筑物的沉降值监测，对于及时反馈周边建筑物变形信息，调整工程施工方式等具有至关重要的作用。本次监测主要在基坑周边降水影响范围内重要建筑物处布设监测点，监测时段仅限于基坑施工期间，目前正在监测过程中，主要监测点为5处，具体监测数据见表4。

表4 基坑周边监测点地面沉降量监测数值Table 4 Monitoring value of amount of land subsidence of monitoring points around foundation pit

通过模拟计算值与监测点监测值相对比可知，目前实际沉降值与预测值有一定的差距，主要由于地铁基坑施工工期较长，当前时间沉降量正处于沉降曲线的缓慢发展阶段，沉降过程随着时间延续可能会进一步发展，因此需进一步加强施工期及工程运营后的地面沉降监测［10］。

在采用较为合理的施工方式，对基坑降水引发的地面沉降进行控制的情况下，从目前的监测结果看，地面沉降值控制在了合理的范围。如单纯采用基坑外降水，引起的基坑周边地面沉降量较大，对周边建筑物造成危害极大，一般深基坑施工不宜采用。在基坑内降水过程中，除了做好基坑防水外，应采取边开挖边降水的方式，在侧向隔水帷幕采用地下连续墙，坑底采用封底隔水帷幕等施工方式情况下，可有效减少基坑降水引起的地面沉降问题。

3 结语

通过地面沉降预测值与监测值的对比分析表明，基坑开挖引起的地面沉降模拟计算值均大于监测值，究其原因，主要是目前基坑工程正在施工，当前时间沉降量正处于沉降曲线的缓慢发展阶段，且工程完工后地面沉降将持续较长时间，故监测值相对较小，后期应继续加强监测。不同方位监测数据与模拟结果表明，两者变形规律基本一致，可以反映和预测基坑施工引发地面沉降的长期趋势。根据工程设计方案，工程施工引发周边地面沉降的警戒值为24 mm，控制值为30 mm，从目前施工方案分析，在工程施工做好各项防护措施的情况下，可以保证周边建筑物的稳定运行。

［1］ 黄家祥，张晓春．城市地铁工程的地下水问题分析［J］．岩土工程界，2007(1):109-111．

［2］ 黄文熙．土的工程性质［M］．北京:水利电力出版社，1983．

［3］ 华东水利学院土力学教研室．土工原理与设计［M］．北京:水利电力出版社，1982．

［4］ 高过瑞．近代土质学［M］．南京:东南大学出版社，1990．

［5］ 骆祖江，刘金宝，李朗，等．深基坑降水与地面沉降变形二维全耦合模型及其数值模拟［J］．水动力学研究与进展(A辑)，2006，21(4):479-485．

［6］ 骆相江，刘金宝，李朗．第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降二维全耦合数值模拟［J］．岩土工程学报，2008，30(2):193-198．

［7］ 付刚．北京地铁降水方法研究与应用［D］．长春:吉林大学建筑工程学院，2005．

［8］ 杨建．工程降水引发的地面沉降研究［D］．北京:中国地质大学(北京)，2005．

［9］ 成璐．成都地铁1、2号线工程主要水文地质问题分析［D］．成都:成都理工大学，2008．

［10］ 雷宏武．X城地面沉降特征与机理分析及数值模拟研究［D］．武汉:中国地质大学(武汉)，2010．