地鐵車站基坑開挖施工對周邊環境的影響

王國林,于富來,柳 策,劉智超,蘇 濤,管萌威,王振洋,薛習孜,包巖峰

(1.中鐵上海工程局集團市政環保工程有限公司，上海 201906；2.沈陽工業大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870；3.沈陽地鐵集團有限公司，沈陽 110000)

近年來，隨著我國城市化水平不斷提高，汽車逐漸普及化，導致出行問題成為制約城市發展的熱點問題。由于城市有限的地面空間無法滿足人們對出行的需求，因此地下軌道的建設迫在眉睫。在如今的城市競爭當中，北、上、廣、深等大都市圈軌道交通的建設打開了新一輪的城市競爭的新格局[1]。在軌道交通發展過程中，地鐵車站基坑的建設成為了軌道交通發展過程中關注的重點。基坑的建設呈現大、緊、深、近等特點，這就在基坑的建設技術與安全方面，提出了更高的要求。基坑開挖是地鐵車站施工過程中的重要環節，在土體開挖卸載過程中會對基坑本身及周邊環境產生一定的影響。由于地鐵車站往往位于繁華地帶，其施工主要難點在于對周邊環境影響控制，一旦稍有不當就會產生嚴重的影響，因此研究基坑開挖施工對周邊環境影響情況具有十分重要的意義。

1 開挖施工對周邊環境的影響研究

基坑開挖過程中由于存在時間及空間效應的影響，導致該施工過程中會對周邊環境產生一定的波動，而目前對于基坑開挖環境影響研究主要是對不同地質土層情況下基坑開挖全過程對周邊環境影響情況的規律總結。開挖施工引起的周邊環境變形風險主要有周邊地表沉降、鄰近建筑物的不均勻沉降、相鄰地鐵隧道及地下管線的位移變形等方面[2]。基坑施工過程中的風險變形方面研究主要以數值模擬和實時監測方法為主，在隧道管線變形研究中部分通過離心模型試驗與數值模擬相結合的方法。

1.1 地表沉降變形的影響研究

基坑開挖會使基坑周圍土體產生不均勻的沉降變形。從沉降大小及范圍上看，導致基坑沉降因素主要有基坑圍護結構剛度大小、地下水位情況、地下土層性質、地基處理方法等。從沉降曲線的形狀上看，基坑周邊地表沉降主要分為三角形沉降和凹槽型沉降。查閱相關資料可知，近年來北京、南京、天津等地數十起基坑事故都由于地層變形過大導致地面及周邊建筑物發生嚴重破壞，由此可見，地表沉降過大不僅影響基坑施工順利進行，還對周邊建筑物的安全性造成一定影響。

1.1.1 基坑開挖對地表沉降影響研究現狀

對于基坑周邊地表沉降變形，眾多學者從基坑地下土層性質方面展開了一系列的研究。賈曾潘等[3]利用數值模擬與模型試驗相結合方法、喻偉等[4]利用數值模擬方法，分別對砂土、富水軟弱地質條件下基坑開挖引起周圍地表沉降規律進行了研究。其中賈曾潘等[3]研究表明，基坑長邊方向0～0.5He(He為開挖深度，m)周圍地表沉降值較大，且地表沉降的最大值隨著地連墻水平位移的增加呈現出先快后慢的變化趨勢。喻偉等[4]研究表明，地表沉降最大值位于地連墻10～20 m范圍內，沉降影響區域為60 m，最大值達到40.8 mm，且淤泥層中施工對地表沉降影響最大。

王錦濤等[5]就廣佛環線東環智慧城站深基坑開挖過程中引起的地表沉降及地連墻后土體的變形規律進行了研究。結果表明，在開挖進程中，基坑周邊土體沉降變形曲線呈現出“拋物線形”形狀，且地表最大沉降量為3.2 mm。

Wang等[6]利用數值模擬與現場監測相結合方法，對附加荷載存在情況下，基坑開挖引起周邊地表沉降的情況進行了研究。結果表明，該情況下基坑沉降曲線呈“勺形”形狀，沉降值與基坑距離關系呈現為先增加后減少的趨勢，得到的最大沉降位置與基坑距離大約為基坑最大開挖深度的一半，且附加荷載存在加快了地表沉降的速度。Liang等[7]利用數值模擬方法，對基坑開挖過程中采取回灌注水及止水帷幕等措施下地表沉降情況進行了研究。結果表明，基坑周邊土體沉降隨著回灌壓力與止水帷幕深度增加而逐漸減小。

1.1.2 地表沉降變形研究存在的問題

1)地表沉降的研究重點就是確定沉降的分布方式、范圍及最大值，大部分學者利用數值模擬、現場監測等手段對基坑周邊地表沉降問題進行一系列研究，但基坑地質條件復雜且土層的物理性狀不同，計算基坑地表沉降時，大都是做出了一定的假設和簡化，得出的沉降值往往和實際值有一定差距，因此計算準確度有待提高。

2)基坑開挖前降水過程中對地表沉降變形產生了一定的影響，目前關于該過程中沉降方面的理論公式不夠成熟，多數學者采用的是分層總和法，但該方法僅僅考慮了土體的豎向變形，忽略了其側向變形，計算誤差較大，因此對理論方面的研究有待進一步加強。

1.2 周邊建筑物不均勻沉降影響研究

隨著市政工程、高層建筑物、地鐵等快速發展，導致深基坑的數量也越來越多。由于基坑大多數位于繁華區域，周邊環境敏感復雜，開挖過程中容易使周邊高層建筑物產生裂縫、傾斜以及鄰近地下建筑物發生沉降等危害，甚至引發重大工程事故，造成嚴重社會影響，因此研究基坑開挖對周邊建筑物的影響情況十分必要。

1.2.1 基坑開挖對周邊建筑物的影響研究現狀

王琳等[8]基于硬化土的本構模型，利用有限元分析軟件對基坑施工引起鄰近房屋變形和受力情況進行了研究。結果表明，基坑開挖過程中引起周圍建筑屋最大沉降為13.7 mm，朝基坑方向的最大水平位移為9.4 mm，引起墻體應力變化約為10～50 kPa，基坑開挖對墻體受力影響較小，但對建筑物沉降及側移變形有一定影響。

張珂峰等[9]利用現場監測數據，對“兩墻合一”地下連續墻基坑開挖引起的周邊建筑物的變形情況進行了分析，得到了基坑開挖過程中建筑物沉降變化趨勢：穩定、增大、緩慢回彈、加速增大、穩定。

施有志等[10]對土體小應變剛度行為及基坑、地基、基礎、上部結構共同作用下基坑開挖引起周邊建筑物變形情況進行了計算。結果表明，鄰近地上建筑物最大水平位移6.6 mm，且從頂部向下逐漸變小，建筑物發生了一定的傾斜；地下建筑物主要發生沉降變形，影響區域為3He(He為開挖深度，m)，在1.5He范圍內，地下建筑沉降變形明顯，最大沉降為15.9 mm。

鄭翔等[11]對軟土地質條件下基坑施工引起鄰近建筑變形情況進行了研究，結果表明，地連墻及結構向上施工引起鄰近建筑物沉降變形分別占基坑施工全過程的7.82%、33.19%，傾斜程度分別占基坑施工全過程的16.47%、20.17%，說明基坑開挖對周邊建筑物影響具有明顯的空間和時間效應。

An等[12]研究了基坑支護及施工方案與基坑周邊建筑物變形之間的關系，通過不斷調整基坑建設方案，最終選用了鋼筋混凝土擋土樁和四層鋼支撐，作為基坑開挖加固方案，將基坑開挖對周邊建筑物的影響降到了最小。

1.2.2 基坑周邊建筑物不均勻沉降研究存在的問題

1)對周邊建筑物不均勻沉降的研究，主要利用數值模擬方法，而大部分學者在建模時，對于建筑物只是將其等效簡化為豎向荷載考慮，得到的結果與實際有一定出入，因此在進行研究時應對周邊建筑物進行實體建模，得到更為接近的結果。

2)建筑物的建造時間對建筑物穩定性和安全性有一定的影響，而關于基坑開挖時考慮建筑物建成時間效應影響下的變形研究相對較少，有待于進一步研究。

1.3 基坑開挖對鄰近地鐵隧道及地下管線影響研究

由于地下軌道交通的快速發展，城市核心區域的地下隧道與管線分布錯綜復雜，尤其是正在運營中的空間狹窄而人口密集的地鐵車站，這也導致基坑開挖過程中面臨風險源越來越多。基坑開挖過程中，一旦出現事故，后果往往極其嚴重。如何確保基坑工程在安全、快速施工前提下，最大程度降低基坑開挖對鄰近隧道、地下管線的影響成為亟需研究的問題。

1.3.1 基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響研究現狀

王利軍等[13]對超大超深基坑開挖過程中鄰近隧道的變形規律進行了研究。結果表明，基坑周圍存在鄰近隧道時地表的最大沉降值要比沒有隧道時大10%，隧道的變形以水平位移為主，變形呈倒八字形狀，對稱分布，且隧道的最大側移隨著隧道的埋深的增大呈現出先增大后減小的趨勢。

尚國文、丁智、許四法等[14-16]利用現場監測手段，研究了基坑開挖施工過程中引起鄰近地鐵隧道的整體變形情況，對開挖施工過程中鄰近隧道的危險節點及重點影響區域進行了分析總結，得到了基坑開挖各工況下鄰近地鐵隧道的整體變形規律。左自波、章潤紅等[17,18]借助于數值計算軟件，分別對基坑開挖施工過程對基坑下方雙線隧道、鄰近隧道的影響情況進行了研究，并對開挖過程中鄰近隧道的變形情況進行了預測，指導了施工的安全進行，對保護鄰近地鐵車站及隧道結構具有一定的意義。

許多學者對四方形基坑開挖下鄰近隧道的變形進行了大量的研究，而關于圓形基坑開挖下鄰近隧道變形影響研究相對較少。Sun等[19]對圓形基坑開挖引起鄰近隧道變形規律進行了分析，發現在開挖面積相同情況下，圓形基坑下方地鐵隧道的變形、最大洞徑變化比方形的分別大18%、22%，但圓形基坑開挖引起的最大隧道彎曲應變比方形基坑開挖引起的最大隧道彎曲應變小32%，結果表明圓形基坑開挖引起的應力釋放影響范圍比方形基坑開挖引起的應力釋放影響范圍更大，說明基坑形狀對鄰近地鐵隧道變形影響不大。

1.3.2 基坑開挖對鄰近地下管線的影響研究現狀

徐宏增等[20]對基坑開挖過程中鄰近大直徑污水管線沿長度方向的位移情況進行了研究。結果表明，基坑開挖導致管線位移存在時空效應，相鄰兩條管線的水平位移差大于豎向位移差，當基坑開挖到底部時各個方向的位移達到最大值。

賀雷等[21]通過數值模擬和離心模型試驗方法，對基坑開挖過程中鄰近電纜隧道的變形情況進行了研究，同時就離心模型試驗對開挖過程中電纜隧道的影響情況進行了定性分析，并對電纜隧道周圍的安全區進行了劃分。

施有志等[22]以管線的材質、管線截面、管線與基坑的距離為考慮因素，利用數值模擬方法對基坑開挖過程中鄰近管線的變形情況進行了參數分析，對于管線沉降情況，管線埋深影響要大于管線與基坑水平距離影響；對于管線軸力的變化情況，其隨基坑與管線距離的減小而增大，且管線剛度與橫截面越大，軸力越大，但軸力變化具有不規律性。

Li[23]等以基坑與頂管間距、基坑開挖深度、頂管埋深為考慮因素，對既有頂管隧道的應力變形規律進行了研究。表明頂管的應力及變形分別隨著基坑與頂管間距的增大、基坑開挖深度的減小、頂管埋深的減小逐漸減小，位于基坑中間及端墻附近管線的變形及應力變化較大。當頂管埋深約為3/4He時，且管線與基坑的水平距離小于10 m時，既有頂管隧道受到基坑開挖的影響較大。

1.3.3 鄰近地鐵隧道及地下管線變形研究存在的問題

1)對于基坑開挖過程中地鐵隧道的變形研究大多數是單純對基坑開挖過程中隧道結構的變形情況進行了研究，關于地鐵隧道與地鐵車站整體結合的變形研究相對較少。

2)現有的基坑開挖對鄰近隧道影響的相關理論不夠成熟，關于基坑側應力與隧道變形關系理論研究較少，并且在地鐵隧道的變形控制方面缺乏相對完善、可靠的理論指導體系。

3)地下管線網絡錯綜復雜，管線材質種類較多，如銅、混凝土、鋼筋混凝土、鑄鐵等，以管線材質及腐蝕程度為因素對管線位移變形規律進行的研究相對較少，且現有研究往往把管線考慮為整體來分析，忽略了管線接頭處的變形情況。

2 結論與展望

近年來，地鐵車站基坑開挖對周圍環境影響研究在理論分析、現場監測、數值模擬等領域取得了突破性進展。為了研究地鐵車站開挖施工對周邊環境風險影響，通過查閱文獻資料，利用歸納總結方法對基坑開挖引起周圍環境影響情況進行了綜述，主要從基坑周邊地表、周圍建筑物、鄰近地鐵隧道、地下管線4個方面對基坑開挖引起的變形情況進行了分析，明確了現有研究存在的問題，并對未來的主要研究方向進行了展望。

a.深基坑開挖施工是一個不斷發生土體卸載的過程，導致在施工過程中基坑周邊土體發生內力重分布，對基坑周邊地表、建筑物、鄰近隧道、地下管線等均會產生不同程度的風險影響，提前對風險源進行統計及保護有利于確保施工順利進行。

b.基于復雜土層情況下的地表沉降理論計算公式及基坑開挖過程中地表沉降的分布方式、范圍及最大值計算精度及沉降預測方面的工作有待進一步開展。

c.基于時間效應影響下的周邊建筑物的不均勻沉降情況有待進一步研究，同時利用數值模擬方法研究周邊建筑物不均勻沉降時，建議將建筑物以實體建模方式進行計算，該方法比將建筑物等效成豎向荷載方法計算得到的結果更為準確。

d.基于鄰近隧道與車站相結合下的整體變形情況及基坑側壓力與隧道變形理論方面內容有待進一步研究，且隧道變形控制方面的理論體系有待完善。

e.基于地下管線材質對基坑開挖過程中管線變形規律影響以及開挖過程中地下管線接頭處變形情況的研究有待深入進行。