基坑降水引起圍護結(jié)構(gòu)和地下主體結(jié)構(gòu)變形分析

趙靜波

（中鐵十八局集團有限公司，天津300222）

近年來，在復雜的城市環(huán)境中進行深基坑開挖已經(jīng)成為城市發(fā)展的重要途徑.日趨狹小的工作空間和愈發(fā)嚴格的變形控制對降水安全提出了更高要求.因此，對降水引起的水位變化和結(jié)構(gòu)變形的研究具有重要意義.

為防止降水引起坑外較大沉降，工程中通常通過布置止水帷幕隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，并采用預降水評估其隔斷效果.未插入隔水層的懸掛式止水帷幕具有工期較短、造價較小等優(yōu)勢，逐漸在工程中得到應用，但懸掛式止水帷幕不能完全徹底阻隔基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，降水時容易引發(fā)坑外水位降低從而產(chǎn)生較大沉降[1-2].馮曉臘[3]利用數(shù)值模擬方法分析了在基坑降水過程中懸掛止水帷幕對地下水滲流特性的影響；肖明釗[4]對降水量的計算方法進行了優(yōu)化；周火垚等[5]結(jié)合實際工程和理論分析，提出了懸掛式止水帷幕與深井降水相結(jié)合的降水方式控制地下水位；鄭剛[6-8]等結(jié)合一系列降水試驗，提出了解決懸掛式止水帷幕引起坑外較大沉降的工程措施.上述研究對于懸掛式止水帷幕在工程中的應用具有重要的借鑒意義.實際工程中地質(zhì)水文條件較為復雜，承壓水往往不連續(xù)，落地式止水帷幕不能完全阻隔坑內(nèi)外水力聯(lián)系，懸掛止水帷幕憑借造價低、施工快等特點應用前景較好.但由于目前工程中仍多采用落地式止水帷幕阻斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，懸掛止水帷幕缺乏充足的理論支撐和實踐經(jīng)驗.

本文結(jié)合天津某分布于既有車站兩側(cè)的異形基坑，開展單井降水和群井降水試驗，對降水過程中基坑內(nèi)外水位變化進行監(jiān)測，判斷地連墻對承壓水的阻隔作用，監(jiān)測降水引起地連墻和既有車站主體結(jié)構(gòu)的變形情況.在此基礎之上，對基坑圍護結(jié)構(gòu)和既有車站變形控制策略進行探討，以期為類似工程提供參考.

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

天津某基坑工程分布于思源道車站主體結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)，基坑平面圖如圖1所示.基坑為不規(guī)則形狀，東側(cè)基坑最長處191.08 m，最寬處107.57 m；西側(cè)基坑最長處145.113 m，最寬處95.778 m.既有思源道地鐵車站已于4年前施工完成.本工程地下一層橫跨思源道站體上方，地下一層底板與思源道車站頂板同一標高，地下二層底板與思源道車站中板同一標高，在既有思源道站站廳層設置兩個連接通道，從而既有車站和本工程負二層能夠無高差接駁.

圖1 基坑平面

1.2 工程地質(zhì)水文條件

基坑場地地連墻深度范圍內(nèi)以滲透性較好的粉質(zhì)黏土為主，摻雜粉土和少量的粉砂，如表1所示.

表1 土體物理力學參數(shù)

場地潛水水位埋深0.40～2.10m（高程0.27～2.21m）.第一承壓含水層位于⑧2粉土層中，以上端的⑦黏土層和下部的⑧1粉質(zhì)黏土為主要隔水層頂板，層頂埋深約16.9～20.4 m.第二承壓含水層位于⑨2層粉土和⑩2層粉土層中，頂部隔水板為⑨1粉質(zhì)黏土層.層頂埋深約24.0～27.8 m，局部以透鏡體形式存在，如圖2所示.

1.3 基坑與圍護結(jié)構(gòu)

基坑采用厚度0.8 m的地連墻進行支護，其標準段開挖深度為15 m，對應地連墻深度為32 m，與既有地鐵站零接兩側(cè)共用既有地鐵車站的地連墻，新舊地連墻接縫處設置高壓旋噴樁加固.基坑內(nèi)支撐均為混凝土支撐；東西側(cè)為獨立封閉基坑，均為環(huán)形輻射支撐體系，東側(cè)設置兩個環(huán)梁支撐體系.結(jié)合水文地質(zhì)條件可知，地連墻作為止水帷幕能夠切斷基坑內(nèi)外第一層承壓水之間的水力聯(lián)系，但由于地連墻深度較淺，基坑內(nèi)外第二層承壓水可能存在一定的水力聯(lián)系，但其抗突涌驗算滿足規(guī)范要求.

圖2 地質(zhì)水文剖面

2 降水試驗概況

由于該基坑與既有車站零距離接駁，為了保證既有車站結(jié)構(gòu)和線路的安全穩(wěn)定，兩側(cè)基坑開挖需要對稱降水.根據(jù)地質(zhì)水文條件可知，該場地分布有大量高滲透性土體，且承壓含水層不連續(xù)，存在基坑內(nèi)外水力聯(lián)系的可能.為降低降水過程中基坑內(nèi)外水力聯(lián)系發(fā)生的風險，本工程先后進行單井和群井降水試驗，通過基坑內(nèi)外觀測井觀測基坑內(nèi)外水位變化和建筑物變形量.

2.1 降水井、觀測井及變形監(jiān)測點布置

降水井、觀測井及變形監(jiān)測點布置如圖3所示.基坑中共布置47口疏干井，其中西側(cè)基坑內(nèi)布置22口，東側(cè)基坑布置25口；基坑外共布置36口觀測井，其中主要普通潛水觀測井GCJ0共18口，深度為10 m，重點關注GCJ0-1至GCJ0-4；第一層承壓水觀測井GCJ1共9口，深度為18 m，重點關注GCJ1-1至GCJ1-4；第二層承壓水觀測井GCJ2共9口，深度為30 m，重點關注GCJ2-1至GCJ2-4.

變形監(jiān)測主要包括基坑周邊地表沉降、地連墻水平位移和豎向位移及既有車站結(jié)構(gòu)水平和豎向位移.其中，沉降監(jiān)測點繞基坑外邊緣分布，共設30組，每組5個測點，由內(nèi)向外間隔均為2 m.地連墻監(jiān)測點沿基坑四周均勻布置，其中DC1-5為沉降監(jiān)測點，DS1-5為水平位移監(jiān)測點.既有車站主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測包括沉降和水平位移監(jiān)測，沿行車方向布置，其中JGS01-06為水平位移監(jiān)測點，JGC01-10為沉降監(jiān)測點.

圖3 井點及監(jiān)測點布置

3 降水試驗過程

3.1 單井降水試驗

單井降水試驗在基坑開挖之前進行，在監(jiān)測單井降水效果的同時也觀察坑外潛水位觀測井和第一承壓水觀測井水位變化.降水時長24 h，JD1（10 m）、JD3（18 m）、JX1（10 m）、JX3（18 m）設計降水深度為3 m；JD2（10 m）、JD4（18 m）、JX2（10 m）、JX4（18 m）設計降水深度為4m，括號內(nèi)數(shù)字為各井深度，其他試驗參數(shù)如表2所示.

表2 單井降水試驗h

東側(cè)基坑抽水井JD1-4周圍坑內(nèi)水位觀測井及坑外臨近水位觀測井水位變化如圖4a所示；西側(cè)基坑抽水井JX1-4周圍坑內(nèi)水位觀測井及坑外臨近水位觀測井水位變化如圖4b所示.

圖4 單井降水引起的水位變化

由上圖可知，東西側(cè)基坑降水井水位變化規(guī)律較為接近，試驗可靠性較強.僅以東側(cè)基坑數(shù)據(jù)進行分析：隨著抽水時間的增大，水位逐漸降低，降水時間超過7 h后，JD-1（10 m）和JD-3（18 m）水位下降接近3 m；JD-2（10 m）和JD-4（18 m）水位下降接近4 m，基本達到設計降深，說明抽水井降水效果較好，停止抽水后，觀測井水位迅速恢復至原地下水位.

基坑外潛水層觀測井GCJ0-3水位變化整體較小，最大降深僅10 mm；但第一承壓水層觀測井GCJ1-3水位變化相對較大，最大降深達30 mm.分析該現(xiàn)象的原因為：標準段地連墻深度為32 m，深入10-2層粉土粉砂層，切斷了基坑內(nèi)外潛水層水力聯(lián)系；因此，在坑內(nèi)對10 m深的抽水井進行抽水時，基坑外的潛水層觀測井水位變化較小，但第一承壓水觀測井水位變化較大，初步表明基坑內(nèi)外該承壓水層存在一定的水力聯(lián)系.

3.2 群井降水試驗

群井降水試驗在單井試驗之后基坑開挖之前實施，監(jiān)測群井降水效果的同時也監(jiān)測坑外潛水位觀測井和第一、第二承壓水觀測井水位變化.降水井深度分為10，18，30 m，分別與潛水、第一承壓水和第二承壓水聯(lián)通.降水時長60 h，設計降水深度為10 m且所有井同時降水，其他試驗參數(shù)如表3所示.

表3 群井降水試驗h

降水過程中水位變化如圖5所示.

圖5 群井降水引起的水位變化

由圖5可知，東西側(cè)基坑降水井水位變化規(guī)律較為接近：隨著抽水時間的增大，水位逐漸降低；降水時間超過17 h后，坑內(nèi)水位觀測井水位下降接近10 m，達到設計降深，說明抽水井降水效果較好；停止抽水后，觀測井水位迅速恢復至原地下水位.

與單井試驗類似，基坑外潛水層觀測井GCJ0-1水位變化較小，最大降深僅0.2 m，說明地連墻切斷了基坑內(nèi)外潛水層水力聯(lián)系.深度為18 m的抽水井JX-3（18 m）、JD-3（18 m）和坑外觀測井GCJ1-1均深入地下第一承壓水層.抽水開始后，坑內(nèi)水位迅速降低，至設計深度后保持穩(wěn)定，坑外觀測井隨著坑內(nèi)水位的變化也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，但水位變化幅度較小，基坑內(nèi)外第一承壓水存在微弱的水力聯(lián)系.深度為30 m的抽水井JX-5（30 m）、JD-5（30 m）和坑外觀測井GCJ2-1均深入第二承壓水層.抽水開始后，坑內(nèi)水位迅速降低，至設計深度后保持穩(wěn)定，坑外觀測井隨著坑內(nèi)水位的變化也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，水位變化幅度達4 m，說明此處基坑內(nèi)外第二承壓水存在較大的水力聯(lián)系.

除此之外，分析圖中水位降低速率可知，潛水水位降低速率最快，第一承壓井次之，第二承壓井最慢.產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于基坑內(nèi)外承壓水存在水力聯(lián)系，抽水時基坑內(nèi)外承壓水相互補給造成的.

通過上述分析可知基坑內(nèi)外承壓水存在水力聯(lián)系，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于地勘點間距一般在25～30 m之間，勘察結(jié)果無法預測承壓水的不連續(xù)性.為避免此類事件的發(fā)生，可在基坑開挖前做預降水試驗，以全面掌握場地水文地質(zhì)情況.

4 沉降及支護位移觀測

4.1 地連墻變形

降水期間，對基坑地連墻水平和豎向位移進行了監(jiān)測，如圖6和圖7所示.

由圖6可知，開始降水后，地連墻頂部沉降逐漸增大，0～17 h之內(nèi)地連墻沉降速率較大；當水位穩(wěn)定后，沉降保持穩(wěn)定，沉降最大值為DC-1處的9 mm，發(fā)生在東西兩側(cè)基坑中間的位置，而東側(cè)基坑西南側(cè)的DC-6和DC-7兩處沉降較小.分析其原因為：東西兩側(cè)基坑均降水引起的疊加效果使DC-1處沉降較大；而DC-6和DC-7沉降主要受到東側(cè)基坑降水影響.停止抽水后，地連墻有小幅回彈.

圖7中，地下連續(xù)墻表面的水平位移方向均指向基坑內(nèi)部.開始降水后，水位逐漸降低，基坑內(nèi)土體有效應力增加，沉降增大.地連墻向內(nèi)發(fā)生位移，最大水平位移為5 mm，為基坑深度的0.03%，發(fā)生在DC-1處，達到整個基坑施工水平位移控制值的23.8%.

圖6 地連墻沉降隨抽水時間變化曲線

圖7 地連墻水平位移隨抽水時間變化曲線

4.2 既有車站變形

降水試驗過程中既有車站主體結(jié)構(gòu)的豎向位移如圖8所示.

圖8 既有車站沉降隨抽水時間變化曲線

從圖8可看出，降水過程中既有車站主要發(fā)生沉降變形，最大豎向沉降量為2 mm左右，對車站自身安全影響較??；且在停止抽水后，既有車站發(fā)生了小幅度回彈.

5 降水控制策略探討

通過上述降水試驗結(jié)果的分析可知，本基坑地連墻并未完全截斷埋深較深且橫向不連續(xù)的第二承壓水層，基坑內(nèi)外第二承壓水存在水力聯(lián)系，東西兩側(cè)基坑降水導致了基坑圍護結(jié)構(gòu)和既有車站主體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的沉降和水平位移.導致該現(xiàn)象發(fā)生的原因為地勘點布置間隔較大，勘察結(jié)果無法完全反應實際地質(zhì)水文條件.因此，為了避免實際開挖降水過程中的工程災害，開展預降水試驗十分必要；同時，可在坑外設置相應的承壓層回灌井，并在坑外承壓層水位觀測井發(fā)生水位下降時，及時進行回灌.

6 結(jié)論

本文結(jié)合天津某分布于既有車站兩側(cè)的異形基坑降水試驗，對降水過程中水位變化、地連墻和既有結(jié)構(gòu)變形展開了分析，主要結(jié)論如下.

（1）場地內(nèi)第二承壓水不連續(xù)，基坑地連墻未能完全阻斷該承壓含水層，通過基坑試驗發(fā)現(xiàn)基坑內(nèi)外第二承壓水存在橫向水力聯(lián)系，造成降水過程中地連墻和既有結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的沉降和水平變形.

（2）當?shù)叵滤牡刭|(zhì)分布復雜時，間隔較大的勘察點無法準確描述地下水力地質(zhì)分布，在基坑開挖前進行降水試驗十分必要.

（3）采用懸掛式止水帷幕且存在基坑內(nèi)外承壓水聯(lián)通的風險時，可在坑外設置相應的承壓層回灌井，并在坑外承壓層水位觀測井發(fā)生水位下降時，及時進行回灌.

（4）降水會引起基坑支護結(jié)構(gòu)水平和豎向位移增大，且當水位穩(wěn)定后，上述變形達到最大值；隨著地下水位升高，支護結(jié)構(gòu)水平和豎向位移均降低，但降低幅度較小.