深基坑开挖期间地下水位与周边地表沉降的关联性分析

1 工程概况

广东省某大型长距离引调水工程，输水线路总长度约113km，横跨多个区县，全线划分为若干个工作井。其中某工作井为盾构双线共用的圆形井，外径35.9m，内径30.5m。基坑开挖采用地下连续墙垂直支护，围护结构采用地连墙加内衬墙形式（1.2m+1.5m），基坑深度61.55m，井底板高程-58.35m，工作井位于永丰工业南路南侧36m，原为荒地，地势平坦，现场地平整至地面高程3.2m。采用顺挖逆做施工工艺，工作井地连墙围护结构共计24幅。

根据钻孔揭露，井身中上部为第四系人工填土层和冲积层，厚度28.2m～33.5m，主要有①人工填土层、②-2质黏土层、②-3淤质细砂层、②-4淤质黏土层、②-5泥质细砂层、③-2有机质黏土及③-3泥质细砂层，其中含水层为②-3质细砂层、②-5泥质细砂层及③-3泥质细砂层。工作井地层参数特性见表1。

表1 工作井地层参数特性表

2 安全监测布置

2.1 地表沉降标点布设

对于深基坑周边地表的沉降标点布设，一般在洞径三倍范围布设两个断面，周边有建筑物则在建筑物基础或建筑物上布设沉降标点，另在相对稳定的基础（基岩）上布置沉降观测起测基点，采用二等水准进行监测。为保证沉降监测数据的可靠性，针对不同地质条件，观测点采用不同的埋设方法，如：基坑周边均为原状土，比较密实，层厚超过3m以上，则直接在表面挖坑或混凝土覆盖层钻孔埋设；如遇回填浮土或淤泥的，则需要钻孔约1.5m深将标点加长连接杆深埋，外露标点头需要与地面混凝土覆盖层分开，使沉降标点更准确测出真实的沉降数据。

工作井共埋设3个垂直位移基点，基点布设在建筑物以外不受施工影响、通视良好、地基稳定可靠坚实的稳定区域，共计布设监测起测基点3个，基础挖坑至稳定的坚实原状土上，基础尺寸约为1m×1m，验收后制作C30标号钢筋混凝土观测墩，安装标点头，制作预制钢筋混凝土保护盖板。

在工作井连续墙顶部均匀布设了4个垂直位移测点，与连续墙水平位移测点同墩浇筑，另在基坑四周对称连续墙中点与基坑圆心连线靠基坑2m外每11m布设一个测点，每个方向6个共计12个测点。位于土体表面的水准标点钻孔直径200mm，深度为60cm，回填混凝土平地面时安装水准标点头；布设在混凝土挡墙顶部平面的水准标点，直接竖直安装于混凝土中，标点头低于表面3cm，保护盒钢盖与混凝土面齐平，监测地表沉降变化情况。如图1所示。

图1 垂直位移测点埋设示意图

2.2 水位孔布设

基坑周边布设水位孔已考虑施工机械、车辆对其孔口装置的破坏，导致数据中断，一般在水位孔内埋设一支渗压计，进行自动化监测，掌握基坑开挖前的地下原始水位范围。为确保监测数据的准确性，必须避免不正确的安装方法、地表水直接进入孔内、灌浆串浆将水位孔填满等因素。根据钻孔取芯了解地质情况，确定隔离层距孔口深度，花管段用洗净砂回填，处于透水层，渗压计置于孔内后，对水位孔进行灵敏度测试，同时校核渗压计埋设基准值，人工观测水位与渗压计观测水位是否同步，如果孔位处于主要交通道路或施工作业面时，对孔口进行密封，渗压计进入自动化采集系统。

水位孔具体安装步骤如下：①测量放样，在设计部位钻孔，钻机采用地质钻机，钻进角度为垂直，要求取芯并作地质情况描述。②终孔后安装测压管，测压管管材采用Φ50PVC管，孔底封堵，孔底2m为透水花管段，透水段采用Φ5～6mm钻花在管壁钻孔，环向6～8个孔均布圆周，纵距约50mm，呈梅花形分布，花管段用尼龙网、土工布包裹，用细铁丝绑扎。③将加工好的测压管逐节加长下放至孔底，管口略高于地面，做好管口保护。④管壁与孔壁之间隙用细小不同粒径的膨胀土泥球充填，隔离地表水。⑤做好施工记录，按考证表要求填写内容包括仪器测点设计编号、高程、安装日期、部位桩号、天气情况，施工过程中的相关事件等。⑥在孔口保护管顶部用红色油漆标注设计编号。本工程在工作井南北两侧距地连墙10m处各安装了1根测压管，钻孔深度均在36m左右，监测地下水位变化情况。

3 监测项目的观测

3.1 垂直位移基点

本工作井垂直位移基点共布设3个，由附近的施工控制网水准基点按《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）中一等水准要求引测。首期连续独立观测两次，并取其平均值作为首期观测成果。

3.2 垂直位移监测

垂直位移监测采用水准法，形成闭合水准路线，按《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）中二等水准要求观测。仪器为徕卡LS15，每公里高差测量中误差：≤±0.3mm/km，距离测程：1.6m～100m，测量精度控制测站高差中误差≤0.3mm，位移量中误差限制为±2.0mm。

首期观测进行往返测，并取两次观测平均值作为首期观测成果，其他各期观测可采用单程观测。观测顺序：奇数站：后、前、前、后，偶数站：前、后、后、前。

3.2.1 数据传输及平差计算 观测记录采用电子水准仪自带记录程序进行，观测完成后形成原始电子观测文件，通过数据传输处理软件传输至计算机，检查合格后使用专用水准网平差软件进行严密平差，得出各点高程值。

平差计算要求如下：①应使用稳定的基准点为起算，并检核独立闭合差及与2个以上的基准点相互附合差满足精度要求条件，确保起算数据的准确；②平差前应检核观测数据，观测数据准确可靠，检核合格后按严密平差的方法进行计算；③平差后数据取位应精确到0.1mm。

通过变形观测点各期高程值计算各期阶段沉降量、阶段变形速率、累计沉降量等数据。

3.2.2 变形数据分析 观测点稳定性分析原则如下：①观测点的稳定性分析基于稳定的基准点而进行的平差计算成果；②相邻两期观测点的变动分析通过比较相邻两期的最大变形量与最大测量误差（取两倍中误差）来进行，当变形量小于最大误差时，可认为该观测点在这两个周期内没有变动或变动不显著；③对多期变形观测成果，当相邻周期变形量小，但多期呈现出明显的变化趋势时，应视为有变动。

3.3 地下水位监测

本次基坑水位监测，采用水位孔监测围墙周围的地下水位变化，水位孔观测采用电测水位计，型号：BGK-101，量程：50m，最小读数：1mm。水位计探头自孔口向下缓慢下放，当其触及水面时发出报警声，连续测取三次读数差小于1cm以内方可记录，取三次平均值作为当次观测值。

4 监测数据成果分析

4.1 观测频次

监测资料整编分析和安全性评价是本项目监测工作中重要的组成部分，是满足诊断、预测、法律和研究四方面需求，也是进行安全监控的一个关键性环节。

对施工期基坑各监测项目需在基坑支护施工前测得稳定的初始值，且不应少于三次。各项监测工作的时间间隔将根据施工进程确定，在开挖卸载急剧阶段，间隔时间不超过2天，其余情况下可相应延长。当结构变形超过有关标准或场地条件变化较大时，将加密观测。各项监测工作的时间间隔满足相关《建筑基坑工程监测技术标准》（GB50497-2019），施工期基坑观测频次如表2。

表2 施工期基坑监测频次

4.2 监测数据成果分析

工作井内衬墙于2020年3月18日进行首层开挖，2020年7月10日，工作井开挖至第七层（约28m）位置时，在井内东侧距地连墙围护结构约2m位置出现渗水现象，出水量约10m/h；北侧水位孔（UP4-1）地下水位下降0.60m，南侧水位孔（UP2-1）地下水位基本未变；垂直位移监测数据呈缓慢沉降。

2020年8月21日开挖至第十层时（约42m），因地层进入较完整岩面，能观察到规则圆形探孔，初步判定为初勘地质勘探孔，此时出水量约20m/h，同时第一时间对此处渗漏位置进行注浆封堵处理，当时已基本封堵住，只有少量明水渗出。北侧水位孔（UP4-1）地下水位下降3.01m，南侧水位孔（UP2-1）地下水位下降0.30m；垂直位移监测数据仍呈缓慢沉降。

2020年9月5日，在进行十一层土方开挖过程中，此处再次出现涌水，涌水量约30m/h，后经封堵无果后采取引排措施，同时对出水量及基坑周边沉降进行加密监测，水位和沉降仍未见突变变化；直至2020年10月26日晚，进行基坑底板砼浇筑时，涌水量有明显增加，约100m/h，持续时间约4个小时，后又恢复40m/h的出水量；南北两侧水位孔均下降11.7m左右，工作井基坑周边测点连续3天沉降在2mm以上，对监测数据异常进行了及时预警。基坑底板涌水存在两种途径。第一种为含水层地下水通过地连墙与岩体间通道发生渗漏，绕过地连墙底部，在基坑坑底发生渗漏；另一种途径可能为沿断层破碎带发生渗漏，至坑底涌水。

图2地连墙沉降与水位关联过程线，在水位变化相同的情况下，地连墙下沉量远小于基坑周边沉降量，因地连墙采用钢筋混凝封堵土浇筑深度超过60m，只有地连墙底部产生下沉才会影响顶部垂直测点变化。

图2 工作井地连墙沉降与水位关联过程线

图3和图4基坑周边沉降与水位关联过程线，在水位变化相同的情况下，南侧基坑周边沉降量大于北侧基坑周边下沉量，因施工现场场地受限，垂直位移测点LD2-6埋设在车辆运输道路和施工重件设备堆载区附近，该测点比其他测点下沉量多了约20mm。

图3 基坑南侧沉降与水位关联过程线

图4 基坑北侧沉降与水位关联过程线

综上，从图2～图3可以看出，水位初期下降后，地表沉降存在一定滞后性，地表沉降呈缓慢下沉趋势，变化量较小；10月下旬沉降与水位基本保持一致性，水位下降，地表下沉；11月中旬施工单位对渗水点采取临时封堵措施，沉降与水位变化趋势趋于稳定；11月下旬确定最终封堵灌浆处理方案，在底板安装压力表监测基坑底板浮托力，同时在基坑周边合适部位开回灌孔，采取边封堵灌浆边进行回灌，地下水位在12月中旬回升至初始水位以上，基坑周边垂直位移测点均抬升10mm左右，因垂直位移测点沉降存在不可逆变形，回升至某个临界点后变化趋势表现为平缓。

5 结论

若工作井地质情况为地下富水软土层，且土层覆盖较深，深基坑开挖施工过程中地下水位的下降及周边沉降情况不可避免，需在确保工程安全的前提下提高施工效率，故基坑开挖过程中出现地下水位需结合完整的监测数据进行系统分析：①若仅地下水位下降，累计下降值在3m以内（需根据各施工部位的地质条件进行确定），基坑围护结构和周边建筑物监测数据未产生异常突变，可按设计及规范要求进行加密数据采集，在监测数据无进一步异常变化情况下，谨慎进行相关土建工作；②若地下水位下降与地表周边沉降产生联动变化，则需重点关注。届时应要求施工单位及时采取应急工程措施，确认水位下降及周边的沉降不再进一步发展后，方可进行下一步工作，确保工程及周边的安全。