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城市建設(shè)基坑降水引發(fā)地面沉降的影響研究

文檔作者：時(shí)紹瑋，朱慶川，徐冬文檔來源：天津市控制地面沉降工作辦公室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月04日
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海河水利·45·
DOI：10．3969／j．issn．1004—7328．2016．04．015
城市建設(shè)基坑降水引發(fā)地面沉降的影響研究
時(shí)紹瑋，朱慶川，徐冬
(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061)
摘要：由于基坑降水引起地面沉降的范圍較遠(yuǎn)。往往能達(dá)到墻后5～10倍基坑開挖深度的距離，而實(shí)際基坑工程坑
外沉降的測點(diǎn)往往布置在墻后1—4倍基坑開挖深度的距離，因此難以全面獲得不同類型基坑降水對(duì)地面沉降的影
響范圍。此次利用有限差分軟件Modflow建立三維地下水滲流模型，研究不同開挖深度(5～25 In)的基坑降水對(duì)地
面沉降的影響范圍，并探討不同止水帷幕截?cái)喾绞焦r下坑內(nèi)降水后坑外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系。
關(guān)鍵詞：基垸；沉降；范圍；發(fā)展；關(guān)系
中圖分類號(hào)：TV551．4+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7328(2016)04—0045—05
隨著城市發(fā)展速度與建設(shè)規(guī)模的不斷加大，特
別是市政工程和高層建筑的大量興建，導(dǎo)致城市地
下空間被廣泛利用，隨之產(chǎn)生深基坑工程數(shù)量驟增，
建筑基坑規(guī)模和深度也隨之加大，基坑降水量不斷
攀升。研究成果表明，天津市建筑密集區(qū)基坑降水
引發(fā)地面沉降的貢獻(xiàn)率已經(jīng)占到地面沉降總量的
16％左右，但是由于基坑降水引發(fā)地面沉降在天津
發(fā)生的歷史較短，導(dǎo)致對(duì)基坑降水過程中進(jìn)行回灌
所采用的方式方法及相關(guān)技術(shù)要求的研究起步較
晚，學(xué)者對(duì)其發(fā)生、發(fā)展及影響范圍的規(guī)律研究不
深，管理上缺乏有力的科研依據(jù)。因此，筆者以典型
基坑工程為案例，探討不同深度及不同截?cái)喾绞降?
基坑降水對(duì)地面沉降的影響范圍及發(fā)展關(guān)系，為進(jìn)
一步制定行之有效的管理措施提供科學(xué)依據(jù)。
1有限差分模型建立及驗(yàn)證
首先依托天津文化中心站抽水試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型
進(jìn)行校核。試驗(yàn)流程，見表1。其中，W2、W3分別
為第一、二承壓含水層降壓井；P2—1一P2—3、P3—1一
P3—3分別為第一、二承壓含水層水位觀測井；DC—
CJ01--DCCJl0為地面沉降監(jiān)測點(diǎn)，為了保護(hù)測點(diǎn)，
將其布置在地表下2 In；分層沉降監(jiān)測點(diǎn)和分層孔
壓監(jiān)測點(diǎn)分別布置4組，每組包括3個(gè)位置接近的測
孔，如FCCJl—1一FCC兒一3、KXSl一l—KXSl—3，其埋
置深度分別為4、8、12 m。
收稿日期：2016_咱3一15
作者簡介：時(shí)紹瑋(1983一)，女，工程師，主要從事地面沉降控制與
管理工作。
表1抽水試驗(yàn)流程
根據(jù)土層分布，建立了三維地下水滲流數(shù)值模
型，模型參數(shù)見表2。分別對(duì)W2井、W3井抽水試驗(yàn)
進(jìn)行數(shù)值模擬，并分別將計(jì)算的觀測井P2—1一P2—3
及P3—2一P3—3的水位降深與現(xiàn)場抽水試驗(yàn)的觀測
井降深作對(duì)比，如圖l一2所示。
表2模型土層分布及滲透系數(shù)
萬方數(shù)據(jù)
·46· 時(shí)紹瑋，朱慶川，徐冬：城市建設(shè)基坑降水引發(fā)地面沉降的影響研究2016年8月
圖1 W2抽水試驗(yàn)過程中觀測并P2一l—P2—3的水位
降深計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比
圖2 W3抽水試驗(yàn)過程中觀測井P3-2--P3-3的水位
降深計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比
由圖1—2可以看出，建立的三維地下水滲流數(shù)
值模型可以反映實(shí)際場地土層特性，因而用該模型
來研究基坑降水引發(fā)沉降的范圍。
2沉降影響范圍
2．1基坑深度5及10 m
基于驗(yàn)證過的數(shù)值模型，通過對(duì)不同開挖深度
(5、10 m)的基坑分別進(jìn)行模擬，通過對(duì)截?cái)嗟谝怀?
壓含水層的程度來控制沉降的影響范圍，從而對(duì)地
下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。截?cái)喾绞接?種，
即工況l：未對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行處理；工況2：截
斷第一承壓含水層總厚度的1／2；工況3：對(duì)第一承
壓含水層全部截?cái)唷?
經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如下：
(1)開挖深度5 m的基坑。用驗(yàn)證后的模型，降
深滿足深度為5 m的基坑，對(duì)3種截?cái)喾桨妇M(jìn)行了
模擬。由于開挖深度較淺，經(jīng)過抗凸涌計(jì)算，基坑施
工過程中并不需要對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行減壓處
理。但發(fā)現(xiàn)第一承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降
影響較小，基坑外最大沉降未超過O．5 mrn。沉降等
值線，如圖3所示。
(2)開挖深度10 m的基坑。同上，由于開挖深
度較淺，所以在基坑施工過程中并不需要對(duì)第一承
壓含水層進(jìn)行減壓處理。但發(fā)現(xiàn)第一承壓含水層是
否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降影響較小，基坑外最大沉降未
超過O．5 mm。沉降等值線，如圖4所示。
圖3開挖深度5 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降
／／ ＼
＼ ／
圖4開挖深度10 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降
2．2基坑深度15、20及25 m
基于驗(yàn)證過的數(shù)值模型，通過對(duì)不同開挖深度
(15、20、25 m)的基坑分別進(jìn)行模擬，通過對(duì)截?cái)嗟?
二承壓含水層的程度來控制沉降的影響范圍，從而
對(duì)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。截?cái)喾绞接?
種，即工況1：未對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行處理；工況
2：截?cái)嗟诙袎汉畬涌偤穸鹊?／4；工況3：截?cái)?
第二承壓含水層總厚度的1／2；工況4：截?cái)嗟诙?
壓含水層總厚度的3／4；工況5：對(duì)第二承壓含水層
全部截?cái)唷?
(1)開挖深度15 m的基坑。用驗(yàn)證后的模型，
降深滿足深度為15 m的基坑，對(duì)5種截?cái)喾桨妇M(jìn)
行了模擬。由于開挖深度較淺，所以在基坑施工過
程中并不需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減壓處理。但
發(fā)現(xiàn)第二承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)基坑外沉降影響較
小，基坑外最大沉降未超過3 mm。沉降等值線，如
圖5所示。
萬方數(shù)據(jù)
2016．No．4 海河水利·47·
圖5開挖深度15 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降
(2)開挖深度20 m的基坑，4個(gè)工況下，基坑外
沉降等值線如圖6q所示。
／——、＼
圖6開挖深度20 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降
＼＼10—／
圖7開挖深度20 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降
1 0
圖8開挖深度20 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降
圖9開挖深度20 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降
(3)開挖深度25 m的基坑。當(dāng)未對(duì)第二承壓含
水層進(jìn)行處理時(shí)，基坑外沉降嚴(yán)重，且影響范圍較
大，基坑外沉降最大值40 mm，180 d沉降等值線如
圖1卜14所示。
基于地下連續(xù)墻對(duì)第二承壓含水層的的截?cái)喾?
式的不同，來控制基坑周邊地表沉降。將地表沉降
分為10、20、30、40 mm 4條等值線，研究基坑中部地
10
30
圖10開挖深度25 m的基坑工況1降水完成后180 d沉降
zo
而
T0
圖1l開挖深度25 m的基坑工況2降水完成后180 d沉降
初
7D～
圖12開挖深度25 m的基坑工況3降水完成后180 d沉降
10
20
10
圖13開挖深度25 m的基坑工況4降水完成后180 d沉降
圖14開挖深度25 m的基坑工況5降水完成后180 d沉降
萬方數(shù)據(jù)
·48· 時(shí)紹瑋，朱慶川，徐冬：城市建設(shè)基坑降水引發(fā)地面沉降的影響研究2016年8月
連墻與4條等值線距離，得出地面沉降影響范圍，從
而提出墻深控制指標(biāo)，如圖15所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)
果，見表3—6。
圖15基坑周圍地表沉降等值線與基坑距離示意
表3地連墻中點(diǎn)與10舳等值線距離。
表4地連墻中點(diǎn)與加蛐等值線距離。
O
O．25
0．5
O．75
1
0 46．16
0 44．59
0 14．4
0 O
O 0
表6地連墻中點(diǎn)與40衄等值線距離m
經(jīng)過上文計(jì)算，可以得到15—25 m深度基坑在
不同止水帷幕深度的工況下10、20、30、40 mln沉降
的影響范圍，從而根據(jù)不同需要進(jìn)行止水帷幕優(yōu)化
設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于基坑開挖深度為5、10 m的基坑，
由于基坑開挖深度相對(duì)較小且坑底距離天津市區(qū)穩(wěn)
定第一承壓含水層層頂距離較大(一般約10 m)，故
一般不需對(duì)第一承壓含水層進(jìn)行降壓處理，基坑降
水引起的坑外地面沉降范圍很小(在止水帷幕不發(fā)
生滲漏的條件下)。
3地面沉降發(fā)展過程
基于上文數(shù)值模型，以25 m深基坑為例，探討
5種不同止水帷幕截?cái)喾绞焦r下坑內(nèi)降水后坑
外水位及地面沉降隨時(shí)間發(fā)展關(guān)系，選取坑外距離
地連墻中點(diǎn)約10 m位置進(jìn)行分析。圖16為地面沉
降時(shí)程曲線，圖17為坑外承壓層水位變化時(shí)程曲
線，圖18為坑外承壓層上覆弱透水層水位變化時(shí)
程曲線。
由圖16可以看出，地面沉降在降水開始后10—
20d發(fā)展較快，且能完成最終沉降的75％以上，而由
于承壓層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土層的
存在，地面沉降在所計(jì)算的180 d后仍未穩(wěn)定，尤其
是止水帷幕沒有截?cái)喑袎簩拥母鞴r。
0
．5
‘10
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呂
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魍
世。
遙．，
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時(shí)間，d
+1=況一
．--It---丁況二
-．．．．tit--．J-況=
—十工況四
-．．．,lit．--丁況五
圖16深25 m基坑不同工況下沉降隨時(shí)間變化曲線
E
氌
*
嚙
*缸
鹺
憾
．1
按
---o--T．況一
—●一工60二十丁況三
-．-0--丁況四十，I．況五
圖17深25 m基坑不同工況下承壓水位隨時(shí)間變化曲線
萬方數(shù)據(jù)
海河水利·49·
—●-T況一
'--'t-r況二
十[況三
+I。況四
十邱0五
圖18深25 m基坑不I司工況下承壓層
上覆弱透水層水位隨時(shí)間變化曲線
4結(jié)論
(1)對(duì)于開挖深度為5、10 m的基坑，由于基坑
開挖深度相對(duì)較小且坑底距離第一承壓含水層層頂
距離較大(一般約10 m)，一般不需對(duì)第一承壓含水
層進(jìn)行降壓處理，基坑降水引起的坑外地面沉降范
圍很小(在止水帷幕不發(fā)生滲漏的條件下)。
(2)深15 m基坑由于不需要對(duì)第二承壓含水層
進(jìn)行減壓，所以基坑降水并不會(huì)引發(fā)該含水層水位
明顯下降，第二承壓含水層是否截?cái)鄬?duì)坑外地表沉
降影響較小。
(3)深20 m基坑需要對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行減
壓，加深止水帷幕深度會(huì)增加地下水滲流路徑，從而
改變地下水滲流，減小坑外土體沉降。
對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷
幕深度的不同，該范圍介于0～42 m；對(duì)于20 mm的
沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范
圍介于0—10 m；而不論基坑止水帷幕是否截?cái)嗟?
二承壓含水層，深20 in基坑滿足降壓要求后，基本
不會(huì)出現(xiàn)坑；,b30 mm的沉降。具體隋況，見表3—6。
此外，當(dāng)止水帷幕截?cái)?0％以上時(shí)，10mm沉降
影響范圍有明顯“收縮”，當(dāng)止水帷幕截?cái)?5％以上
可將10 mm沉降控制在距離基坑10 m以內(nèi)。具體
情況，見表31。
(4)深25 m基坑開挖較深，如地下連續(xù)墻未截
斷第二承壓含水層，為防止坑底凸涌，需對(duì)該含水層
進(jìn)行減壓處理，由于降深較大，坑外地表會(huì)出現(xiàn)較大
沉降(約40 mm)。
對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷
幕深度的不同，該范圍介于0—140 m；對(duì)于20 mm
的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該
范圍介于0～88 m；對(duì)于30 mm的沉降影響范圍，根
據(jù)基坑止水帷幕深度的不同，該范圍介于0—46 m；
對(duì)于40 mm的沉降影響范圍，根據(jù)基坑止水帷幕深
度的不同，該范圍介于0—10 m。具體情況，見表
3—_6。
此外，對(duì)于10 mm的沉降影響范圍，增加止水帷
幕深度對(duì)其影響不大，如果周圍建筑對(duì)沉降敏感，沉
降需要控制在10 mm以內(nèi)時(shí)，建議將第二承壓含水
層截?cái)啵粚?duì)于20mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?
50％以上時(shí)，其沉降影響范圍有明顯“收縮”；對(duì)于
30mm的沉降影響范圍，止水帷幕截?cái)?5％以上時(shí)，
其沉降影響范圍有明顯“收縮”。具體情況，見表
3—16。
(5)基坑降水后，地面沉降在降水開始后10～
20 d發(fā)展較快且能完成最終沉降的75％以上，而由
于承壓含水層上弱透水層及潛水層中滲透性較差土
層的存在，地面沉降在較長時(shí)間內(nèi)仍不能穩(wěn)定，尤其
是止水帷幕沒有截?cái)喑袎簩拥墓r。
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(5)：1010—1019．
·環(huán)球水信息·
永定河成功舉辦防汛演習(xí)
7月12日，北京市永定河防汛指揮部辦公室組織
開展永定河防汛演習(xí)，永定河管理處及各基層管理
所、門頭溝、石景山、豐臺(tái)、大興、房山分指揮部參加
統(tǒng)一演練。
針對(duì)目前全國嚴(yán)峻的防汛形勢(shì)，指揮部要求各部
門要高度重視，嚴(yán)陣以待，加強(qiáng)防守，落實(shí)責(zé)任，以最飽
滿的狀態(tài)做好主汛期各項(xiàng)工作，確保永定河安全度汛。
(摘自2016年7月14日北京水務(wù)網(wǎng))
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