深基坑减压降水引发的地面沉降与工程地质结构、基坑开挖深度、隔水帷幕深度、基坑面积、基坑形状和施工周期有关, 其中工程地质结构、基坑开挖深度和隔水帷幕深度是影响基坑周围水位降深的主要因素。

从市域尺度研究深基坑减压降水引发的地面沉降规律, 建立了综合考虑上海地貌类型-沉积环境-地层组合-降水目的层结构-隔水帷幕插入深度的深基坑减压降水地面沉降防治综合分区方法^[18]。针对微承压含水层、第一承压含水层和第二承压含水层深基坑工程主要降水目的含水层, 分别编制了上海市深基坑减压降水地面沉降防治综合分区图及其特征表, 这些是上海市深基坑减压降水地面沉降防控系统研究和决策的基础单元。上海第一承压含水层深基坑减压降水地面沉降综合分区及其特征见图1和表2。

图1

Fig.1

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	图1 上海第一承压含水层深基坑减压降水地面沉降防治综合分区Fig.1 Prevention partition of the land subsidence caused by deep foundation pits dewatering of the first confined aquifer in Shanghai

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 上海第一承压含水层深基坑减压降水地面沉降防治综合分区特征 Tab.2 Characteristics of prevention partition of the land subsidence caused by deep foundation pits dewatering of the first confined aquifer in Shanghai 分区 地层特征 地层组合 含水层底板 埋深B/m ⑦I-1 湖沼平原区 两层硬土层分布区 30< B≤ 60 ⑦Ⅱ1-1 滨海平原正常沉积区 ⑥层、⑧层均分布区 30< B≤ 60 B> 60 ⑦Ⅱ1-2 ⑤层分布、⑧层缺失区 第一、二承压含水层沟通 ⑦Ⅱ2-3 ⑦Ⅱ3-1 滨海平原古河道区 ⑥层缺失、⑧层分布区 30< B≤ 60 B> 60 ⑦Ⅱ3-2 ⑤层、⑧层均缺失区 第一、二承压含水层沟通 ⑦Ⅱ4-3 ⑦Ⅳ1 潮坪地貌区 新近成陆区 30< B≤ 60 ⑦Ⅳ2 B> 60 ⑦Ⅳ3 第一、二承压含水层沟通

表2 上海第一承压含水层深基坑减压降水地面沉降防治综合分区特征 Tab.2 Characteristics of prevention partition of the land subsidence caused by deep foundation pits dewatering of the first confined aquifer in Shanghai

以在建深基坑工程为例, 探索深基坑减压降水地面沉降防治原型试验设计方法, 提出了原型试验场平面布局和设施结构的技术框架, 研发了自来水、原水两用的浅层地下水回灌系统^[9], 建设了包括水位监测井、地面沉降监测剖面、土体分层沉降监测标组、浅层地下水人工回灌系统及孔隙水压力监测孔等设施的原位综合试验场(图2)。根据深基坑减压降水工程进度, 同步开展了地面沉降监测控制技术研究, 进一步掌握了深基坑减压降水地面沉降时空规律。开展了原位回灌试验研究, 获取了浅层地下水人工回灌参数, 进一步验证了深基坑减压降水过程中人工回灌的控沉效果。

图2

Fig.2

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	图2 某典型深基坑减压降水地面沉降防治原型试验设计Fig.2 Prevention prototype test design of land subsidence caused by deep foundation pits dewatering

通过分析10余个典型工程案例^{[6, 11, 15]}, 发现距离悬挂式帷幕基坑越近, 各土层差异沉降越明显, 且存在关键点, 降水目的含水层上覆土层是主要沉降层(图3), 减压降水地面沉降主要影响范围在3H内, 最大影响范围可达10H(图4)。基于深基坑减压降水地面沉降防治综合分区结果, 综合考虑深基坑长宽比、面积、开挖深度、止水帷幕深度、水位降深等工程参数, 构建了4 700余个全市域多尺度数学模型, 系统掌握了上海市浅部承压含水层深基坑减压降水全过程的水位降深与地面沉降规律, 为地面沉降控制指标研究提供了基础依据。

图3

Fig.3

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	图3 某典型深基坑3H处地下水位与土体分层累计沉降历时曲线Fig.3 Duration curve of cumulative settlement for groundwater level and layered soil at the 3H point of one deep foundation pit

图4

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	图4 某典型深基坑减压降水不同阶段地面沉降纵剖面特征Fig.4 Longitudinal profile characteristics of land subsidence caused by deep foundation pits dewatering at different stages

基于深基坑减压降水地面沉降典型案例^{[10, 15]}, 坑内减压降水对坑外地面沉降影响范围可达10H, 其中地面沉降显著区主要出现在2H~3H范围内。由于3H范围内地面沉降受土体开挖、减压降水、结构变形及机械施工等影响, 3H范围外地面沉降量与地下水位降深呈显著正相关, 主要受基坑减压降水单因素影响。结合深基坑工程施工监测要求和地面沉降监控设施布设场地限制等实践经验, 从地质环境保护角度出发, 明确将3H作为关键控制点。地面沉降属缓变型地质灾害, 发育过程具有滞后性, 且发生后难以治理和恢复^[17]。考虑到地下水位变化的灵敏性和监控的便捷性, 提出了深基坑减压降水地面沉降-地下水位双控模式^[9], 即通过对关键控制点处地下水位的控制和地面沉降的监测, 实现3H范围外地面沉降控制目标。

在市域尺度深基坑减压降水水位降深与地面沉降规律研究基础上, 利用数值模拟大数据, 对距离基坑3H处地面沉降量与止水帷幕插入目的含水层深度、基坑开挖深度、基坑面积、基坑长宽比等影响因素^[18]进行相关性分析。通过多元回归分析法进行拟合, 建立了不同综合分区深基坑减压降水关键控制点的水位降深和地面沉降半经验预测公式。

(1)关键控制点水位降深值计算公式:

D_s=(a₁× M+b₁× H+c₁/D )f1(d₁+e₁× P )g1。 (1)

式中: D_s为关键控制点降水目的含水层水位降深值, m; D为隔水帷幕插入降水目的含水层深度, m; H为基坑开挖深度, m; M为基坑面积, m²; P为基坑长宽比; a₁、b₁、c₁、d₁、e₁、f₁、g₁为水位降深计算经验系数。

(2)关键控制点地面沉降量计算公式:

C_s=(a₂× M^1/2+b₂× H+c₂/D^1/3 )f2×

(d₂+e₂× P )g2。 (2)

式中: C_s为关键控制点地面沉降量, mm; D为隔水帷幕插入降水目的含水层深度, m; H为基坑开挖深度, m; M为基坑面积, m²; P为基坑长宽比; a₂、b₂、c₂、d₂、e₂、f₂、g₂为地面沉降计算经验系数。

结合上海市地面沉降控制目标和基坑周边环境保护要求, 以上海全域为研究尺度, 基于提出的半经验公式, 利用拟合分析取得的经验系数, 量化确定了关键控制点处水位降深和地面沉降量控制指标, 为工程性地面沉降防治精细化管控奠定了基础。

基于大量深基坑减压降水工程实例和典型案例^{[10, 16]}, 依托4个大型综合试验场, 提出了基坑围护结构-工程降水一体化设计新方法, 突破了深基坑减压降水地面沉降综合监测及浅层地下水人工回灌中存在的关键技术难题, 为深基坑减压降水地面沉降防治提供了技术保障。

(1)提出了深基坑围护结构-工程降水一体化设计新方法。针对悬挂式帷幕基坑类型, 提出了基坑抽水量最小、止水帷幕深度最优求解、基坑围护与工程降水设计评估、降水-回灌优化设计等实施路径的基坑围护结构-工程降水一体化设计新方法^{[12, 17]}, 解决了因基坑围护设计与工程降水设计不合理造成的地面沉降问题, 在地下水位和地面沉降控制方面取得了较好的效果。

(2)集成了深基坑减压降水地面沉降监测技术。通过对3H关键控制点地面沉降规律的综合研究, 集成了由地面沉降、分层沉降、地下水位、孔隙水压力、抽水量、回灌量、水压力等监测要素组成的深基坑减压降水地面沉降综合监测方法技术, 规范了基坑外3H~10H范围内地面沉降综合监测方案, 实现了对深基坑减压降水地面沉降的水平、垂向及分层多维监测, 提出了监测预警标准。

(3)突破了浅层地下水人工回灌技术难题。依托大定海泵站、金海路地铁车站、祁连山南路地铁车站、同济大学地铁车站等在建基坑工程现场试验^{[8, 16]}, 提出了回灌井结构设计、回灌管路系统设计、回灌原水处理等关键技术, 突破了浅层地下水人工回灌中存在的浅部含水层渗透性差、回灌井易堵塞、回灌原水对井管具腐蚀性、回灌效率低、回灌能力不足等技术难题, 建立了较完善的浅层地下水人工回灌技术体系。

基于建设工程事前、事中、事后全流程管控的思路, 提出了深基坑减压降水地面沉降防治技术路径(图5)。通过集成创新, 制定了相关法律法规、技术标准和防治规划等管理措施, 将技术审查、施工监管和成果汇交纳入管理流程, 构建了深基坑减压降水地面沉降管控体系, 为“ 两局两委” (上海市规划和国土资源管理局、上海市水务局、上海市住房和城乡建设管理委员会和上海市交通委员会)部门联动的地面沉降防治管理新模式提供了技术支撑。

图5

Fig.5

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	图5 深基坑减压降水地面沉降防治技术路径Fig.5 Prevention technical path for land subsidence caused by deep foundation pits dewatering

深基坑减压降水地面沉降控制指标和防治技术及深基坑减压降水地面沉降管控体系等研究成果, 已直接应用于上海市深基坑减压降水地面沉降防治工作中, 为深基坑减压降水地面沉降管控提供了解决方案, 也为地面沉降防治精细化管理提供了决策依据。

上述研究成果为上海市地面沉降监测与防治、地质灾害危险性评估和地面沉降防治工程设计等技术标准的编制和修订提供了技术支撑, 为上海市地面沉降防治管理条例、基坑工程管理办法和基坑降水管理规定等法规的出台和实施提供了科学依据, 促进了深基坑减压降水地面沉降防治工作的法制化和规范化。

上述研究成果在上海地区地质灾害危险性评估、地下空间开发建设、轨道交通运营安全等工程中获得了实践应用, 推动了深基坑降水工程地面沉降防治工作, 减轻了地下空间开发中不均匀地面沉降对重大市政工程建设运营的影响, 对我国滨海城市工程建设引发的地面沉降的防治工作具有引领和示范作用。