基坑施工降水引起基坑外土体沉降的研究

陈 浩（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046000）

地下空间开发是解决城市土地紧缺、交通拥堵和环境污染问题的有效手段，而基坑工程是地下空间开发的重要先导条件，在建筑物地下空间建设中发挥了至关重要的作用[1]。随着地下空间开发的日益复杂，且向地表深处开拓，基坑工程的开挖也呈现出“深、大、难、紧、水”等特点，基坑工程作为集成地质、岩土、结构和测试为一体的系统工程，保障基坑开挖过程中挡土结构的安全稳定、周边土体的变形沉降控制良好、对周边环境的影响程度最低是最为重要的研究内容[2-3]。其中，为了保证基坑内开挖时提供一个无水的作业环境，需对地下水进行抽排，随之而来的是由于降水导致的地表沉降问题，特别是在紧邻建筑或地下管线条件下，地表沉降的控制往往是影响基坑施工进度和施工成本的重要因素[4]。

1 工程概况

山西省长治市某高层建筑基坑工程大致呈长方形，东西向长度为140m，南北向平均宽度为85m，基坑周边长度为450m。基坑支护分为2 个支护单元，一个为混凝土内支撑单元，基坑开挖深度为17.3m；另一个为桩锚支护单元，基坑开挖深度为13.5m，整个基坑平面面积为10540m2，开挖土方量约15 万m3。基坑周边环境复杂，北侧、南侧和西侧为现有城市主干道，交通繁忙，东侧为既有幕墙式商业高层办公楼，距离基坑边线为5m，基坑侧壁安全等级为一级，基坑结构重要性系数为1.1。基坑开挖前，场地已经过平整，地基土以粉质黏土、细砂和中砂为主，基坑开挖及其影响范围内的各地基土工程地质条件如表1 所示。从表1 中可以看出，场区中存在2 层深厚的透水砂层，分别为③细砂和⑤中砂层，在基坑开挖过程中，砂层的抽降水是引起地表土体沉降的主要因素，而基坑周边存在近距离的高层建筑以及城市主干道，为此在基坑施作的过程中采取了降水-沉降专项研究方案，分析基坑降水施工对地表土体的影响。

表1 基坑开挖及其影响范围内的各地基土工程地质条件

2 施工降水过程分析

场区地下水为第四系松散层孔隙水，主要赋存于粉土及砂土层中，受大气降水控制，年度变化规律为6～9 月份水位较高，其他月份相对较低，年变化幅度一般在2m～3m 左右。基坑影响深度范围内测得2 层地下水，地下水类型为层间潜水。第1 层静止水位埋深为13.56m～14.13m，静止水位标高为22.26m～22.94m，含水层为③层细砂；第2 层静止水位埋深为21.30m～23.70m，静止水位标高为12.64m～15.20m；含水层为⑤层中砂。如图1所示，西侧支护单元的基坑开挖深度为17.3m，东侧支护单元的基坑开挖深度为13.5m，2 个支护单元的降水深度均应在开挖面以下0.5m，基坑内布置降水井共28口，在东西向上降水井间隔为18m，南北向降水井间隔为17m，降水井的深度为30m，对③细砂和④中砂进行抽排水，降水井的直径为350mm，井内伸入直径168mm、厚度6mm 的无缝钢管。降水过程中对周边土体进行沉降观测，沉降观测点的布置如图1 所示，图中监测点仅示了距离基坑边线1m处地表沉降监测传感器，除CJ05监测点外，实际上在每个监测点位置均沿着垂直基坑边线法线方向布置了8 个沉降监测传感器，沉降监测传感器的布置距离分别为1m、2m、3m、4m、5m、8m、12m、15m。

图1 基坑降水井平面布置以及周边沉降监测点布置

为了研究基坑施工过程中，基坑外土体沉降演变规律，对基坑进行试抽降水，抽降水分为3 个水位降深阶段，每个降水深度稳定时间均为16h，图2为2个基坑支护单元的降水曲线。从图2（a）中可以看出，西侧支护单元第一次降水深度为水位降深17.8m，抽水流量4.16L/s，稳定时间16h，持续时间20h；第二次水位降深11.87m，抽水流量2.78L/s，稳定时间16h，持续时间20h；第三次位降深5.55m，抽水流量1.38L/s，稳定时间16h，持续时间20h。从图2（b）中可以看出，东侧支护单元第一次降水深度为水位降深14.05m，抽水流量8L/s，稳定时间16h，持续时间20h；第二次水位降深9.36m，抽水流量5.3L/s，稳定时间16h，持续时间20h；第三次位降深4.68m，抽水流量2.67L/s，稳定时间16h，持续时间20h。

图2 2个基坑支护单元的降水曲线

根据抽水试验裘布依公式，可以计算得到东西2个支护单元土层的渗透系数，裘布依公式计算方法如公式（1）所示，渗透系数计算结果如表2所示[5-7]。

表2 基坑降水分析结果

式中K为含水层渗透系数，m/d；Q为抽水井流量，m3/d；Sw为抽水井中水位降深，m；M为承压含水层厚度，m；R为影响半径m；rw为抽水井半径，m。

3 基坑外土体沉降分析

3.1 基坑外土体沉降理论计算基本原理

在基坑工程中，理论计算基坑降水引起基坑外土体沉降的方法为分层总和法，即在降水漏斗曲线f（x）以上计算土压力取土体天然重度，f（x）以下计算土压力取土体饱和重度，降水漏斗曲线f（x）随着降水的增加而不断增加，由此引起的地层沉降可按公式（2）计算[8]。

式中n为总土层数量；Esi为第i层土的压缩模量，MPa；hi为第i层土的厚度，m；f(x)以下为降水漏斗曲线；γw为水的重度，kg/m3。

公式（2）中的降水漏斗曲线与降水影响半径和土体的渗透系数相关，其计算方法如公式（3）所示[8]。

式中Hw为基坑外原地面到降水井井水面高度，m；hw为降水井种水距离基坑底部高度，m；h为降水前地下水位到地表的垂直距离，m。

3.2 基坑外土体沉降理论计算与现场实测对比分析

图3 和表3 为基坑施工降水引起基坑外土体不同距离处地表沉降理论值与实测值对比。从图中可以看出，基坑外土体沉降的理论值与实测值变化规律大致相同，均在基坑边线附近较小，而随着距离的增加，土体的沉降呈非线性减小并趋于收敛，理论计算的地表沉降曲线与降水漏斗曲线形状大致相同；与地表沉降理论值相比，不同观测点得到的地表沉降值呈现不同程度的偏差，理论计算在距离基坑边线5m范围内对地表沉降的预测较为可靠，而在9m 之后，对地表沉降的预测值偏小，实际地表沉降值明显比理论值大。由此表明，在实际基坑工程施工降水时，不仅要加强基坑内边线附近的地表沉降观测，也要适当扩大监测范围，对1 倍基坑开挖深度范围内的地表沉降或建筑物沉降进行观测。

图3 地表沉降理论值与实际值对比

表3 基坑外不同距离处地表沉降现场实测结果

4 结语

以山西省长治市某深大基坑工程为研究对象，运用现场降水试验方法观测了降水规律和计算了土体水文参数，并借助理论计算方法和现场地表沉降实测方法，研究了距离基坑不同距离处地表沉降的变化规律，得到以下几个规律：

（1）对东西支护单元进行3 次抽水试验，计算得到了西侧支护单元的土体渗透系数范围为1.276m/d～1.462m/d，东侧支护单元的土体渗透系数范围为1.459m/d～1.833m/d，并基于降水漏斗曲线提出地表沉降分层总和计算方法。

（2）基坑外土体沉降的理论值与实测值变化规律大致相同，均在基坑边线附近较小，而随着距离的增加，土体的沉降呈非线性减小并趋于收敛，理论计算的地表沉降曲线与降水漏斗曲线形状大致相同。

（3）与地表沉降理论值相比，理论计算在距离基坑边线5m 范围内对地表沉降的预测较为可靠，而在9m之后，对地表沉降的预测值偏小，实际地表沉降值明显比理论值大。