市政深基坑工程引起的環(huán)境效應(yīng)及防治措施分析

□文/劉 巖 閆衛(wèi)喜

近年來，隨著我國市政建設(shè)的發(fā)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(shè)越來越多，出現(xiàn)了大量深基坑工程。這些工程具有難度大、工期長、費(fèi)用高及對周圍環(huán)境影響大等問題，其中周邊環(huán)境保護(hù)問題已經(jīng)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(hù)鄰近建筑的安全并保證其正常使用，減少環(huán)境效應(yīng)影響，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

市政深基坑引起的環(huán)境效應(yīng)及其機(jī)理分析

市政深基坑工程環(huán)境效應(yīng)包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(huán)境的影響。任何一個環(huán)節(jié)的失控或破壞都可能引起災(zāi)難性事故，其引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)為。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁若采用擠土樁或部分?jǐn)D土樁，施工過程中擠土效應(yīng)將對鄰近建（構(gòu)）筑物及市政管線產(chǎn)生不良影響。

（2）基坑開挖土方運(yùn)輸可能對周圍交通運(yùn)輸產(chǎn)生不良影響。

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

（4）部分施工機(jī)械和工藝可能對周圍環(huán)境產(chǎn)生施工噪聲污染和環(huán)境衛(wèi)生污染。

噪聲污染、環(huán)境衛(wèi)生污染和交通影響這些環(huán)境效應(yīng)可以通過選擇合理的施工機(jī)具、制定合理的施工措施來保障；而土體變化、基坑降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和位移等引起的環(huán)境效應(yīng)則比較復(fù)雜，控制不好往往會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故，下面簡要分析一下這些環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理。

（1）在基坑開挖時改變坑底原始應(yīng)力狀態(tài)，土體自重壓力減小，基坑底面會產(chǎn)生一定的回彈變形，表現(xiàn)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(nèi)移動；隨著開挖深度的增大，基坑內(nèi)外高差所形成的加載和地面各種超載的作用使圍護(hù)墻外側(cè)土體向坑內(nèi)移動，使坑底產(chǎn)生向上的塑性變形，其特征為兩邊大中間小的隆起狀態(tài)。

（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(hù)結(jié)構(gòu)體系承載能力喪失，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度不足引起基坑隆起并使地基強(qiáng)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(qū)的土體位移和墻外土體向坑內(nèi)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(chǎn)生較大的塑性區(qū)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(xì)微土粒，引起周圍地面沉降。

（6）采取降水深挖時，受水文地質(zhì)條件影響，地下水動水壓力或土壓力過大導(dǎo)致止水帷幕漏水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏或失穩(wěn)，引起周圍地面沉降。

各類沉降的發(fā)生必然會引起鄰近建筑物的不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降達(dá)到一定程度時，建筑物將發(fā)生開裂、傾斜甚至于倒塌現(xiàn)象。

防治措施

選擇合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有兩個主要功能：一是擋土，二是止水。圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(xù)墻、沉井等；還有兩種支護(hù)結(jié)合使用的混合型支護(hù)。傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)常選用板樁支撐系統(tǒng)或板樁錨拉系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是材料可以回收，但卻存在著諸多致命的弱點(diǎn)，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(jìn)一步變形。因此要根據(jù)各自的適用條件、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模、抗?jié)B要求等進(jìn)行方案比選。通常選擇既可擋土，又能防滲的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以節(jié)約工程造價。

天津地鐵2、3號線的建設(shè)，結(jié)合地質(zhì)、環(huán)境及車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對地下連續(xù)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(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和比較后確定其圍護(hù)原則。

（1）對于10 m左右的較淺基坑出入口、風(fēng)道等宜優(yōu)先選用SMW工法樁，其特點(diǎn)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(hù)的基坑，應(yīng)優(yōu)先選用技術(shù)性能較優(yōu)的地下連續(xù)墻或鉆孔咬合樁、連體樁等。

（3）如地下水具較強(qiáng)侵蝕性，需采取防水、防腐加強(qiáng)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(nèi)存在較厚的密實(shí)粉細(xì)砂層時應(yīng)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(diǎn)排水、大口徑井群排水等。這些方法各有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)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(shè)密度、深度、排量等因素的影響。降水設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）合理選擇基坑降水井井位與降水量，使坑內(nèi)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?dāng)?shù)量，使施工成本最低。

（3）合理制定運(yùn)行方案，達(dá)到開挖期間以最少的抽水量保證基坑與環(huán)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(cè)147 m×20 m。深基坑降水分為潛水和承壓水。根據(jù)第一承壓水含水層底板標(biāo)高及厚度等值線，對承壓含水層進(jìn)行分區(qū)，不同的區(qū)域設(shè)計井深不同。見圖1。

圖1 天津站主廣場基坑范圍內(nèi)第一承壓含水層底板標(biāo)高等值線

圖1中，Ⅰ區(qū)井深為31 m，Ⅱ區(qū)井深為33 m，井底進(jìn)入粉質(zhì)粘土層，過濾器長度為5 m。根據(jù)水文地質(zhì)報告進(jìn)行降水試驗(yàn)，結(jié)合降水試驗(yàn)報告、工程開挖工況進(jìn)行基坑降水方案的設(shè)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(nèi)呈網(wǎng)格狀布置，根據(jù)土方開挖的順序在基坑的東側(cè)加密降水井，確保基坑開挖時能夠保證干槽作業(yè)，井間距16 m。由于施工現(xiàn)場場地有限，當(dāng)遇到地面無法成井的情況，可以采取相應(yīng)的避讓措施或增加井?dāng)?shù)減小井間距。

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

加強(qiáng)基坑周邊的建（構(gòu)）筑物與管線的保護(hù)

當(dāng)鄰近建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)部分（或全部）坐落在基坑開挖影響邊界線范圍內(nèi)時，應(yīng)采取措施避免或減少土體變形對建（構(gòu)）筑物的影響，可在需保護(hù)的建（構(gòu)）筑物與基坑擋土結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(gòu)成墻體，其作用主要是承受施工引起的側(cè)向土壓力，也可起到阻擋局部水土可能出現(xiàn)的流失等作用。

提前做好管線的排查工作，布置適量監(jiān)測點(diǎn)，對輕型管線可遷移至安全區(qū)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(jìn)行處理，當(dāng)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(qiáng)監(jiān)測，注漿法的加固深度應(yīng)大于影響邊界線；對地下管線離基坑較遠(yuǎn)，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(cè)設(shè)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(yīng)控制打樁速率，封閉板樁（或隔離溝）離管線應(yīng)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(shè)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(hù)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(chǎn)生一定位移或沉降，還可對支承架進(jìn)行調(diào)整復(fù)位。

運(yùn)用時空效應(yīng)控制基坑開挖過程

時空效應(yīng)施工方法的特點(diǎn)是根據(jù)基坑規(guī)模、幾何尺寸、圍護(hù)墻體及支撐結(jié)構(gòu)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(yīng)法強(qiáng)調(diào)設(shè)計與施工密切配合，可以克服設(shè)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(dá)到控制基坑周邊地層位移以及保護(hù)環(huán)境的目的，同時降低開挖時的地基加固成本。

津?yàn)I輕軌中山門西段工程位于天津六緯路沿線，地面兩側(cè)主要建筑物有萬隆中心大廈等建筑，車站全長198.9 m，區(qū)間段線路全長275.6 m，基坑深約17.5 m，寬度為20.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻，地連墻深33 m。據(jù)勘察結(jié)果分析，該區(qū)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(xiàn)場緊鄰海河，地下水豐富，劃分15個工程地質(zhì)層，巖性主要為粘性土、粉土和粉砂。深基坑開挖運(yùn)用時空效應(yīng)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(tài)下產(chǎn)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(nèi)開挖完成，在8 h內(nèi)安裝兩根鋼支撐并按設(shè)計要求施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計軸力的23%~29%。

（3）分段基坑開挖完2 d內(nèi)澆注混凝土墊層，7 d內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)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(xù)開挖至第2道鋼支撐下0.5 m→安裝第2道鋼支撐→繼續(xù)開挖至第3道鋼支撐下0.5 m→安裝第3道鋼支撐→繼續(xù)開挖至第4道鋼支撐下0.5 m→安裝第4道鋼支撐→繼續(xù)開挖至基底，進(jìn)行基底處理，埋設(shè)接地網(wǎng)。基坑開挖至第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(shè)示意

實(shí)現(xiàn)信息化施工

施工監(jiān)測是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，監(jiān)測工作的成效性與選用的監(jiān)測方法和測點(diǎn)的布置有直接關(guān)系，要遵循可靠性、多層次原則，重點(diǎn)監(jiān)測關(guān)鍵區(qū)，要方便使用、經(jīng)濟(jì)合理，通常實(shí)施步驟包括。

（1）沿線既有建筑物的現(xiàn)場實(shí)測和調(diào)研。對地下有關(guān)建筑物和構(gòu)筑物的布設(shè)方式、結(jié)構(gòu)形式以及目前的破壞狀況進(jìn)行調(diào)研。

（2）制定監(jiān)測項(xiàng)目的計劃和方案。根據(jù)監(jiān)測方案及時布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在基坑開挖前獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)初值并根據(jù)方案要求的頻率進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)全部采用電子采集系統(tǒng)并將施工現(xiàn)場獲得數(shù)據(jù)使用專用軟件進(jìn)行計算分析。

（3）對建筑物高程初始值的確認(rèn)。

（4）傳感器的埋設(shè)。

（5）施工監(jiān)測。

（6）信息傳輸。所有現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)，要通過自動或人工的形式，及時安全地傳送到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，以便按時提供可靠的結(jié)果。

（7）將現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)的分析結(jié)果和預(yù)測，形成定期簡報。

結(jié)語

深基坑工程施工引起的環(huán)境效應(yīng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，需要在多個方面進(jìn)行深入研究，嚴(yán)格控制每一個環(huán)節(jié)，不能有絲毫的放松。在保證各項(xiàng)措施制定合理、實(shí)施到位的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步探索如何對深基坑工程引起的環(huán)境效應(yīng)作出一個定量的評估。

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