降水开挖引起地面沉降的控制措施分析

刘帅君，张扬清

上海交通大学土木工程系，上海200240

降水开挖引起地面沉降的控制措施分析

刘帅君，张扬清

上海交通大学土木工程系，上海200240

复杂城市环境条件下深大基坑工程降排水所引发的地面沉降问题日益突出，针对地面沉降的控制措施已引起普遍关注。本文采用考虑饱和土流固耦合的有限元方法建立深基坑工程的二维分析模型，模拟深基坑施工的降水开挖过程，研究深厚承压含水层中止水帷幕深度和坑外地下水回灌等措施对地面沉降的影响规律。结果表明，加深止水帷幕和加大回灌量均可以有效地减小基坑外的水位变化，控制降水开挖引发的坑外地面沉降。止水帷幕深度超过抽水井深度10 m时，止水帷幕的控制作用最优；回灌量至少达到抽水量1/5，回灌才会对地面沉降有较明显的影响。

降水开挖；地面沉降；控制措施

在大规模的地下空间开发过程中，深基坑施工中浅层地下水抽水所导致的土层压缩变形已成为地面沉降的主要影响因素，加剧了区域地面沉降的发展。工程经验和监测数据表明，深基坑开挖卸荷引起的临近土体沉降影响范围通常为2～4倍开挖深度［1］，但承压水减压降水引起的周边地面沉降影响范围可达10～15倍开挖深度以上［2］。大量研究结果也表明，承压水的降压抽水是基坑施工过程引起地面沉降的主要因素［3，4］，在深厚承压含水层采用悬挂式止水帷幕时尤为突出［5］。

为了降低基坑减压降水带来的不利影响，国内外学者已提出多种控制方法优化基坑降水方案从而控制地面沉降的方法［6，7］。采用间歇性降水方案也可以一定程度上减小地面沉降［8］。悬挂式止水帷幕也会影响基坑外水位降深，减小地面沉降［9］。地下水回灌也对地面沉降有比较显著的控制作用［10］，另外分仓降水也可以减小地面沉降［11］。工程实践中，合理设置止水帷幕和适度进行地下水回灌是较为常用的控制措施，但目前对相关措施的作用规律、实施效果及优化分析的研究较少。本文针对深厚承压含水层中的深基坑降水开挖问题，对不同止水帷幕深度和不同回灌量条件下的施工过程进行数值模拟，研究不同控制措施对地面沉降的影响规律，分析其作用机理和控制效果。

1　工程概况

大定海泵站基坑工程位于上海市杨浦区杨树浦路南侧、平定路西侧、黄浦江北岸，泵房距黄浦江规划黄浦江岸线约70 m，占地近4730 m2，泵站出入口接向平定路。

泵站主体结构平面形状接近矩形，总长56.4 m，总宽38.4～43.2 m，底板标高一般为-16.10 m，局部落段底板标高-17.7 m或-19.90 m。泵站及调蓄池合建构筑物采用厚1000 mm、深36 m或43 m地下连续墙作为基坑围护。

本工程场地内地势较为平坦，勘察期间勘探孔地面标高一般在+3.62~+4.90 m，为滨海平原地貌。本次勘察揭示场地内为正常沉积区，在55 m深度范围内主要由饱和粘性土和粉性土组成，按其成因可分为9层。

根据基坑开挖深度，深基坑开挖到达⑤1层中下部，而地下连续墙进入⑦2层上部，未隔断⑦层承压水，对降水不利。

2　数值分析模型

基于上海地区大定海泵房的基坑开挖工程实例，根据Biot固结理论及流固耦合理论，采用考虑饱和土流固耦合特征的有限元方法建立深基坑工程的二维分析模型，分别采用“生死”单元和节点渗流量控制[12]来模拟基坑开挖和降水过程。基于该模型，分别对不同止水帷幕深度条件和不同回灌量条件下的基坑降水开挖进行数值分析，探讨止水帷幕深度和回灌量对地面沉降的影响作用。

数值分析模型采用平面应变模型进行模拟，计算总体模型水平方向取340 m，计算宽度为基坑开挖深度的15倍；模型竖直方向取80 m，为开挖深度的4倍。据估算，承压水井点降水影响半径约为75.09 m，模型的尺寸也充分考虑到承压水降水对周围土体扰动的影响。

基坑降水开挖的示意图如图1所示，基坑开挖深度为20 m，宽度为80 m。基坑采用连续墙加钢支撑的围护体系，连续墙宽为1 m，共设7道支撑。D为承压含水层厚度，D2为止水连续墙插入承压含水层的深度，D3为抽水井插入承压含水层的深度，抽水井深度为38 m。

图1　基坑降水开挖的示意图Fig.1 Sketch of foundation excavation

实际施工中土体中布设了多级梯次的降水井，对降水的模拟采用流量控制的方法，即在降水深度处某个节点施加一个流量荷载。潜水层疏干降水，每一级降水抽水时间为3 d，降水后水位降至该级开挖面以下；承压水降水为减压降水，抽水时间为5 d，抽水流量为400 t/d。

土体采用带孔压的平行四边形单元（CPE4P）模拟，连续墙采用平行四边形单元（CPE4）模拟，支撑采用梁单元（Beam）模拟，土体与连续墙的接触设置接触面。模型底部采用固定约束，左右两侧则采用水平约束。

基坑内土体开挖以及架设支撑都采用单元生死法模拟，每开挖一步就杀死该步所移除的土体，并且激活需要架设的支撑。

土体的MCC模型可以合理地连续墙的变形和连续墙后土体的变形情况[13]，所以本文采用MCC模型。结合上海地区的典型土层分布，参考文献［14］的分析结果，土层计算参数选取如表1所示。

表1　土层计算参数Table 1 Parameters of soil layers

3　止水帷幕深度的影响分析

如图1所示，定义隔断比R为地连墙插入承压含水层的深度D2与承压含水层的总厚度的比值，地下水的止水条件用隔断比来表示。针对不同止水帷幕深度，分别取隔断比R为2/6、3/6、4/6、5/6和6/6（即完全隔断）五种情况进行研究。

3.1止水帷幕深度对地下水位的影响

基坑外的承压水层顶部的水位沿水平方向的分布如图2所示。由图可见，最低水位随着隔断比增大而逐步上升，即连续墙对渗流场的阻隔作用更好，基坑坑内减压降水对坑外水位的影响越小。这主要是因为加大止水帷幕深度能减小承压含水层中的过水断面，增大了坑内外地下水渗流的绕流路径，从而控制承压含水层的渗流，减小基坑外地下水对基坑内地下水的补给，进而减小基坑降水对坑外水头的影响。

3.2止水帷幕深度对地面沉降的影响

不同止水条件下坑外地面沉降的分布曲线如图3。当R=2/6时，隔断比最小，基坑外地面的最大沉降为28.978 mm；当R=6/6时，止水帷幕完全隔断承压含水层，基坑外的地面最大沉降为18.770 mm。

不同止水帷幕深度时的基坑外100 m处的地面沉降依次为12.679 mm、11.888 mm、11.577 mm、9.459 mm和7.853 mm，连续墙越深，沉降越小。连续墙完全隔断时基坑外100 m处的沉降量约为连续墙隔断比R=2/6时的60%，而且承压水层完全隔断时，地面沉降3 mm的位置对应在基坑外约170 m处，隔断比最小（R=2/6）时，地面沉降3 mm的位置对应在基坑外约215 m处。

图2　基坑外承压含水层水位沿水平方向分布Fig.2 Horizontal distribution curves of water level outside pit

图3　地面沉降分布曲线Fig.3 Distribution curves of ground settlement

最大沉降随止水帷幕深度变化图如图4所示，由图可见，止水帷幕越深，基坑外的水位变化越小，基坑外的地面沉降越小，而且地面沉降的影响范围也越小，加大止水帷幕深度可以有效地控制承压水降水引起的地面沉降。R小于4/6时，最大沉降随止水帷幕加深变化较明显，R大于4/6，最大沉降随止水帷幕加深变化幅度很小，所以止水帷幕深度为50 m，超过抽水井深度12 m时，止水帷幕的作用效果最优。

图4　最大沉降随止水帷幕深度变化Fig.4 Change of maximum settlement with depth of diaphragm wall

4　坑外地下水回灌的影响分析

在基坑外20 m处设置回灌井，回灌井深度和抽水井相同，取为38 m，对承压水进行人工回灌。定义回灌流量与承压水抽水流量之比为F，分别取F为0（相当于无回灌）、1/20、1/10、1/5和1/2五种情况进行研究。

4.1坑外回灌对地下水位的影响

四种不同地下水回灌条件和无回灌时的基坑外承压水水位沿水平方向的分布图如图5所示。从图中可以看出，随着回灌流量的增加，基坑外承压水的孔压在增大，基坑外的承压水水位降深在减小。当回灌量达到抽水量的1/5时，承压水水位比无回灌时上升了1.8 m，当回灌量达到1/2时，承压水水位比F=1/5的水位上升了2.6 m，回灌的流量越大，对承压水水位的影响幅度也越大。

图5　基坑外承压含水层水位沿水平方向分布Fig.5 Horizontal distribution curves of water level outside pit

4.2坑外回灌对地面沉降的影响

不同回灌条件下地面沉降的分布曲线如图6所示。当无地下水回灌时，基坑外地面的最大沉降为28.978 mm，此时的地面沉降最大；当回灌量达到抽水流量的1/2时，基坑外的地面最大沉降为22.863 mm。

不同的回灌条件下基坑外100m处的地面沉降如表2所示，回灌量越大，沉降越小，回灌抽水比为1/2时基坑外100 m处的沉降量约为无回灌时的75%，而且回灌量最大（F=1/2）时，地面沉降3 mm的位置对应在基坑外约185 m处，无回灌时，地面沉降3 mm的位置对应在基坑外约215 m处。

增加地下水回灌也会减小基坑外的水位变化，从而控制基坑外的地面沉降，回灌流量越大，地面沉降越小。当F小于1/5时，回灌对地面沉降的影响不明显，当F大于1/5时，尤其是回灌量达到抽水量的一半时，回灌可以显著地减小地面沉降量。

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

图6　地面沉降分布曲线Fig.6 Distribution curves of ground settlement

图7　最大沉降随回灌量变化图Fig.7 Change of maximum settlement with recharge amount

5　结论

本文采用考虑流固耦合的数值模拟方法，研究了止水帷幕和坑外回灌对地面沉降的影响进行研究，得到如下结论：

（1）止水帷幕对承压含水层的止水作用会影响承压水的渗流，止水帷幕隔断越深基坑外的水位变化越小，地面沉降越小，影响范围也越小。在深厚承压含水层中，当止水帷幕无法完全隔断坑内外水力联系时，应至少保证止水帷幕深度超过抽水井深度10 m以上。

（2）坑外回灌可控制回灌点以外的地下水头下降量，在基坑周边较小范围内形成局部的渗流场平衡，从而减小地面沉降，减弱地面沉降的影响范围；回灌流量越大，地面沉降会越小。回灌量达到1/5的抽水量时，回灌才会对地面沉降有明显的控制作用，回灌量达到抽水量1/2时，回灌对地面沉降的控制效果较好。

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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

国家自然基金项目（41372282）

刘帅君（1989-），男，硕士研究生，研究方向桩基工程与岩土工程数值分析.E-mail：lsjsjtu@sjtu.edu.cn