市政深基坑工程引起的环境效应及防治措施分析

□文/刘 岩 闫卫喜

近年来，随着我国市政建设的发展，城市对空间需求的增大，地铁、轻轨、泵站、地下通道、广场等地下建筑物的建设越来越多，出现了大量深基坑工程。这些工程具有难度大、工期长、费用高及对周围环境影响大等问题，其中周边环境保护问题已经成为诸多问题中的重中之重，直接影响到工程整体的造价和安全。在深基坑工程施工过程中，保护邻近建筑的安全并保证其正常使用，减少环境效应影响，具有重大的经济效益和社会效益。

市政深基坑引起的环境效应及其机理分析

市政深基坑工程环境效应包括围护结构和工程桩施工、降低地下水位、基坑土方开挖各阶段对周围环境的影响。任何一个环节的失控或破坏都可能引起灾难性事故，其引起的环境效应表现为。

（1）围护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，施工过程中挤土效应将对邻近建（构）筑物及市政管线产生不良影响。

（2）基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响。

（3）因设计或基坑开挖时施工不当、基坑降水等其他原因造成围护体系破坏而导致边坡失稳、基坑隆起，甚至导致邻近建筑设施破坏。

（4）部分施工机械和工艺可能对周围环境产生施工噪声污染和环境卫生污染。

噪声污染、环境卫生污染和交通影响这些环境效应可以通过选择合理的施工机具、制定合理的施工措施来保障；而土体变化、基坑降水、围护结构发生变形和位移等引起的环境效应则比较复杂，控制不好往往会产生严重的安全事故，下面简要分析一下这些环境效应产生的机理。

（1）在基坑开挖时改变坑底原始应力状态，土体自重压力减小，基坑底面会产生一定的回弹变形，表现为坑底弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高，弹性隆起在基坑开挖停止后会迅速停止，基本不会引起坑外土体向坑内移动；随着开挖深度的增大，基坑内外高差所形成的加载和地面各种超载的作用使围护墙外侧土体向坑内移动，使坑底产生向上的塑性变形，其特征为两边大中间小的隆起状态。

（2）支撑物受破坏或锚杆体系抗拔力不足，拉杆自身断裂或拉杆及锚座的连接不牢等引起围护结构体系承载能力丧失，围护结构嵌入深度不足引起基坑隆起并使地基强度降低或丧失。

（3）基坑底面暴露时间过长，基坑积水增加粘性土的流变性，同时增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移，从而增加地表的沉降。

（4）基坑开挖降水后，水位降低减少了土中地下水对地面建筑物的浮力，使软弱土层受到压缩，在基坑周围产生较大的塑性区并引起地面沉降。

（5）降水过程中会随水流带走土层中部分细微土粒，引起周围地面沉降。

（6）采取降水深挖时，受水文地质条件影响，地下水动水压力或土压力过大导致止水帷幕漏水、围护结构渗漏或失稳，引起周围地面沉降。

各类沉降的发生必然会引起邻近建筑物的不均匀沉降，当不均匀沉降达到一定程度时，建筑物将发生开裂、倾斜甚至于倒塌现象。

防治措施

选择合适的围护结构

基坑围护结构具有两个主要功能：一是挡土，二是止水。围护结构主要分加固型，如水泥搅拌法、高压旋喷桩、注浆加固等；支挡型，如排桩、地下连续墙、沉井等；还有两种支护结合使用的混合型支护。传统的围护结构常选用板桩支撑系统或板桩锚拉系统，其优点是材料可以回收，但却存在着诸多致命的弱点，比如支撑往往是在开挖后施加的，拔出板桩时会引起无法避免的土体进一步变形。因此要根据各自的适用条件、工程地质及水文地质条件，结合工程性质、规模、抗渗要求等进行方案比选。通常选择既可挡土，又能防渗的支护结构，以节约工程造价。

天津地铁2、3号线的建设，结合地质、环境及车站结构特点，通过对地下连续墙、钻孔咬合桩、钻孔灌注桩加止水帷幕、连体桩以及SMW工法劲性水泥土搅拌桩等围护结构形式进行深入的技术、经济分析和比较后确定其围护原则。

（1）对于10 m左右的较浅基坑出入口、风道等宜优先选用SMW工法桩，其特点为止水性好、工期短、造价低。

（2）对于邻近重要建筑物或有地下管线需要保护的基坑，应优先选用技术性能较优的地下连续墙或钻孔咬合桩、连体桩等。

（3）如地下水具较强侵蚀性，需采取防水、防腐加强措施的车站不宜采用钻孔桩加截水帷幕的形式。

（4）基坑超深、桩长较长、邻近河道、基坑下部存在厚层粉土或粉砂承压水层、桩长范围内存在较厚的密实粉细砂层时应慎用钻孔咬合桩、连体桩以及钻孔桩止截水帷幕形式。

合理选用降水方案

基坑开挖时排降地下水方法很多，如明沟排水、井点排水、大口径井群排水等。这些方法各有技术经济优势，但也有一定的适用条件，即使是同一种方法也存在着布设密度、深度、排量等因素的影响。降水设计应体现以下目标。

（1）合理选择基坑降水井井位与降水量，使坑内水位至少低于开挖底板l m，坑外地下水压力坡降平缓。

（2）合理选择抽水井数量，使施工成本最低。

（3）合理制定运行方案，达到开挖期间以最少的抽水量保证基坑与环境最大限度的安全。

天津站交通枢纽工程主广场地下工程基坑长147 m，宽125 m，深14.5 m。中心岛部分尺寸为147 m×85 m，保留土体尺寸为每侧147 m×20 m。深基坑降水分为潜水和承压水。根据第一承压水含水层底板标高及厚度等值线，对承压含水层进行分区，不同的区域设计井深不同。见图1。

图1 天津站主广场基坑范围内第一承压含水层底板标高等值线

图1中，Ⅰ区井深为31 m，Ⅱ区井深为33 m，井底进入粉质粘土层，过滤器长度为5 m。根据水文地质报告进行降水试验，结合降水试验报告、工程开挖工况进行基坑降水方案的设计，确定降水井布置情况。

（1）潜水疏干井布置。降水井在基坑内呈网格状布置，根据土方开挖的顺序在基坑的东侧加密降水井，确保基坑开挖时能够保证干槽作业，井间距16 m。由于施工现场场地有限，当遇到地面无法成井的情况，可以采取相应的避让措施或增加井数减小井间距。

（2）降压井布置。在基坑内呈网格状布置，井间距30～43 m并在基坑内布置5眼降压井备用，平时兼做观测井使用。

加强基坑周边的建（构）筑物与管线的保护

当邻近建（构）筑物的基础部分（或全部）坐落在基坑开挖影响边界线范围内时，应采取措施避免或减少土体变形对建（构）筑物的影响，可在需保护的建（构）筑物与基坑挡土结构之间设置隔断体，隔断体可采用钻孔灌注桩、高压旋喷桩、深层搅拌桩、树根桩等构成墙体，其作用主要是承受施工引起的侧向土压力，也可起到阻挡局部水土可能出现的流失等作用。

提前做好管线的排查工作，布置适量监测点，对轻型管线可迁移至安全区域，或者直接开挖暴露，及时跟法迁移的大口径管线也可采用隔断法进行处理，当水平位移能满足要求而沉降不能满足要求时可采用注浆法处理并在施工过程中加强监测，注浆法的加固深度应大于影响边界线；对地下管线离基坑较远，但开挖后引起的位移或沉降又较大的情况，可在管线靠基坑一侧设置封闭桩（或隔离沟），为减小打桩挤土，封闭桩宜选用树根桩，也可采用钢板桩、槽钢等，施打时应控制打桩速率，封闭板桩（或隔离沟）离管线应保持一致距离，以免影响管线；对地下管线离基坑较近的情况，设置隔离桩或隔离沟既不易行也无明显效果，此时可采用管线架空的方法，管线架空后与围护墙后的土体基本分离，土体的位移与沉降对它影响很小，即使产生一定位移或沉降，还可对支承架进行调整复位。

运用时空效应控制基坑开挖过程

时空效应施工方法的特点是根据基坑规模、几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置，基坑地基加固和施工条件，按照分层、分块、对称、平衡、限时的原则确定施工方案。时空效应法强调设计与施工密切配合，可以克服设计与施工工况不符的矛盾，能可靠、合理地利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力，达到控制基坑周边地层位移以及保护环境的目的，同时降低开挖时的地基加固成本。

津滨轻轨中山门西段工程位于天津六纬路沿线，地面两侧主要建筑物有万隆中心大厦等建筑，车站全长198.9 m，区间段线路全长275.6 m，基坑深约17.5 m，宽度为20.5 m。围护结构采用800mm厚地下连续墙，地连墙深33 m。据勘察结果分析，该区段浅层地下水属孔隙潜水；一般水位埋深为1.10～1.52 m，水位高程为1.19～1.68 m，15 m以下粉土及粉砂含水层中的地下水具承压性，施工现场紧邻海河，地下水丰富，划分15个工程地质层，岩性主要为粘性土、粉土和粉砂。深基坑开挖运用时空效应原理，遵循分层、分段、先撑后挖，确定原则。

（1）第1层土方开挖，第1道支撑安置不允许拖延，以防止地连墙顶部在悬臂受力状态下产生较大位移和附近地面开裂，开挖前降土1.5 m，支撑，掏槽开挖。

（2）第2层及其以下各层均分小段开挖及支撑，每小段6 m，土方在16 h内开挖完成，在8 h内安装两根钢支撑并按设计要求施加预应力至设计轴力的23%~29%。

（3）分段基坑开挖完2 d内浇注混凝土垫层，7 d内浇注混凝土底板，减少基坑暴露时间，防止基坑变形。

基坑开挖工艺流程为围护结构施工→大口井布置及降水→基坑开挖至第1道钢支撑下0.5 m→安装第1道钢支撑→继续开挖至第2道钢支撑下0.5 m→安装第2道钢支撑→继续开挖至第3道钢支撑下0.5 m→安装第3道钢支撑→继续开挖至第4道钢支撑下0.5 m→安装第4道钢支撑→继续开挖至基底，进行基底处理，埋设接地网。基坑开挖至第2道支撑安装示意见图2，第3、4道支撑安装情况类似。

图2 基坑开挖至第2道支撑架设示意

实现信息化施工

施工监测是一项系统工程，监测工作的成效性与选用的监测方法和测点的布置有直接关系，要遵循可靠性、多层次原则，重点监测关键区，要方便使用、经济合理，通常实施步骤包括。

（1）沿线既有建筑物的现场实测和调研。对地下有关建筑物和构筑物的布设方式、结构形式以及目前的破坏状况进行调研。

（2）制定监测项目的计划和方案。根据监测方案及时布设监测点，在基坑开挖前获取监测数据初值并根据方案要求的频率进行监测。监测数据全部采用电子采集系统并将施工现场获得数据使用专用软件进行计算分析。

（3）对建筑物高程初始值的确认。

（4）传感器的埋设。

（5）施工监测。

（6）信息传输。所有现场测得的数据，要通过自动或人工的形式，及时安全地传送到数据库系统中，以便按时提供可靠的结果。

（7）将现场测得数据的分析结果和预测，形成定期简报。

结语

深基坑工程施工引起的环境效应是一个复杂的动态系统，需要在多个方面进行深入研究，严格控制每一个环节，不能有丝毫的放松。在保证各项措施制定合理、实施到位的基础上，还应进一步探索如何对深基坑工程引起的环境效应作出一个定量的评估。

［1］龚晓南.深基坑工程设计施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［2］王卫东，王建华.深基坑支护结构与主体结构：相结合的设计、分析与实例［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］施占新.深基坑工程设计及环境效应的研究［D］.南京：东南大学，2001.

［4］徐新跃，黄凌云.深基坑开挖引起的环境效应及防治措施［A］.岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集［C］.西安：2002.

［5］殷 波.天津地铁2号、3号线围护结构选型研究［J］.铁道标准设计，2006，（8）：73-76.