对基坑降水引起周围建筑物沉降的预测及其防治措施

王文峰

(中铁济南工程技术有限公司，山东济南 250022)

1 降水对周围地表沉降的研究现状

随着抽水时间延长、抽水量的增加，人们逐渐察觉到过量抽水与地面沉降之间有某种联系。O.E.Meinzer1923年最初阐述了地表沉降的定义；1924年，日本对关东地震后的地表沉降再次进行了测量，最终确定了地表沉降与地下水下降之间的联系[1]；太沙基1925年提出一维单向固结理论，比奥1941年提出了三维固结理论[2]。20世纪80年代以后，许多学者又从三维流固耦合模型、数值模拟、微观等方面研究了地表沉降与地下水之间的联系[3]。

2 降水沉降的理论分析

2.1 地面沉降机理

基坑降水是引起周边地面沉降的主要原因，降水会改变地下水的渗流方向，形成一个以基坑为中心的水位降深漏斗面。原始水面以下，排水引起地基土层中孔隙水体积减小，随后孔隙水压力逐渐减小，使有效应力增加，在有效应力作用下土体骨架产生瞬时和蠕动变形，地表即发生沉降。有效应力原理是基坑降水引起地表沉降的基本原理[4]，如图1所示。

图1 有效应力原理

图1中P为土层的总压力，σ′为有效应力，u为孔隙水压力，即P=σ′+u。当地下水下降时，地层中的总应力保持不变，孔隙水压力减少ΔP，随即有效应力相应的增加ΔP，即P=(σ′+ΔP)+(u-ΔP)。

2.2 降水影响范围的计算

降水影响范围的计算分潜水含水层和承压含水层两种。降水影响范围宜通过试验或根据当地经验确定，无当地经验值时可按如下公式进行计算：

潜水含水层抽水影响范围的计算公式

(1)

式中l——降水井影响范围；

s——降水井外壁处的水位降深；

k——地层的渗透系数；

m——潜水含水层厚度。

承压水含水层降水影响半径计算公式

(2)

2.3 降水曲线确定[5-10]

在基坑抽水的过程当中，地下水的变化将从不稳定形态发展到稳定的形态。其引起的地下水位降深为漏斗状，可通过解析法或数值法加以分析(如图2所示)。现有的基坑降水计算预测基本也是解析模型，其模型一般是应用地下水动力学中的稳定流完整井干扰群公式， 降水范围内任意点的水位降深方程如下。

图2 水位降深示意

式中S——降水范围内任意点的水位降深；

m——潜水含水层的厚度；

k——地层的渗透系数；

Qi——按干扰井群计算的第i个降水井的单井流量；

li——第i个降水井的影响范围；

ri——第i口井中心至地下水位降深计算的点的距离；

n——抽水井的数量。

3 沉降计算[8]

分层总和法考虑土的成层性，根据土有效应力增量计算降水导致的沉降量。对于第i层土的土层微单元，沉降计算公式如下

(4)

式中S∞——降水引起的地面沉降量；

Ei——隔地层的压缩模量；

Δσi——水位下降引起的各地层的有效应力增量；

Δhi——受降水影响的各地层的厚度。

计算每一水位差作用下的沉降量St

St=ut×S∞

(5)

式中St——某时间降水引起的地面沉降量；

ut——固结度。

4 工程实例

4.1 工程概况

济南市二环西路拓宽改造，与其相交的京沪铁路三、四线铁路桥须拆除重建，铁路桥基坑开挖深度为7.9 m。铁路桥施工为便梁防护线路，顶进施工，便梁下的支墩采用人工挖孔桩，桩长29 m，铁路桥基坑及挖孔桩施工需降水，降水深度约28 m。基坑西南角有6层和二层居民楼各一座，距基坑边只有5 m，居民楼为砌体结构，埋深约2.0 m，施工降水会对附近的楼房产生一定的影响。

4.2 工程地质情况

场区位于济南市二环西路与京沪铁路三、四线交汇处，该区宏观地貌单元属于黄河、小清河冲积平原，由于修建房屋、铁路等人类活动，原地貌形态已发生改变，地形起伏不大。

4.3 水文地质条件

场地内地下水主要为第四系孔隙潜水，勘探期间埋藏较浅，地下静止水位埋深1.60～1.80 m，高程23.74～24.17 m。地下水受季节影响较大，季节性水位变化幅度约1.5 m，近三年枯水期水位埋深2.5 m左右，环境水对混凝土的环境作用等级为H1。

4.4 土层计算参数

场地地层的物理力学参数选取如表1所示。

4.5 降水影响

①对沉降区地层结构进行分析，按水文地质、工程地质条件分组，确定沉降层与稳定层。

②选择合适的渗流公式计算并绘制地下水位变化曲线，水位降深随距离的增加而减小，呈漏斗状，最终趋于零，如图3。

表1 土层物理力学参数

图3 距离与水位降深曲线

③计算每一地下水位差值下地面的最终沉降量。

经计算，降水影响半径为260 m，地面的最大沉降为25.8 cm，降水会引起六层楼过多沉降，而且局部最大倾斜率为2.8‰。根据要求，建筑物的沉降需控制在3.0 cm以内，且最大倾斜不超过2‰，必须采取措使其沉降和倾斜控制在规范要求范围内。

4.6 防治措施

在建筑物的周围布置2排旋喷桩做隔水帷幕，东西方向为60 m，南北方向为42 m，旋喷桩采用双管法，桩长29 m，进入下部黏土层，桩径0.8 m，间距0.5 m，两桩之间相互搭接，搭接长度为0.3 m。喷浆材料水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5；水灰比采用1.0，可根据现场试验进行调整；高压水泥浆压力不宜小于20 MPa。旋喷桩施工时应先施工靠近房屋的一排旋喷桩，离建筑物较近的位置压力可适当调整，喷浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，应查明原因并采取措施；施工顺序采用跳打法，喷射时自下而上进行(如图4)。

图4 降水防护平面(单位：m)

为使地下水位变化控制在《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497—2009规定的1.0 m之内，并且使水位降深不大于枯水期的地下水位，在靠近建筑物一侧布置一排回灌井点，回灌井深12 m，直径为0.5 m，如果水位下降超过1.0 m，应及时对地下水进行回灌。

4.7 监测

为了确保基坑侧壁和相邻建筑物的安全，必须对整个基坑施工降水过程进行施工监测，监测点设在建筑物的四角(拐角)上，高低悬殊或新旧建筑物衔接处，伸缩缝及不同埋深基础的两侧；每栋建筑物布置6个沉降测点、2组(每组2个)倾斜测点。裂缝观察监测点结合建筑物情况布置在裂缝周边墙体上。靠近建筑物一侧间距20～30 m均匀布置7个水位观测井。现场监测采用定时观测与跟踪观察相结合的方法进行，监测频率可根据监测数据变化大小进行适当调整，监测数据有突变时，监测频率加密到2～3次/d。

4.8 防治效果

降水过程中，通过对水位观测孔的观测，发现旋喷桩与建筑物之间的地下水位变化在0.5 m以内。未施工旋喷桩的部分地下水位超过1 m，通过回灌井及时对地下水进行回灌，使地下水位的降深始终保持在1 m以内。通过对建筑物的监测，未发现建筑物出现裂缝等情况，建筑物的最大沉降为11 mm，最大倾斜为1‰，满足规范要求，确保了建筑物的安全。

[1] 郭瑶.深基坑降水对地表沉降的影响研究[D].沈阳:东北大学，2006

[2] 史翰.关于武汉地区深基坑降水引起地面沉降的探讨[J].土工基础，1999，13(4):13-15

[3] 顾小芸.地面沉降计算的回顾与展望[J].中国地质灾害与防治学报，1998，9(2)：81-85

[4] 张勇.基坑降水引起地面沉降的实时预测[J].岩土力学，2008，29(6):1593-1596

[5] 乔焕新.基坑降水引发周围地面沉降的实例分析[J].华北科技学院学报，2007，4(3)：47-51

[6] 谢康和.成层土中基坑开挖降水引起的地表沉降分析[J]. 浙 江 大 学 学 报，2002，36(3):239-242

[7] 李文广.深基坑降水引起的地面沉降预测[J].地下空间与工程学报，2008，4(1):181-184

[8] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2009:245-248

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[10] 赵明.基坑开挖降水对周围建筑物沉降影响的研究[D].济南:山东大学，2009