地下工程施工对历史建筑影响的分析和实践

降水施工对周边环境影响的分析方法，目前最常用的方法有经典理论计算方法和数值计算方法两类。

1.经典理论计算方法

假定地层为半空间各向同性体，在荷载作用下，地基中附加应力场是根据半空间各向同性弹性体理论计算的，土的压缩性则由根据一维压缩试验测定的参数来表示，并采用分层总和法计算地基的最终沉降量，计算方法如下。

（1）影响范围

降水对周围环境的影响范围即降水漏斗曲线的平面内半径，也是井点抽水的影响半径，可用式（6-2）和式（6-3）来进行估算：

式中，R为降水影响半径（m）；S为水位降低深度（m）；H为含水层厚度（m）；k为土层渗透系数（m/d）。

实际降水施工过程中，抽水引起的附加沉降不仅与降水产生的降落漏斗的形状、深浅等降水水头有关，还与地层的分布情况、可压缩性以及压缩层的厚度等因素有关。此外，抽水的时间长短、抽水强度、抽水的季节、基坑场地的水文地质条件等因素又会影响到降水形成的降落漏斗的形态。由此也可以看出，想要精确计算降水影响范围并寻找出一个能够反映一般规律的统一数学公式是比较困难的，因此，对于邻近历史建筑的基坑，在准确掌握场地的水文地质和现场抽水试验资料以后，还应采用数值模拟方法进一步计算降水沉降的影响范围，具体可根据含水土层情况采用如下计算方法：

对于没有越流的承压含水层，参与计算的地层为降水目标含水层。对于完整井，可直接取一层计算；对于非完整井，则需要按照解析法或数值模拟方法计算层内水位降落值并确定计算范围，依据水位降落情况分层并累加每层的沉降。

对于有越流的承压含水层，参与计算的地层为降水目标含水层以及由于越流水位波动明显的地层。具体需要按照解析法或数值模拟方法计算各层水位降落值并确定计算范围，依据水位降落情况分层并累加每层的沉降。

对于没有越流的潜水含水层，参与计算的地层为降水目标含水层及其以上土层。具体可按照解析法或数值模拟方法计算层内水位降落值并确定计算范围，依据水位降落情况分层并累加每层的沉降。

对于有越流的潜水含水层，参与计算的地层为降水目标含水层以及由于越流水位波动明显的地层。具体需要按照解析法或数值模拟方法计算层内水位降落值并确定计算范围，依据水位降落情况分层并累加每层的沉降。

（2）降水造成地面沉降

在井点降水无大量细颗粒随地下水被带走的情况下，周围地面所产生的沉降可用分层总和法，按照式（6-4）进行计算：(www.xing528.com)

式中，S为地面最终沉降量；ai（1-2）为各土层压缩系数；e0i为各土层起始孔隙比；Δpi为各土层因降水产生的附加应力；Δhi为各土层的厚度。

在降水期间，降水面以下的土层通常不可能产生较明显的固结沉降，而降水面至原地下水位面之间的土层因排水固结，会在所增加的自重应力条件下产生较大沉降。因此，通常降水所引起的地面沉降即以这一部分沉降量为主，所以可采用式（6-5）的简易方法估算降水所造成的沉降值：

式中 ΔH——降水深度，为降水面和原地下水位面的深度差；

ΔP——降水产生的自重附加应力，，可取，其中γw为水的重度；

E1-2——降水深度范围内土层的压缩模量，可根据钻探试验资料，或查阅有关地基规范确定。

2.数值计算方法

结合现场抽水试验所确定的计算参数，采用数值模拟进行计算。数值计算方法中，应用比较广泛的有：有限差分法（FDM）、有限单元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限分析法（FAM）和有限体积法（FVM）。

在进行数值分析前，应先将潜水及承压含水层概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型，然后建立与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型：

式中，kxx，kyy，kzz分别为各向异性主方向渗透系数（m/d）；h为点（x，y，z）在t时刻的水头值（m）；W为源汇项（1/d）；h0为计算域初始水头值（m）；h1为第一类边界的水头值（m）；t为时间（d）；Γ1为第一类边界；Ω为计算域。对于承压含水层，E=S，S为储水系数；T=M，M为承压含水层单元体厚度（m）。对潜水含水层，E=Sy，Sy为给水度；T=B，B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度（m）。

对整个渗流区进行离散后，采用数值分析法将上述数学模型进行离散，根据研究区的含水层结构、边界条件和地下水流场特征，就可以得到数值模型，以此为基础编写计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布，将得出的周边地面沉降数值与群井抽水试验报告对比分析，最终确定周边地面的沉降。

经典的理论计算方法应用比较广泛，方法简便，但精度较低，一般仅可用于估算降水产生的周边地面沉降，但对于周边有历史建筑的基坑开挖工况，地面沉降控制较为严格，经典的理论计算方法显然已不能满足其精度要求，而且当遇到需要降低承压水层水头及设置回灌井等复杂情况时，计算参数选取及结果分析均要结合现场抽水试验，因此，虽然数值模拟结合现场抽水试验分析法计算较复杂，但是对于周边有历史建筑的基坑开挖工况，建议采用数值模拟结合现场抽水试验分析法。