基坑工程與地下工程安全及環境影響控制

（四川川交路橋有限責任公司，青海 海北州 810400）

基坑工程與地下工程屬于大型工程中的重要環節，例如城市修建地下車站或地鐵等公共設施時，需考慮到此類基坑多處于繁華地段且周圍存在建筑物，在基坑開挖時必須考慮到對周邊建筑物穩定性的影響以及開挖過程中降水對土體有效應力及物理力學性質的影響[1]，可能出現支護結構不穩定、地表沉降等危險，對鄰近管線及建筑均可能產生負性影響[2]。本文以基坑工程與地下工程建設為切入點，研究了此類工程安全及環境影響的控制。

1 基坑工程與地下工程發展現狀

近年來隨著城市建設用地緊張度的不斷增加，地下空間的開發與有效利用成為了城市建設不可或缺的環節。隨著基坑挖掘深度的加大，建設難度也會隨之顯著增加，尤其在現如今不少基坑工程深度已達到地下30 米左右且規模明顯增大。施工過程中會遇到多種問題，影響著基坑的穩固性以及工程的整體質量安全。

現如今城市的建設發展中基坑開挖大多會受到原有地鐵隧道、地下管線、鐵路、周邊建筑的影響，開挖過程中可能引起周圍土體應力場變化，繼而影響土體結構穩定性，這是造成周邊地下管線、道路、建筑物受力不均勻、出現開裂破壞、結構沉降等危險的主要原因[3]。除此之外，下水的控制也在深基坑開挖中受到重視，基坑深度的增加需要嚴格考慮承壓水的有效控制，否則一旦發生水土流失或坑底突涌問題，將直接造成工程破壞甚至人員傷亡。

2 安全隱患及環境影響類別及控制措施

2.1 變形控制問題

我國上世紀中后期基坑周圍環境相對較為簡單，在基坑工程變形控制方面只需強調基坑穩定控制即可，大多以旋臂和放坡為主要支護方式，即便需要設置錨桿或水平支撐，大多也是出于保障穩定性并減少結構內力的目的。隨著城市的發展，當前我國深基坑周圍大多環境變得復雜，尤其是軟土地區穩定性及工程變形控制難度明顯增大[4]。城市發展下，基坑工程與地下工程大多處于城市中心位置，其附近存在地下管線、城市道路、建筑物、地鐵隧道等，環境效應極強。在開挖過程中，周圍土體應力場的變化可能直接造成土體出現變形而導致周圍地下管線道路或建筑物開裂破壞、不均勻沉降，直接導致安全性受到影響，因此此類地區的深基坑設計風險高難度大且對變形控制有著嚴格要求[5]。由于深基坑施工可能造成區域性沉降、臨近處變形以及基坑內變形，因此環境變形控制要求及精度顯著提升，尤其是高鐵、機場、地鐵之類的環境條件，精度已經控制到毫米級別。在設計與施工中均需認識到基坑工程與地下工程的變形控制屬于復雜、動態狀態，變形控制必須不斷嚴格。

基坑工程與地下工程在施工過程中應用的盾構法隧道施工可能引起變形控制，在施工期間盾尾注漿施工、盾構機姿態、千斤頂頂推力、土倉壓力等參數處于不斷變化狀態，盾構隧道通過不同施工精度、不同施工工藝、不同土層條件均可能造成加固土體和地層損失的性質產生明顯離散性，對地表沉降的有效控制及合理預測加大難度[6]。對于當前城市建設中應用盾構法隧道施工而言，其最可能出現的負性影響在于施工過程中管線及道路錯綜復雜且建筑物密集，尤其處于城市中心區域時，該施工的環境敏感度高，需考慮到各種因素的影響，尤其是建設時間較長的道路、周邊存在古老建筑、原有管線錯綜復雜情況，此類區域土層抵抗變形的承受能力會明顯下滑[7]。在盾構法施工期間承受能力會極大減弱，因此必須對盾構法施工涉及到的各項參數數據精細化管理。

2.2 水平支撐體系冗余度問題

城市建設規模的逐步加大背景下，基坑開挖深度呈現明顯加大趨勢，數十米基坑現如今已經并不罕見。隨著城市對地鐵建設的需求不斷攀升以及人們對高層樓房居住環境要求的不斷提升，基坑開挖深度進一步延伸，基坑規模大幅增長。

傳統建設基坑工程與地下工程中涉及到的基坑水平支撐理論是建立在構建強度設計基礎之上的，整個支撐體系的冗余度無法有效保障，因此水平支撐結構可能會受到局部破壞的影響而出現連續性破壞。以冗余度形式水平支撐體系為例，不同環梁支撐平面布置方案下的連續破壞及冗余度存在差異。通過模擬局部構建破壞時水平支撐結構體系的變化情況確定了其整體破壞荷載，在此基礎上提出了綜合冗余度因子這一概念，也就是在綜合考慮水平支撐設計荷載冗余度基礎上設定相關評價指標。

2.3 大長度基坑連續破壞

基坑工程與地下工程早期開挖深度不大時穩定性方面基本處于可控狀態，但若開挖深度較大，基坑失穩機理則會受到更多因素影響。當開挖深度達到20 米以上，軟土地區基坑支護體系則變得逐漸復雜，存在多道水平支撐體系以及地下連續墻體系。加上基坑內外人工進行的土體加固，此時基坑的穩定性破壞因素較多，支護結構、地下水、土壤的耦合作用體系中某一環節或部分失效均可能引發穩定性受損而導致大規模垮塌[8]。在一些基坑垮塌案例中，支護結構連續垮塌大多為垮塌一定范圍后終止，并不會沿著基坑長度無限制垮塌。當前基坑基于平面問題破壞模式已經無法反映深基坑的連續破壞機理以及特點，必須對連續破壞的演變機理深入研究，假設引發連續破壞的各項因素及傳遞發展機理。從沿著基坑長度、寬度、深度等多方面展開研究并建立連續倒塌可能性的評價方法及量化評價指標，設計出防止基坑結構連續倒塌的有效施工方法。

大長度基坑連續破壞類型指的是基坑沿著長度方向出現連續性破壞，大多由局部破壞引發，可能出現數十米甚至百米以上的破壞事故且呈現明顯連續性。由局部破壞引發大規模連續破壞不僅會造成工期的延長，還可能出現較大安全事故。相關研究者對懸臂排樁支護基坑局部支護樁破壞倒塌展開試驗模型設計，研究了支護結構內力變化以及局部破壞引發的土壓力相關規律，結果顯示基坑局部破壞或垮塌會造成鄰近樁的內力在短時間內突然增大，坑外土體向基坑中滑落導致臨近支護結構主動區卸載，此時荷載過程處于延后狀態。研究者通過對荷載傳遞系數的分析認定局部破壞會造成其相鄰不同位置的其它樁內力倍數提高，其它相鄰樁的安全系數以及承載力直接關系到連續破壞的發展程度及發生率。除此之外，基坑施工盾構掘進過程中需注意地面隆陷的預防，以免造成周圍建筑物受到破壞甚至引發社會群體事件。在此方面，首先需確定施工參數，詳細了解盾構正面土壓力，確保泥水壓力比工作面土壓力略大來保障工作面平衡以及掘進穩定性。其次注意地層損失的控制，避免大角度糾偏造成地層損失。第三，需注意水土流失的預防，可通過多道止水帶提升盾尾密封性，加強盾尾注漿，避免淺層覆土盾構水土流失。最后，可通過跟蹤注漿方式降低后期沉降發生率。

2.4 地下水控制

基坑深度的增加造成基坑開挖過程中承壓水控制難度逐漸加大，甚至成為了對基坑開挖的制約性問題。由于承壓水而引發流土或坑底突涌危險造成的安全事故近年來并不罕見，一旦發生流土或坑底突涌往往難以在短時間內有效控制，極易引起人員傷亡。另外，若承壓含水層分布厚度加大，即便采用超深止水帷幕或較深的地下連續墻也難以決斷。承壓含水層抽水降壓將直接影響到周圍環境以及工程安全，尤其對于大城市地區或新地區建設中，某個局部區域可能存在多個基坑施工。在施工過程中承壓水大量抽降極易引發坑內地下水位大幅下降，這是造成地層大范圍沉降的重點因素。因此在基坑工程及地下工程施工時必須注意承壓水抽降的有效控制，盡可能降低流土及坑底突涌發生率。

除此之外，地下工程漏水漏砂災害也會直接造成工程安全性受到影響。此類災害大多由地下水引發，尤其在隧道工程施工中盾構施工中盾尾與螺旋輸送機涌水涌砂引起盾構機入洞出洞過程中對地下連續墻造成破壞引發安全事故，或管片張開量過大引發安全事故。相對而言，涌水涌砂事故多發生于在土壓平衡盾構或盾尾的螺旋輸送機出口，主要因盾構機姿態偏差或盾尾密封不嚴造成；螺旋輸送機噴涌大多因水壓過大或富水砂層土體改良效果未達標造成；施工過程中采用注漿法或凍結法進行土體加固，可能造成涌水涌砂事故。漏水漏沙災害的控制方面，需嚴防縫隙或孔洞的進一步發展，嚴格控制管片接縫張開程度；對于土體流失松動區采用水玻璃水泥雙液漿之類的快凝漿液進行注漿加固，避免慢凝漿液無法達到有效堵漏效果。

2.5 承重支架搭設風險

在基坑工程與地下工程施工過程中，承重支架屬于重要施工輔助舉措，一旦支架出現穩定度下滑甚至垮塌情況，將直接造成人員施工風險事故。因此首先需對支架搭設單位的資質展開詳細審查，且搭設支架人員必須持證上崗、經過專業培訓，根據基坑工程及地下工程需搭設支架的面積、基坑深度、土體穩定度等合理設置搭設方案，由專家及技術負責人綜合評審后方可實施搭設。腳手架以及承重支架使用到的扣件、鋼管等均需提供力學實驗報告，確保材料合格。所有鋼管的厚度必須嚴格審查，鋼管應順直且鋼管表面不存在孔洞、彎折、裂紋、凹凸等缺陷。承重支架搭設過程中必須對下層樓板、基礎等支撐結構物的混凝土強度嚴格檢查，確保其能夠承受現澆混凝土支架以及模板的綜合重量。搭設期間應確保承重支架的布局橫距、縱距符合設計參數，要求監理人員全程監督。在承重支架搭設完成后必須由施工單位技術人員及工程監理安全管理人員組織詳細驗收并進行壓載試驗。若基坑深度過大，需搭設的承重支架較復雜，在澆筑混凝土時必須督促施工單位跟蹤測量承重支架變形情況，及時發現安全隱患。承重支架拆除方面，必須在保障現澆混凝土強度達到設計標準后才可拆除支架，并督促施工單位進行安全技術交底，拆除過程中設置防護區域并做好警示標識，注意施工現場安全監護。

2.6 有害氣體問題

有害氣體大多出現于地鐵工程中，是典型的基坑工程與地下工程。此類工程在挖掘過程中可能因預先檢測不足或施工期間通風不當而造成有毒有害氣體泄漏，部分地區軟土地層在挖掘過程中可能存在淺層可燃氣體泄漏情況，若控制不當極易造成人員中毒甚至爆炸事故。

有害氣體預防方面，首先可通過每日檢測預防有害氣體滲漏，檢測盾構機頭部可燃氣體濃度，若濃度過大應采取稀釋等方式降低濃度，保障掘進安全性，控制隧道內有害氣體含量；其次，應注重地下施工通風有效性，在盾構推進環節必須良好通風，保障隧道空氣新鮮。最后，掘進過程中應做好防爆、防燃、防毒等安全措施，并保障地下施工氧氣有效含量。

3 結束語

隨著城市建設的發展，基坑工程與地下工程數量呈不斷增多趨勢，此類工程在設計、建設等方面相較于普通工程具有顯著特殊性，因此必須更重視工程安全及環境影響控制。工程管理方應統籌影響施工安全各因素及環境影響類別，有針對性的提升預見性，保障工程安全進展。