地铁深基坑开挖引起的环境效应及防治措施

摘　要：地铁深基坑工程施工对周围环境的影响很大，需要采取合理措施对其进行保护。就南京地铁深基坑工程中的基坑时空效应、降水基坑外的地面沉降、信息化施工等施工引起的环境问题进行讨论，并提出环境保护措施。
关键词：基坑工程；环境保护；时空效应；降水；隆起；地面沉降；信息化；监测

1、概述
近年来随着我国地铁建设的发展，越来越多的城市修建地铁。而地铁深基坑工程具有开挖难度大、工期长、费用高及对周围环境的影响大等问题，它已经成为城市建设中一个亟待攻克的难题，其中的环境保护问题已经成为基坑支护中诸多问题的重中之重。因此地铁基坑工程施工的好坏，直接影响到基坑工程的造价和安全，同时，保护邻近建筑（或管道）的安全并保证其正常使用具有重大的经济效益和社会效益。
2、基坑开挖引起的环境效应
城市地铁深基坑工程具有以下特点：
（1）深基坑工程施工环境条件比较差。由于高层、超高层建筑都集中在城市中心区及主要街道的两旁，建筑密度大，人口密集，交通拥挤，施工场地狭小，束缚了工程施工的手脚。
（2）基坑开挖越来越深。业主为节约土地，充分利用原有基地面积和地下空间，设置车站、人防、机房及消防设施，故地铁结构的深度和层数相应增加。
（3）必须设置技术可靠可行的支护结构来确保安全，还要考虑到对周围地下的煤气、上水、下水、电讯、电缆等管线的影响，尽可能减少对这一系列建筑及设施的损坏性影响。
（4）随着竞争机制的增加，业主对造价、工程进度、工程质量的要求也越来越高，相应增加了施工难度。
2.1降低地下水引起的环境效应降低地下水位引起的环境效应表现为：
（1）降低地下水位引起的地面沉降；
（2）地下水渗透破坏引起的基坑坍塌；
（3）基坑突涌导致的基土开裂。
在基坑开挖过程中，通常采用井点降水来达到降低水位、固结土体、稳定边坡和便于开挖的目的。同时，基坑降水，由于水位降落而引起地面沉降，相应形成以水位漏斗为中心的地面沉降变形区，导致次范围内的建筑、道路、管网等设施因不均匀沉降而发生断裂、倾斜，影响其正常使用和安全。
降低地下水位引起的环境变化机理为：
（1）水位降低减少了土中地下水对地上建筑物的浮托软弱土层受到压缩而沉降；
（2）使孔隙水从土中排出。土体固结变形，本身就是压缩沉降过程，降水过程中，常会随着抽出的水流带走土层中部分细微土粒，引起周围地面沉降。地面沉降与地下水位降落是对应的，地下水位降落的曲面分布必然引起邻近建筑物的不均匀沉降。当地面沉降达到一定程度时，建筑物就会发生开裂、倾斜甚至倒塌现象；
（3）基坑开挖时，基坑内、周边地下水位存在一定的水头差，在动水压力作用下，基坑土会发生流（土）失、潜蚀现象，导致土体结构松动和破坏，引起基坑坍塌。
（4）当基坑内、外水位差较大，或基坑下部有承压水存在，基坑使原有土压力减少到一定程度时，承压水的水头压力大于基坑底土体浮重力，形成管涌、侧涌现象，造成基土开裂。
2.2支护结构发生变形和位移引起的环境效应支护结构发生变形和位移引起的环境效应表现为：
（1）支护结构本身破坏而导致边坡失稳；
（2）支护结构整体破坏而导致基坑隆起；
（3）支护结构发生变形和位移而引起邻近建筑设施破坏。
支护结构发生变形和位移引起的环境效应的机理为：
（1）基坑地基土卸载改变坑底原始应力状态，在基坑开挖时，土体中自重压力减小，土体的弹性效应使基坑底面产生一定的回弹变形（隆起），坑底表现为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高，弹性隆起在基坑开挖停止后很快就停止，基本不会引起坑外土体向坑内移动；随着开挖深度的增大，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）在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降；
（3）基坑底面暴露时间过长，使基坑积水，一方面，使得粘性土的流变性，将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）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支护结构体系承载能力丧失支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、基坑工程中的环境保护
对于基坑周围环境的保护，人们积累了许多的保护经验，如选用刚度大的围护结构、进行基坑内外的地基加固以提高土体的抗变形能力、对基坑近旁的建筑物和构筑物进行地基加固或地基处理、在基坑与建筑物间设置隔断桩或隔断墙以及注浆保护、通过少量注浆影响变形传播的途径等措施；尽管保护方法千差万别，但其作用的机理不外乎是减少基坑开挖的影响、提高围护环境的抗变形能力、切断影响途径等3种。
3.1基坑工程中的环境保护
时空效应法是为解决深基坑整体稳定和坑周地层位移控制问题、参考新奥法隧道施工中的时空效应理论和大量软土基坑实践而提出的一种计算和控制基坑结构变形及周围地层位移的方法。通过大量的软土基坑实践，人们已经意识到：在基坑施工过程中， 每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变形具有明显的相关性。考虑时空效应的施工步骤的主要特点是：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，一改以往设计工况与施工工况不符的现状，实践证明，科学地制定考虑时空效应的开挖和支撑的施工设计方案，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，达到控制坑周地层位移以及保护环境的目的。从而改变目前基坑中为控制坑周地层位移而不合理地采用昂贵的地基加固做法。
从工程实用性和可靠性出发，在基坑支护结构（挡墙、支撑及挡墙被动区加固土体）的内力及变形计算中，采用弹性计算法所用的较简单的力学模型和设计参数项目，但对其中反映基坑变形总体效应的最主要的综合参数——基坑挡墙被动区的水平抗力系数，按一定的地质和施工条件，做出经验性的修正。此综合参数是土的力学性指标和每一步基坑挖土的空间尺寸及暴露时间的函数，其数值是根据在一定施工条件下基坑开挖中所测出的基坑变形数据，经反分析而得出的控制标准及设计外荷等依据的同时，合理地选定施工程序及施工参数，以完善设计依据并提供实施设计的保证，从而有效地解决流变性地层中深大基坑的控制变形设计不符合实际的问题。
根据基坑工程设计所选定的主要施工参数，按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件，提出详细的可操作的开挖和支撑的施工程序及施工参数。开挖和支撑的施工工序基本是按“分层、分步、对称、平衡”的原则而制定的，最主要的施工参数是分层开挖的层数。每层开挖深度以及基坑挡墙被动区土体在基坑中间部分地层先开挖的工程中保留成支撑挡墙的土堤，此土堤断面尺寸按其能抵住挡墙的要求而定，亦为主要设计参数；严格按选定的施工程序和施工参数施工，就使复杂多变的施工因素变为较明确而有规律性的施工因素，其引发的时空效应也能较好地符合设计预期的要求。 来源：考试大
在长方形基坑中，基坑开挖和支撑的施工技术要点是，按一定长度分段开挖和浇筑结构，在每段开挖中再分层。每层分小段开挖和支撑，随挖随撑，施加预应力，每小段的开挖和支撑的施工时间限制在一定限值之内。在不规则的基坑施工中，采用分层盆式开挖法，在每一层开挖中间部分并安装或浇注此范围的支撑，而后将各根支撑两端支承挡墙的土堤，分步、对称拆除并即时安装或浇注其间顶住挡墙的部分支撑。每个分步的开挖和支撑施工时间，根据支撑方式等具体情况，给定明确的控制值。
在运用基坑开挖中的时空效应规律时，基坑结构特性参数、地基土（包括加固土体）特性参数及施工工艺参数都是相互影响并共同对控制变形发挥作用的基本要素，它们都是控制基坑变形的设计依据，控制变形的设计要素。
3.2 基坑降水为减少井点降水对周围建（构）筑造成的影响和危害，通常采取下列措施：
（1）采用全封闭形的挡土墙或其它的密封措施，如地下连续墙、锁口钢板桩、灌注桩、旋喷桩、水泥土搅拌桩等，将井点设置在坑内，井管深度不超过挡土墙的深度，仅将坑内水位降低，而坑外的水位将维持在原来的水位；
（2）根据工程实际情况，适当地调整井点管的埋置深度；一般情况下，井点管的埋设深度应该使基坑内的降水曲面在坑底下0.5～1.0m；如在没有密封形挡土墙的情况下，基坑降水不仅使坑内水位下降，也使坑外水位下降。如果在降水影响区范围内有建（构）筑物、管线等需要保护时，可在确保基坑不发生流砂和地下水不从坑壁渗入的条件下，适当地提高井点管设计标高；
（3）井点降水区域随着降水时间的延长，向外、向下扩张，若在两排井点的当中，基坑很快形成降水曲面，坑外降水曲面扩张较慢。因此，当井点设置较深时，随着降水时间的延长，可以适当地控制抽水量和抽吸设备真空度。当水位观察井的水位达到设计控制值时，调整设备使抽水量和抽吸真空度降低，达到控制坑外降水曲面的目的；
（4）采用井点降水与回灌相结合的技术，在井点降水管井与需要保护的建筑、管线间设置回灌井点、回灌砂井或回灌砂沟，持续不断地用清洁水冲洗，（以免土体发生孔隙堵塞，降低土地渗透性能而影响回灌效果）回灌，形成一道水幕，以减少沉降；
（5）井点应连续运转，尽量避免间隙和反复抽水，因为每次降水都会产生沉降，增加反复抽水地次数，使总的沉降量积累到相当可观的程度。
（6）为减少坑内井点降水，减少降水曲面向外扩张，防止邻近建筑物基础下地基土因水位下降、水土流失而产生的沉降，在井点降水前，在需要控制沉降的建筑物基础周边，布置注浆孔，控制注浆压力。
3.3 控制基坑变形的措施在基坑工程设计时，应考虑有关的影响因素：
（1）设计时，应根据环境要求选择基坑位移的控制等级；
（2）基坑的最大的水平位移值，与基坑开挖深度、地质条件及支护结构类型等有关，在基坑支护结构体系的设计满足要求时，支护结构水平位移最大值与基坑底土层的隆起抗力系数存在一定的统计关系；
（3）围护体系的平面形状与变形有一定的关系，从受力分析可知，圆形、弧形、拱形比直线形要好；工程实践经验表明，在最不利的转角位置、墙后地面和墙面容易出现裂缝，因此，围护桩体系的平面形状不一定非得与底板形状一致。
（4）实践表明，围护桩根部插入较好土层中，其围护体系的变形小，稳定性好。
基坑施工时，应考虑相关因素影响：
（1）基坑围护体系规律，其变形可以分为两个阶段，一是开挖到设计标高时的变形，二是到底板结束时的位移。而第二阶段的变形与基坑暴露时间有关，暴露时间越长，风险性越大。
（2）基坑工程的受力特点是大面积卸载，坑周围和坑底应力场从原始条件逐渐降低。基坑暴露后，及时铺设混凝土垫层对保护坑底土体不受施工扰动、土体应力松弛具有重要作用；
（3）基坑周边超载，增加墙后土体压力及滑动力矩，降低围护体系的安全度；
（4）由于大量卸荷，坑周围应力场变化，地面或多或少会产生许多裂纹，降雨或施工用水进入土体会降低土体的强度，并增加土压力。
施工中设法减少土体中有效应力的变化，提高土的抗剪强度和刚度，为此必须：
（1）在基坑周开挖过程中和开挖后，应保证井点降水的正常进行；
（2）尽量减少基坑坑底的暴露时间，尽快浇筑垫层和底板混凝土；
（3）必要时，在开挖前对坑底土体进行局部加固处理。
4、信息化施工
基坑工程是一个动态变化的复杂系统，不确定的因素很多，仅仅依靠理论分析和经验估计是很难保证基坑施工安全的。因此，加强现场监测就成了基坑安全施工的重要环节。
基坑工程不确定的因素主要表现在以下几个方面：
（1）岩土性质、工程地质和水文地质条件勘察所得到的数据离散性大，且往往难以代表土层的总体情况，勘察报告所提供的场地地质资料有限；
（2）基坑周围条件复杂，邻近建筑物、构筑物、道路和地下管网设施等都严重干扰基坑的施工；
（3）设计计算中土体侧压力的计算和支护结构简化计算的模型与工程实际可能不一致；
（4）连续降雨或暴雨对基坑的开挖具有极大的影响，雨水的冲刷、浸泡、地下水渗透等往往使边坡失稳；
（5）基坑工程施工过程中，不可避免会遇到一些人为的超支、超挖、支撑不及时和排水不畅等，将对基坑产生不良影响；
（6）土质参数的选择。众所周知，土的物理性质参数是随着其条件及存在环境改变而改变的；土质参数是设计者在勘察资料所提供的众多数据中凭经验选择的，其准确性难以检验；
（7）围护结构的内力计算。支撑力是通过开挖最终的系统静力系统确定的，但是侧土压力和支撑力在开挖过程中是不断变化的，桩体的内力也随之改变，因而设计没有考虑变形相容和位移协调关系。
5、实例
5.1 工程地质及支护方案的选择
奥体中心站—元通站区间隧道位于南京市城西新区，两端起止里程为XK0 611.664～XK2 084.9，线路长度：1473.236m，基坑深度8～12m.地势基本平坦，场地地貌属长江漫滩，设计基底加固为深搅桩加固，采用明挖法施工，围护桩桩长15.6～19.6m，其中钻孔桩桩径800mm，深搅桩桩径650mm，桩间距1050mm，相互咬合200mm，钻孔灌注桩采用C25钢筋砼桩，搅拌桩采用四搅两喷法，水泥为425#，水泥掺量为16%，水灰比为0.45～0.5.区间范围内自上向下土层构成分别为人工填土、淤泥质填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂。基底所处的多为淤泥质粉质粘土层，隧道结构大部分也坐落在该土层中，该土层地质性质表现为“三高一低”，即高灵敏度、高压缩性、高含水量、低强度等，有高压缩性的特点，局部有轻微震动液化土层。地下水丰富，影响工程的主要为浅层潜水，主要由大气降水和地表水补给，水位埋深约0.6～1.5m，且土层渗透性差。
钻孔咬合桩强度及刚度均较大，比地下连续墙造价低，钻孔咬合桩与普通钻孔灌注桩相比，具有施工噪音低、无泥浆污染、造价低、整体性和止水效果好等优点，因此选用该围护结构。但钻孔咬合桩对施工精度、工艺和混凝土配合比均有严格要求，否则桩体无法形成充分咬合，不易保证止水而引起基坑失稳等安全事故。
根据近年来本地区的深基坑施工的成功经验，采用以下的施工方案：
（1）采用“时空效应法”指导基坑施工。“时空效应法”的主要施工特点是：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、分段、对称、平衡、限时”的原则来确定施工方案。
（2）采用动态动态设计和信息化施工，可根据现场情况和变形数据及时调整方案，因而安全可靠。
（3）施工机具简单、施工灵活、污染小、噪音低、不扰民。
（4）支护与土方开挖同步进行，边挖边撑，保证基坑安全。
由于基底所处的多为淤泥质粉质粘土层，隧道结构大部分也坐落在该土层中，该土层工程性质表现为高压缩性、高含水量、高灵敏度、低强度等特性，局部有轻微震动液化土层，部分土体为流塑状态，土体稳定性差、地下水丰富。基坑开挖前进行必要的基坑土体加固，对基坑外7.5m，基坑内地下水位降至基底以下3m，用真空管井降水法提前20d左右降水加固土体。基坑开挖与支撑施工要点是：“沿纵向按限定长度的开挖段逐段开挖；在每个开挖段中分层、分小段开挖，随挖随撑，按规定施加支撑预应力，做好基坑排水，减少基坑暴露时间”。在基坑开挖中，沿纵向的分段坑底长度L≤24m，而在每开挖段每开挖层中，又分成8m长一小段，挖好一小段，即直接在围护结构的规定位置撑2根支撑。开挖某一层（约2.5～3.5m厚）的小段（约8m长）的土方，要在16h内完成，即要求在8h内安设2根支撑并施加预应力。开挖到基底，经检查处理后，应及时进行封底垫层及其后续工序施工。施工中要做好基坑上下的排水，一是防止地表侵入支护结构周围的土体，二是确保基坑底部排水通畅，防止底部积水浸泡桩根土体。
5.2支撑及土方施工流程
施工准备→基坑降排水施工→第一层土体开挖→撑第一道支撑→第二层土体开挖→撑第二道支撑→第三层土体开挖→第二道支撑→基底处理→转入下一循环施工。
5.3围护桩的监控与措施
为确保工程及附近建筑物的安全，及时根据监测信息反馈指导施工，在施工中要自始自终进行支护变形的监测和地面裂缝的观察，施工监测的内容为坑边、坑壁及邻近建筑的水平、垂直位移、坑边深层土体侧向位移和坑底隆起等，施工中根据各项指标的实测值与警戒值
值比较结果采取不同的措施；监测频率每天2次，完成基坑开挖与变形稳定后，可适当减少监测次数，施工监测持续至地铁主体结构顶板浇筑完毕及土方回填完为止。
信息化管理的措施为：
（1）严格控制桩墙变形，如变形超出允许范围，应暂停施工，在相应的位置加密支撑，或者在基坑外挖土卸载，阻止变形的增大，对地面裂缝应及时加以封闭，防治雨水渗入；
（2）对蠕变的淤泥质土，开挖难以直立时，应增大放坡的坡度，减小开挖深度；
（3）对部分开挖深度较大的地段，应减小开挖长度，加强降水，及时浇筑垫层和结构底板，防止基底隆起；
（4）控制每层土体开挖深度，不得超挖，土体开挖后，及时进行支护，尽量减少基底暴露时间。
6、结束语
地铁深基坑开挖引起的环境效应是一个复杂的动态系统，土的特性决定了基坑降水、开挖施工过程中坑内、外土体必定发生变形，但是其变形大小和规律受多种不确定因素影响，因此采用“时空效应法”并根据施工过程中的监测信息反馈不断修正设计和调整施工方法是比较值得推广的一种方法。而仅靠理论分析和经验估计是难以保证工程安全施工的，如何对深基坑开挖引起的环境效应作出一个定量的分析，有待设计及施工人员不断地探索。

参考文献：
[1]龚晓南。深基坑设计与施工手册（第1版）[M].中国建筑工业出版社。
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