降水作业对周边岩土环境的影响及防护措施研究

李泽清

身份证：511221198207117354

摘要

在深基坑开挖、地下空间开发、市政隧道施工等岩土工程建设中，人工降水是控制地下水位、改善作业条件、保障基坑干燥稳定、规避突水涌砂风险的核心辅助工序。通过降水井抽水、疏干排水、承压水减压等作业方式，可有效降低基坑内部地下水位，提升土体固结强度，为土方开挖与支护施工创造安全工况。但大面积、大降幅、长时间的强制降水作业，会打破区域地下水原始渗流平衡，引发周边岩土体应力重组、孔隙水压力消散、土体固结压缩等一系列地质响应，极易造成周边地面沉降、岩土体开裂、地层不均匀变形、流土管涌、边坡失稳等岩土环境病害，进而威胁邻近建（构）筑物、地下管线、道路路基的结构安全与使用性能。

关键词：降水作业；岩土环境；渗流变形；地面沉降；岩土失稳；防护措施

一、引言

随着我国城市基础设施建设持续推进，高层建筑、地下车库、综合管廊、地铁隧道等地下工程建设规模不断扩大，深基坑工程呈现深度大、面积广、周边环境复杂、地层条件多样的显著特征。多数城市建设区域浅层分布软土、粉土、砂层等透水含水地层，地下水丰富、水位埋深浅、渗流特性复杂，若施工前未开展有效降水控水，基坑开挖过程中极易出现积水涌水、土体软化、边坡滑移、基底隆起、流砂管涌等安全隐患，严重制约施工进度与工程安全。因此，人工降水作业已成为地下岩土工程施工不可或缺的关键工序。

二、降水作业施工基本原理与工艺特征

2.1 降水作业核心原理

人工降水作业的核心原理是通过在基坑周边或内部布设降水井、滤水管、疏干通道，利用抽水设备强制抽取地层地下水，人为改变区域地下水水位与渗流场分布，使基坑开挖范围内的地下水位降至作业面以下，实现土体疏干、地层固结、水压卸载。对于浅层潜水地层，主要通过疏干降水降低浅层含水量，改善土体物理力学性能；对于深部承压水地层，主要通过减压降水削弱承压水顶托力，防止基坑基底隆起、突水涌砂灾害。降水作业完成后，基坑范围内土体孔隙水压力消散，有效应力提升，土体抗剪强度、密实度与整体稳定性显著增强，可有效满足土方开挖、支护施工、结构浇筑的作业要求。

2.2 常用降水工艺及适用特征

当前岩土工程常用降水工艺包含轻型井点降水、深井井点降水、喷射井点降水、管井减压降水等类型，不同工艺的降水深度、扰动范围、适用地层存在明显差异，对周边岩土环境的影响程度也各不相同。轻型井点降水适用于浅层潜水、粉土砂土地层，降水幅度小、影响范围相对可控；深井管井降水适用于深基坑、厚层含水砂层、承压水地层，降水幅度大、抽水流量高，地下水渗流扰动范围更广，对周边岩土环境的影响更为显著。整体而言，降水深度越大、降水时长越久、单井抽水量越高，区域地下水降幅越明显，周边岩土体应力与变形响应越剧烈，环境扰动风险越高。

三、降水作业对周边岩土环境的影响机理

3.1 地下水渗流场失衡机理

天然状态下，区域地下水处于动态平衡状态，渗流速度、水力梯度、水位分布保持相对稳定，岩土体长期适应原始水文地质环境，结构状态稳定。人工降水作业属于强制性水文干预行为，集中抽水会在基坑周边形成区域性地下水降落漏斗，基坑内部水位大幅下降，坑外水位缓慢递减，形成由外向内的水力梯度，打破原有渗流平衡。随着降水持续进行，降落漏斗范围不断向外拓展，周边大范围地下水向基坑内部渗流补给，地层渗流路径、渗流速度、水流方向发生持续性改变。非均质土层中不同渗透系数的地层会产生差异化渗流响应，局部区域出现紊流、集中渗流现象，进一步加剧地下水环境紊乱，为岩土体变形与病害发育提供水文条件。

3.2 岩土体应力重组与固结变形机理

根据有效应力原理，土体总应力保持恒定状态下，孔隙水压力降低会直接导致土体有效应力增大。降水作业引发地下水位下降，岩土体孔隙水压力持续消散，原本由水体承担的应力转移至土体骨架，土体有效应力显著提升，促使土体颗粒重新排列、孔隙压缩、体积收缩，最终产生固结沉降变形。浅层软土、粉砂、杂填土等软弱地层孔隙率高、压缩性大、固结敏感性强，水位下降后沉降变形更为显著；地层不同位置水位降幅不均、土体性质差异较大，会引发不均匀固结沉降，造成地面倾斜、岩土体开裂、地层错动等病害。同时，深部承压水降水会降低含水层水压，引发上覆土层整体沉降，影响范围更广、沉降持续时间更长。

四、降水作业引发的周边岩土环境典型病害

4.1 区域性地面不均匀沉降

地面不均匀沉降是降水作业最普遍、最核心的岩土环境病害。受地层分层差异、降水梯度不均、抽水时长不同的影响，基坑周边不同区域土体固结沉降量存在明显差值，形成不均匀沉降变形。沉降差值过大会造成地表开裂、路面破损、地面倾斜，同时导致邻近建筑物基础不均匀沉降，引发墙体开裂、结构倾斜、构件变形等问题。相较于均匀沉降，不均匀沉降对岩土环境与建构筑物的破坏性更强，也是城市基坑施工中最常见的环境风险隐患。

4.2 地层渗透破坏与土体流失

在粉砂、细砂、粉质砂土等透水地层中，降水引发的高强度渗流极易诱发渗透破坏病害。当水力梯度超过土体临界渗透梯度时，细小土颗粒被水流带走，形成管涌、流土、潜蚀等病害，造成地下土体空洞、地层架空，后期极易突发地面塌陷、局部沉陷。土体持续流失会破坏原有地层结构，降低地基承载力，导致周边岩土环境彻底失稳，对地下管线、浅基础建筑造成不可逆损伤。

五、降水作业岩土环境防护与风险防控措施

5.1 精细化降水优化设计，从源头降低扰动

源头管控是减少降水对岩土环境扰动的核心手段。施工前需结合勘察报告精准研判地层分布、含水层埋深、渗透系数、地下水补给条件，根据基坑尺寸、开挖深度、周边环境复杂度，编制差异化、精细化降水专项方案，杜绝粗放式、超量降水施工。优化降水井布置形式，采用“坑内降水、坑外控水”模式，减少坑外抽水点位，缩小地下水降落漏斗影响范围；合理控制单井抽水量、降水速率与降水深度，遵循“分级降水、缓慢控水、按需降水”原则，避免水位骤降、快速渗流引发的土体剧烈变形。针对承压水地层，采用减压降水替代完全疏干降水，在满足施工安全的前提下最大限度保留地层水压，降低土体固结沉降幅度。

5.2 布设截水隔水体系，阻断渗流扰动路径

针对周边环境敏感、地层渗透性强的施工区域，需配套布设止水帷幕、隔水墙体、防渗帷幕等截水结构，阻断坑内外地下水渗流通道，抑制坑外地下水向内补给，大幅削弱降水对周边岩土体的水文扰动。常用隔水结构包含地下连续墙、深层搅拌桩止水帷幕、高压旋喷防渗墙等，可根据地层条件选择落地式或悬挂式隔水体系，落地式帷幕可完全隔断含水层水力联系，控水效果最优；悬挂式帷幕适用于厚层含水地层，搭配坑内减压降水可实现安全控水。隔水结构可有效锁定坑外地下水水位，避免大范围水位下降，从根本上减少周边土体固结沉降与渗透破坏。

六、结论

人工降水作业是地下岩土工程施工的关键工序，但其引发的地下水渗流场失衡、土体应力重组、地层固结变形、岩土结构劣化等系列响应，会对周边岩土环境造成显著扰动，诱发地面不均匀沉降、土体渗透破坏、边坡失稳、地下水生态失衡等典型病害，严重威胁周边建构筑物、市政设施与地层环境安全。本文通过系统分析降水作业的施工原理、环境影响机理与病害发育特征，明确了岩土环境损伤的核心诱因是水位骤变、渗流紊乱与应力失衡。为此，需构建“源头优化、隔水控渗、回灌补偿、地层加固、动态监测”“五位一体”的综合防护体系，通过精细化降水设计减少原生扰动，依托截水隔水与回灌技术平衡地下水环境，通过地层加固提升岩土稳定性，依托全过程监测实现风险动态管控。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑深基坑工程施工安全技术规范(JGJ311-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 王卫东.软土深基坑变形及环境影响分析方法与控制技术[J].岩土工程学报,2023,45(11):1-9.

[3] 严学新,王寒梅.深基坑减压降水地面沉降规律及防控技术研究[J].中国地质调查,2019,6(01):67-73.

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