市政深基坑工程引起的環境效應及防治措施分析

□文/劉 巖 閆衛喜

近年來，隨著我國市政建設的發展，城市對空間需求的增大，地鐵、輕軌、泵站、地下通道、廣場等地下建筑物的建設越來越多，出現了大量深基坑工程。這些工程具有難度大、工期長、費用高及對周圍環境影響大等問題，其中周邊環境保護問題已經成為諸多問題中的重中之重，直接影響到工程整體的造價和安全。在深基坑工程施工過程中，保護鄰近建筑的安全并保證其正常使用，減少環境效應影響，具有重大的經濟效益和社會效益。

市政深基坑引起的環境效應及其機理分析

市政深基坑工程環境效應包括圍護結構和工程樁施工、降低地下水位、基坑土方開挖各階段對周圍環境的影響。任何一個環節的失控或破壞都可能引起災難性事故，其引起的環境效應表現為。

（1）圍護結構和工程樁若采用擠土樁或部分擠土樁，施工過程中擠土效應將對鄰近建（構）筑物及市政管線產生不良影響。

（2）基坑開挖土方運輸可能對周圍交通運輸產生不良影響。

（3）因設計或基坑開挖時施工不當、基坑降水等其他原因造成圍護體系破壞而導致邊坡失穩、基坑隆起，甚至導致鄰近建筑設施破壞。

（4）部分施工機械和工藝可能對周圍環境產生施工噪聲污染和環境衛生污染。

噪聲污染、環境衛生污染和交通影響這些環境效應可以通過選擇合理的施工機具、制定合理的施工措施來保障；而土體變化、基坑降水、圍護結構發生變形和位移等引起的環境效應則比較復雜，控制不好往往會產生嚴重的安全事故，下面簡要分析一下這些環境效應產生的機理。

（1）在基坑開挖時改變坑底原始應力狀態，土體自重壓力減小，基坑底面會產生一定的回彈變形，表現為坑底彈性隆起，其特征為坑底中部隆起最高，彈性隆起在基坑開挖停止后會迅速停止，基本不會引起坑外土體向坑內移動；隨著開挖深度的增大，基坑內外高差所形成的加載和地面各種超載的作用使圍護墻外側土體向坑內移動，使坑底產生向上的塑性變形，其特征為兩邊大中間小的隆起狀態。

（2）支撐物受破壞或錨桿體系抗拔力不足，拉桿自身斷裂或拉桿及錨座的連接不牢等引起圍護結構體系承載能力喪失，圍護結構嵌入深度不足引起基坑隆起并使地基強度降低或喪失。

（3）基坑底面暴露時間過長，基坑積水增加粘性土的流變性，同時增大墻體被動壓力區的土體位移和墻外土體向坑內的位移，從而增加地表的沉降。

（4）基坑開挖降水后，水位降低減少了土中地下水對地面建筑物的浮力，使軟弱土層受到壓縮，在基坑周圍產生較大的塑性區并引起地面沉降。

（5）降水過程中會隨水流帶走土層中部分細微土粒，引起周圍地面沉降。

（6）采取降水深挖時，受水文地質條件影響，地下水動水壓力或土壓力過大導致止水帷幕漏水、圍護結構滲漏或失穩，引起周圍地面沉降。

各類沉降的發生必然會引起鄰近建筑物的不均勻沉降，當不均勻沉降達到一定程度時，建筑物將發生開裂、傾斜甚至于倒塌現象。

防治措施

選擇合適的圍護結構

基坑圍護結構具有兩個主要功能：一是擋土，二是止水。圍護結構主要分加固型，如水泥攪拌法、高壓旋噴樁、注漿加固等；支擋型，如排樁、地下連續墻、沉井等；還有兩種支護結合使用的混合型支護。傳統的圍護結構常選用板樁支撐系統或板樁錨拉系統，其優點是材料可以回收，但卻存在著諸多致命的弱點，比如支撐往往是在開挖后施加的，拔出板樁時會引起無法避免的土體進一步變形。因此要根據各自的適用條件、工程地質及水文地質條件，結合工程性質、規模、抗滲要求等進行方案比選。通常選擇既可擋土，又能防滲的支護結構，以節約工程造價。

天津地鐵2、3號線的建設，結合地質、環境及車站結構特點，通過對地下連續墻、鉆孔咬合樁、鉆孔灌注樁加止水帷幕、連體樁以及SMW工法勁性水泥土攪拌樁等圍護結構形式進行深入的技術、經濟分析和比較后確定其圍護原則。

（1）對于10 m左右的較淺基坑出入口、風道等宜優先選用SMW工法樁，其特點為止水性好、工期短、造價低。

（2）對于鄰近重要建筑物或有地下管線需要保護的基坑，應優先選用技術性能較優的地下連續墻或鉆孔咬合樁、連體樁等。

（3）如地下水具較強侵蝕性，需采取防水、防腐加強措施的車站不宜采用鉆孔樁加截水帷幕的形式。

（4）基坑超深、樁長較長、鄰近河道、基坑下部存在厚層粉土或粉砂承壓水層、樁長范圍內存在較厚的密實粉細砂層時應慎用鉆孔咬合樁、連體樁以及鉆孔樁止截水帷幕形式。

合理選用降水方案

基坑開挖時排降地下水方法很多，如明溝排水、井點排水、大口徑井群排水等。這些方法各有技術經濟優勢，但也有一定的適用條件，即使是同一種方法也存在著布設密度、深度、排量等因素的影響。降水設計應體現以下目標。

（1）合理選擇基坑降水井井位與降水量，使坑內水位至少低于開挖底板l m，坑外地下水壓力坡降平緩。

（2）合理選擇抽水井數量，使施工成本最低。

（3）合理制定運行方案，達到開挖期間以最少的抽水量保證基坑與環境最大限度的安全。

天津站交通樞紐工程主廣場地下工程基坑長147 m，寬125 m，深14.5 m。中心島部分尺寸為147 m×85 m，保留土體尺寸為每側147 m×20 m。深基坑降水分為潛水和承壓水。根據第一承壓水含水層底板標高及厚度等值線，對承壓含水層進行分區，不同的區域設計井深不同。見圖1。

圖1 天津站主廣場基坑范圍內第一承壓含水層底板標高等值線

圖1中，Ⅰ區井深為31 m，Ⅱ區井深為33 m，井底進入粉質粘土層，過濾器長度為5 m。根據水文地質報告進行降水試驗，結合降水試驗報告、工程開挖工況進行基坑降水方案的設計，確定降水井布置情況。

（1）潛水疏干井布置。降水井在基坑內呈網格狀布置，根據土方開挖的順序在基坑的東側加密降水井，確?；娱_挖時能夠保證干槽作業，井間距16 m。由于施工現場場地有限，當遇到地面無法成井的情況，可以采取相應的避讓措施或增加井數減小井間距。

（2）降壓井布置。在基坑內呈網格狀布置，井間距30～43 m并在基坑內布置5眼降壓井備用，平時兼做觀測井使用。

加強基坑周邊的建（構）筑物與管線的保護

當鄰近建（構）筑物的基礎部分（或全部）坐落在基坑開挖影響邊界線范圍內時，應采取措施避免或減少土體變形對建（構）筑物的影響，可在需保護的建（構）筑物與基坑擋土結構之間設置隔斷體，隔斷體可采用鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、深層攪拌樁、樹根樁等構成墻體，其作用主要是承受施工引起的側向土壓力，也可起到阻擋局部水土可能出現的流失等作用。

提前做好管線的排查工作，布置適量監測點，對輕型管線可遷移至安全區域，或者直接開挖暴露，及時跟法遷移的大口徑管線也可采用隔斷法進行處理，當水平位移能滿足要求而沉降不能滿足要求時可采用注漿法處理并在施工過程中加強監測，注漿法的加固深度應大于影響邊界線；對地下管線離基坑較遠，但開挖后引起的位移或沉降又較大的情況，可在管線靠基坑一側設置封閉樁（或隔離溝），為減小打樁擠土，封閉樁宜選用樹根樁，也可采用鋼板樁、槽鋼等，施打時應控制打樁速率，封閉板樁（或隔離溝）離管線應保持一致距離，以免影響管線；對地下管線離基坑較近的情況，設置隔離樁或隔離溝既不易行也無明顯效果，此時可采用管線架空的方法，管線架空后與圍護墻后的土體基本分離，土體的位移與沉降對它影響很小，即使產生一定位移或沉降，還可對支承架進行調整復位。

運用時空效應控制基坑開挖過程

時空效應施工方法的特點是根據基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置，基坑地基加固和施工條件，按照分層、分塊、對稱、平衡、限時的原則確定施工方案。時空效應法強調設計與施工密切配合，可以克服設計與施工工況不符的矛盾，能可靠、合理地利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力，達到控制基坑周邊地層位移以及保護環境的目的，同時降低開挖時的地基加固成本。

津濱輕軌中山門西段工程位于天津六緯路沿線，地面兩側主要建筑物有萬隆中心大廈等建筑，車站全長198.9 m，區間段線路全長275.6 m，基坑深約17.5 m，寬度為20.5 m。圍護結構采用800mm厚地下連續墻，地連墻深33 m。據勘察結果分析，該區段淺層地下水屬孔隙潛水；一般水位埋深為1.10～1.52 m，水位高程為1.19～1.68 m，15 m以下粉土及粉砂含水層中的地下水具承壓性，施工現場緊鄰海河，地下水豐富，劃分15個工程地質層，巖性主要為粘性土、粉土和粉砂。深基坑開挖運用時空效應原理，遵循分層、分段、先撐后挖，確定原則。

（1）第1層土方開挖，第1道支撐安置不允許拖延，以防止地連墻頂部在懸臂受力狀態下產生較大位移和附近地面開裂，開挖前降土1.5 m，支撐，掏槽開挖。

（2）第2層及其以下各層均分小段開挖及支撐，每小段6 m，土方在16 h內開挖完成，在8 h內安裝兩根鋼支撐并按設計要求施加預應力至設計軸力的23%~29%。

（3）分段基坑開挖完2 d內澆注混凝土墊層，7 d內澆注混凝土底板，減少基坑暴露時間，防止基坑變形。

基坑開挖工藝流程為圍護結構施工→大口井布置及降水→基坑開挖至第1道鋼支撐下0.5 m→安裝第1道鋼支撐→繼續開挖至第2道鋼支撐下0.5 m→安裝第2道鋼支撐→繼續開挖至第3道鋼支撐下0.5 m→安裝第3道鋼支撐→繼續開挖至第4道鋼支撐下0.5 m→安裝第4道鋼支撐→繼續開挖至基底，進行基底處理，埋設接地網?；娱_挖至第2道支撐安裝示意見圖2，第3、4道支撐安裝情況類似。

圖2 基坑開挖至第2道支撐架設示意

實現信息化施工

施工監測是一項系統工程，監測工作的成效性與選用的監測方法和測點的布置有直接關系，要遵循可靠性、多層次原則，重點監測關鍵區，要方便使用、經濟合理，通常實施步驟包括。

（1）沿線既有建筑物的現場實測和調研。對地下有關建筑物和構筑物的布設方式、結構形式以及目前的破壞狀況進行調研。

（2）制定監測項目的計劃和方案。根據監測方案及時布設監測點，在基坑開挖前獲取監測數據初值并根據方案要求的頻率進行監測。監測數據全部采用電子采集系統并將施工現場獲得數據使用專用軟件進行計算分析。

（3）對建筑物高程初始值的確認。

（4）傳感器的埋設。

（5）施工監測。

（6）信息傳輸。所有現場測得的數據，要通過自動或人工的形式，及時安全地傳送到數據庫系統中，以便按時提供可靠的結果。

（7）將現場測得數據的分析結果和預測，形成定期簡報。

結語

深基坑工程施工引起的環境效應是一個復雜的動態系統，需要在多個方面進行深入研究，嚴格控制每一個環節，不能有絲毫的放松。在保證各項措施制定合理、實施到位的基礎上，還應進一步探索如何對深基坑工程引起的環境效應作出一個定量的評估。

［1］龔曉南.深基坑工程設計施工手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.

［2］王衛東，王建華.深基坑支護結構與主體結構：相結合的設計、分析與實例［M］.北京：機械工業出版社，2007.

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［4］徐新躍，黃凌云.深基坑開挖引起的環境效應及防治措施［A］.巖石力學新進展與西部開發中的巖土工程問題——中國巖石力學與工程學會第七次學術大會論文集［C］.西安：2002.

［5］殷 波.天津地鐵2號、3號線圍護結構選型研究［J］.鐵道標準設計，2006，（8）：73-76.