深基坑開挖工程中的環境效應

趙民，于開寧，萬力，呂炳旭

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266033； 2.石家莊經濟學院，河北石家莊 050031； 3.中國地質大學，北京 100083)

深基坑開挖工程中的環境效應

趙民1?，于開寧2，萬力3，呂炳旭2

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266033； 2.石家莊經濟學院，河北石家莊 050031； 3.中國地質大學，北京 100083)

基坑開挖引起環境污染和環境破壞.從地下水位下降、支護結構變形、支護結構施工三個方面分析了地質環境的破壞型式；概述了支護結構施工過程導致的環境污染.通過工程實例，構建評價指標體系，建立模糊數學評價模型，評價結果與環境影響實際基本吻合。

基坑開挖；環境效應；指標體系；模糊數學模型

近幾年，全國大中城市的基坑工程呈現出越挖越深、工程地質條件和周圍環境越來越復雜的趨勢，對于臨時性的基坑工程，業主關注更多的是造價，施工單位關注更多的是效益和進度，設計單位關注更多的是安全，監測單位關注更多的是環境，而建管部門的監管重點應該是安全與環境[1]。因此，基坑工程是一個系統工程，考慮的不僅僅是基坑本身的工程技術問題，很多情況下，而是考慮環境約束的基本工程條件問題。在確?；影踩\行的同時，基坑開挖引起的環境效應，成為人們關注的焦點。

1 基坑防護

1.1 基坑開挖支護模式

基坑開挖實際上就是一種卸荷的過程，在解除豎向自重應力的同時，水平向自重應力也相應有所解除，臨空土體產生較大的水平側向壓力，為平衡土體側向壓力，防止臨空土體的倒塌，設置擋土措施，目前常用的基坑支護措施如表1所示。

支護結構選型表[2] 表1

基坑變形控制環保等級標準[3] 表2

1.2 基坑防護標準

基坑開挖過程中，不確定因素較多，為減少各種環境土工問題的發生，最大限度降低基坑對其周邊環境的不良影響，加強基坑監測，進行信息化施工成為環境效應防護的必然要求，環境防護標準如表2所示。

2 基坑開挖中的環境效應

基坑開挖引起的環境效應表現為環境污染和環境破壞兩種類型[4]。環境污染是指人類活動向環境排放了超過環境自凈能力或環境質量標準的有毒有害物質和能量所引起的環境問題，例如大氣污染、水體污染等。環境破壞是指在開發利用自然環境和自然資源的活動過程中所引起的非排污性問題，例如基坑開挖對周圍建筑及道路的影響；降水工程引起的環境問題等。

2.1 基坑開挖引起的環境破壞

基坑開挖引起的地質環境效應主要來自地下水及支護結構的破壞、變形和位移的影響，使周圍建筑物產生不均勻沉降、開裂，鄰近道路下沉，管線位移乃至斷裂，甚至更為嚴重的后果，影響人們的生產生活和社會穩定[5]。

基坑開挖時，坑底以上的土體，因受到具有較大水平壓力的外側土體的擠壓，便產生水平壓縮，于是支護樁體內移，并伴隨出現坑外地面沉降；另一方面，人工降低地下水位，會增大坑外土體的豎向和水平向自重應力，造成更大的坑外地面沉降和支護樁體內移，樁體內移不僅可能破壞坑壁圍護系統，而且使基底尺寸縮小，影響結構施工，同時也造成坑底隆起，嚴重威脅地表安全。基坑開挖地質環境效應示意如圖1所示[6]。

圖1 基坑開挖地質環境效應示意圖

(1)地下水位下降引起的地質環境效應

基坑開挖對地下水的處理有兩條途徑:基坑降水和基坑止水。為保證施工作業面的需要，對基坑直接進行坑內降水或坑外降水，或設置止水帷幕，隔斷坑外地下水，形成水頭差，錨桿施工可能發生漏水漏砂，均可發生水位下降。降低地下水引起的環境效應表現型式:

①地面沉降。水位降低，軟弱土層壓縮沉降；水位下降，孔隙水從土中排出，土體發生固結變形而壓縮沉降；降水帶出細小土顆粒，土骨架顆粒重新排列，引起地面沉降。

②基坑坍塌?；娱_挖時，基坑內外地下水位存在一定的水頭差，在動水壓力作用下，基坑土發生流失、潛蝕等滲透破壞現象，導致巖土體結構松動和破壞，引起基坑坍塌。

③基土開裂。當基坑內外水頭差較大，或基坑下部有承壓水存在，開挖基坑使原有土壓力減少到一定程度時，承壓水水頭壓力大于基坑底土體浮重力，形成管涌、流砂等基坑突涌現象，導致地基土開裂。

(2)支護結構變形和位移引起的地質環境效應

支護結構的變形主要表現為水平和豎向變形，當基坑開挖較淺時，支護結構主要為水平變位，隨著開挖深度的增加，土壓力增大，支護結構變位逐漸回復，地表變形范圍增大，最大變位量也增大，基坑深度再加深時，基坑應力釋放量增大，往往會造成地下支護墻體向上變位，支護樁體的入土深度減少。支護結構發生變形和位移引起的環境效應表現型式:

①基坑失穩。支護結構自身破壞，導致基坑失穩，表現為大面積滑坡；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支護結構體系承載力喪失；支護結構位移過大；地基土強度不夠，樁側土的滑動力作用形成整體滑動；基底水平面兩側荷載不均，坑底產生過量隆起。

②基坑隆起。基坑開挖卸載改變坑底原始應力狀態，土體中自重壓力減少，土體的彈性效應使基坑底面產生一定的彈性隆起，隨著開挖深度的增大，坑內外高差所形成的加載和地面各種超載的作用，使圍護墻體外側土體向坑內移動，坑底產生向上的塑性變形，支護結構整體破壞，導致基坑隆起。

③鄰近建筑設施破壞?；娱_挖卸載，基底隆起，支護結構變形，基坑周圍產生較大的塑性區，引起地面沉降；基底暴露時間過長，或基坑積水，使粘性土吸水體積增大，抗剪強度降低，回彈變形增大，由于粘性土的流變性，將增大被動壓力區的土體位移和坑外土體向坑內的位移，引起支護結構位移，從而增加地表沉降；支護結構嵌入深度不足，引起基坑隆起，使地基土強度降低或喪失，支護結構位移，地面沉降開裂；基坑流砂和管涌在基坑外側形成空洞，地面沉陷坍塌。地面沉降、開裂和坍塌導致基坑周邊建筑物、管線和道路等設施的變形、位移或破壞。

(3)支護結構施工引起的地質環境效應[7]

支護結構施工的過程，一方面是對基坑采取安全防護的過程，另一方面是對基坑側壁和地質環境進行破壞的過程。支護結構施工引起的環境效應表現型式:

①擠土效應。當基坑圍護結構或止水帷幕采用擠密型樁時，可能會引起樁周土發生一定的豎向和水平位移，導致支護樁的上浮、傾斜、變位，誘發周邊管線、建筑設施等位移，地面開裂。

②振動效應。在鄰近基坑側壁，由于車輛或機械施工振動等引起機械振動次數頻繁，對周圍一些較脆弱的建筑物和管線，往往會引起疲勞破壞；砂土由于振動液化而引起土體抗剪強度降低，地面沉降。

③成孔漏砂。錨桿和土釘成孔過程中，孔內砂顆粒隨鉆進與水一起流走，孔內形成空洞，地表下陷。

2.2 基坑開挖引起的環境污染

(1)噪聲污染

降排水設備、打樁設備、各種鉆孔設備、攪拌機、挖土機、起重機以及運土車輛等都會產生噪聲，對聲環境造成影響。這些設備可產生100 dB以上的噪音，而一般人能接受的噪聲在40 dB～70 dB之間，這給附近人們的生活及辦公環境造成十分嚴重的干擾[8]。

我國著名聲學家馬大猷教授總結和研究了國內外現有各類噪音的危害和標準，并把噪音對人的影響程度進行了分類.無法忍受150 dB～130 dB；感到疼痛130 dB～110 dB；很吵110 dB～70 dB；較靜70 dB～50 dB；安靜50 dB～30 dB；極靜30 dB～10 dB；無聲0 dB。

(2)空氣污染

施工現場地面裸露產生浮土；泥漿、渣土和土方開挖外運溢撒；現場攪拌產生的水泥粉塵；潛風錘鉆進巖石產生的石粉等，在頻繁干燥季風的吹揚搬運作用下，產生的懸浮顆粒和粉塵等，均對空氣造成污染。

我國空氣質量采用空氣污染指數進行評價，目前采用的空氣污染指數(API)分為5個等級，API≤50，空氣質量為優；50〈API≤100，空氣質量良好；100〈API≤200，空氣質量為輕度污染；API〉200空氣質量差，中度污染；API〉300空氣質量極差，已嚴重污染。

(3)環境化學效應

基坑施工過程中，會產生大量廢棄物，如廢棄泥漿、混凝土渣等，它們會侵占耕地、污染水源、影響土壤性質，造成周圍環境的惡化；基坑施工中的化學灌漿多具有不同程度的毒性，這些注漿進入土體后，不同程度的污染地下水，導致環境惡化。

地下水綜合污染指數由公式確定:Pi＝[∑(Ci/ COi)]/n；分為4級評價:Pi〈0.3為優等級、0.3〈Pi〈0.5為良好級、0.5〈Pi〈1.0為中等級、Pi〉1.0為差級。

(4)水土流失

基坑開挖、平整場地，傾卸物料等可能會改變地形，導致水土流失；施工時大量的暴露地面和機械運動、開挖，引起土體很大的擾動，容易導致土地侵蝕。

(5)干擾群眾的正常生活和交通秩序

施工場地多位于繁華的城市中心區，人口密集，流動人口量大，道路擁擠。大型施工設備、運輸車輛頻繁進出，影響群眾出行，換乘車不便，延誤時間等，會影響綠色城市、綠色社區、綠色住宅的人居環境。

3 基坑開挖的環境評價

3.1 構建評價體系[9，10]

評價指標體系是用來表征具體環境特性和質量的指標體系?；娱_挖主要影響因素包括三方面:一是基坑設計要素，二是基坑施工要素，三是基坑開挖和運營期間環境監控標準。評價指標的選取是基于對已知單元數據進行統計分析的結果，依據指標體系的構置原則，即系統性、客觀性、可操作性及主導性原則，分析研究影響因素，區分不同層次的因素指標，進行分層歸類，建立具有代表性、可比性和準確性的相對統一的指標層次結構體系，如圖2所示。

各評價指標由于各自量綱的不同，并且指標間數量差異較大，要使指標間能夠直接進行比較，要對各類指標進行標準化處理，消除量綱差別，最后將得到值域為0－1，而且極性一致的數值。

圖2 基坑開挖環境評價指標體系

指標數據的標準化方法包括線性標準化和非線性標準化兩大類，選擇合適的標準化方法應堅持三大比較原則:同一指標內部相對差距不變原則、不同指標間的相對差距不確定原則、標準化后極大值相等原則.筆者采用線性標準化方法，分析調整了標準化計算公式.設現狀原始數據為Yk，標準化后的現狀值為Xk，對指標體系中的每一項評價指標數據劃出最大值(Ymax)和最小值(Ymin)，按照質量等級由優等到差等，標準化指數升高的原則，設定差等級標準化指數最高X＝1.00，則標準化公式:

正向指標:Xk＝Yk/Ymax

反向指標:

經驗證符合指標標準化的三大原則，指標量化及標準化指數如表3所示。

基坑開挖環境評價指標量化分級及標準化指數 表3

3.2 建立數學模型[11]

模糊綜合評判法(FEA)，是指“特征值模糊區間－評價值模糊區間－評價確定值”。基坑工程是一個多目標、多層次、多因素的復雜動態大系統，所以基坑開挖的環境效應具有模糊性和不確定性，“當一個系統復雜性增大時，我們使它精確化的能力將減小，在達到一定閾值之上時，復雜性和精確性將相互排斥。”解決基坑開挖環境效應的復雜性與評價等級準確性的矛盾，采用模糊數學方法。

FEA建模評價步驟:

①評價指標集:U＝{u1，u2，u3，…，u10}

②評價等級集:V＝{v1，v2，v3，v4}

③隸屬函數:u(x)＝exp[－(x－c)2/(2σ2)]

④評價集:Ri＝{Ri1，Ri2，Ri3，Ri4}

⑤評價權值:A＝(a1，a2，a3，…，a10)

⑥評價結果:B＝A·R＝(b1，b2，b3，b4)

式中:u1，u2，u3，…，u10分別代表評價指標體系中指標層的10個指標，指標標準化量化分級如表3所示；

v1，v2，v3，v4分別代表環境評價等級:優等級(Ⅰ)、良好級(Ⅱ)、中等級(Ⅲ)、差級(Ⅳ)；

a1，a2，…，a10分別代表評價指標的分配權值，依據層次分析法，賦予評價權值:

即A＝(0.06，0.04，0.10，0.12，0.08，0.21，0.21，0. 06，0.06，0.06)

b1，b2，b3，b4是一組隸屬度值，按照最大隸屬度原則，取隸屬度最大者所對應等級作為評價等級。

隸屬函數取正態分布函數如圖3所示。

圖3 正態分布隸屬函數

3.3 評價實例

青島某基坑工程位于城市主干道以西，某支干道以南，海泊河北岸；西側距離基坑頂邊約10 m為5棟已建多層建筑，磚混結構，天然地基，條形基礎；現將基坑西側邊作為研究對象，設計開挖深度10 m，西邊長150 m，分為A、B兩個區，支護結構選用格構梁錨桿擋墻＋SMW組合擋墻圍護體系(如圖4所示)，側壁安全等級為一級。

圖4 基坑工程設計圖(局部)

基坑開挖環境評價A區設計監測指標數據 表4

基坑開挖環境評價B區設計監測指標數據 表5

本基坑環境評價單元的確定:垂直于基坑邊線方向的單元長度為30 m，平行于基坑邊線方向的單元寬度為設計支護單元寬度。根據設計和監測資料，基坑開始開挖至回填完畢，采集到的評價指標數據和設計參數如表4、表5所示，(其中支護結構頂部水平位移X1～X6，已建多層建筑沉降J1～J15)。

利用MATLAB語言編程計算，A區評價等級為良好(Ⅱ)級，B區評價等級為中等(Ⅲ)級。

4 結 論

深基坑開挖的環境效應，由于其施工條件的復雜性和環境問題的隱蔽性，導致環境效應的多樣性.我們從上文分析總結的深基坑開挖中的環境效應，僅建立在現有的理論基礎之上，并不全面，但可以從概念上把握基坑施工對環境效應的作用機理，有助于我們施工時提高警惕，認識基坑事故的嚴重性?；娱_挖的環境評價表征基坑開挖對環境的影響程度，構建評價指標體系并建立簡單適用的數學模型，但指標的選擇和權重的賦值還需要完善。

[1] 趙民.淺談深基坑的安全管理[J].工業建筑，2009(6)[2] JGJ120－99.建筑基坑支護技術規程[S].

[3] 繆林昌，劉松玉.環境巖土工程學概論[M].北京:中國建材工業出版社，2005

[4] 周愛國，周建偉，梁合誠等.地質環境評價[M].北京:中國地質大學出版社，2008

[5] 盧粉貴，李飛關.關于地基基礎工程中的環境效應問題研究[J].鹽城工學院學報，2003(12)

[6] 李相然，郭金橋.城市工程地質環境質量評價理論與方法研究[J].寧夏工程技術，2002(12)

[7] 張明.環境巖土工程的發展現狀綜述[J].華北工學院學報，2000，21(4)

[8] 楊子勝，白曉紅.深基坑工程中的環境問題[J].山西建筑，2004(2)

[9] 吳斌.基礎工程建設中存在的環境巖土問題及對策[J].山西建筑，2004(5)

[10] 楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用[M].廣州:華南理工大學出版社，2005

[11] 朱克宏.基坑對地質環境效應的作用[J].中國科技信息，2005，17

The Impact of Environment During Excavation of a Deep Foundation Pit

Zhao Min1，Yu KaiNing2，Wan Li3，Lv BingXu
(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266033，China；2.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China；3.China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Excavation of a deep foundation pit bring about environmental pollution and environmental disruption. From the ground water levels fall，supporting structure deformation，supporting structure construction are analyzed from three aspects of geological environmental damagane types，Summarizes the construction process of supporting structure in the environmental pollution.Through engineering examples，constructing evaluation index system，establish the fuzzy evaluation model，and environmental impact assessment results of actual results.

Excavation of deep foundation pit；Impact of environment；Index system；Fuzzy mathematic model

1672－8262(2010)06－151－05

TU473

A

2010—04—27

趙民(1973—)，男，高級工程師，國家注冊土木工程(巖土)師，主要從事基坑設計、監測和施工以及地質環境評價的研究工作。

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2008BAJ06B02－5)