軟土地基深基坑開挖對周圍環境的影響和保護

□姜軍禮（上海同濟工程項目管理咨詢有限公司）

軟土地基深基坑開挖對周圍環境的影響和保護

□姜軍禮（上海同濟工程項目管理咨詢有限公司）

對軟土地基土方開挖變形機理、變形因素進行分析，闡明了深基坑開挖變形控制及環境保護應采取的保護措施；在工程實踐及理論創新上提出與時俱進的理念。

深基坑；變形機理；變形因素；保護措施

1.工程概況

該工程位于上海市,基坑開挖面積20000m2，周長約620m，開挖深度19.80～21.7m；圍護結構為地下連續墻；工程四周以道路為主；場地東側4.8m為煤氣管線；北側5～8m為給水管線；基坑東北角為歷史保護建筑，南側為隧道；東側13m通道；附近為風景名勝區。

上海土質分9層，以粘性土為主；場地淺部土層中地下水為潛水類型，水位穩定于0.32～0.50m之間，年水位變化幅度在1m左右；場區內⑤3層砂性較多，具有微承壓性，與承壓水有直接水力聯系。

2.問題的提出

為做好現場監理工作，根據工程概況，監理人員應首先理解并掌握以下幾個問題：基坑開挖對周圍環境的影響，主要影響因素是什么？基坑開挖后基坑坑底隆起、圍護水平位移、坑外土體沉降的原因是什么？基坑開挖對隧道、通道、道路、周圍管線、保護建筑等建筑物的影響有哪些。

3.變形機理分析

開挖變形主要包括3個部分：基坑土體隆起、墻體變形、基坑周圍土體變形，三者是相互聯系的。

3.1 基坑土體隆起變形：基坑開挖時，由于土體卸荷，坑底土體產生回彈。該工程土質主要為粘土，開挖過程還將導致土體產生負孔隙水壓力，負孔隙水壓力的釋放進一步導致土體吸水膨脹和軟化，使基坑進一步隆起。

在開挖深度不大時，坑底土體卸荷后發生豎向隆起；在基坑開挖深度增大時，由于內外土面的高差較大，坑底墻邊會產生塑性隆起，同時在基坑周圍產生較大的塑性區域，并引起地面沉降。

3.2 圍護墻體變形：墻體圍護變形主要表現為水平變形，當開挖深度較淺時，首道水平支撐形成前，墻體側向變形表現為三角形分布，墻頂位移最大，表現為繞底部以下某點向坑內旋轉；隨著開挖深度的增加，墻體變形表現為墻頂位移不變，中部向坑內突出。

3.3 坑外土體位移：基坑開挖時，荷載不平衡導致支護結構產生水平位移，從而改變基坑外圍土體的原始應力狀態，引起土體移動。支護結構的外側主動區的土體向坑內移動，使背后水平應力減小，剪力增大，出現塑性區；開挖面以下的被動區土體向坑內方向移動，使坑內水平應力增加，導致坑底土體剪切應力增加而發生水平擠壓和向上隆起。因此，可以認為基坑開挖引起周圍移動的原因是坑底土體隆起和圍護墻的位移。在軟土地區，基坑周圍土體塑性較大，流動性也較大，土體從支護結構外圍向坑內和坑底移動，也是坑外土體變形的原因。

4.產生變形因素分析

根據基坑變形機理分析，基坑變形影響因素主要有以下幾個方面：

4.1 土層特點及地下水條件：基坑的變形與所處土層條件緊密相關，土層的分布、強度及剛度等因素對基坑變形產生重要影響，尤其是在軟弱的土層中；地下水位的高低、潛水、承壓水分布及其徑流情況也會對基坑變形產生影響，尤其是承壓水頭較高時，承壓水對坑底的隆起產生一定影響。

4.2 荷載條件：荷載包括開挖卸載、施工荷載、交通荷載、周圍建筑物荷載，基坑開挖卸載是誘發基坑變形的首要原因。

4.3 圍護墻及支撐的性能：此為設計因素，主要包括圍護墻的剛度及插入深度、支撐的橫向及豎向間距。

4.4 基坑的形狀及尺寸：基坑幾何形狀及尺寸對基坑的變形有一定影響，主要表現為空間效應，如基坑是否存在陽角，是否為長條形及基坑的深度。

4.5 施工工藝：開挖順序及基坑未形成支撐的暴露時間、開挖分塊面積對基坑的變形產生重要影響。

4.6 降水、承壓水滲流及坑底土體固結：降水使得地下水水頭損失，從而產生滲流力；開挖前潛水疏干，開挖過程中土體孔隙水壓力逐漸消散，土壤固結，兩者一定程度上提高坑內被動區土體強度和變形模量。

5.基坑變形控制和保護環境措施

根據基坑開挖變形機理及影響因素，變形控制措施應主要針對坑底隆起和圍護水平位移兩個方面展開。減小基坑變形是控制措施的出發點和落腳點，結合本工程，開挖過程監理控制措施如下：

5.1 基坑開挖前應進行預降水，應嚴格控制降水水位和降水時間，重點關注出水量、出水速度、水位降深等。嚴格按照規范要求控制潛水位為開挖面下0.5～1m，承壓水位開挖面下1～2m。

5.2 軟土地基土壤含水率較高，滲透系數較小，潛水降水應為真空排水，坑底開挖面土壤應避免干擾。

5.3 土方開挖條件的驗收應嚴控施工單位表面水排水設施的數量、性能及現場排水溝等排水措施到位情況。

5.4 基坑開挖過程中應密切注意前期工程措施對基坑開挖的影響，如樁基、樁基注漿管、地質勘查孔、抽水試驗井等，同時對每層開挖土質給予關注，對照地質報告，驗證其符合性。該工程位軟土地基，開挖過程明顯具有時空效應。監理人員巡查工作應重點控制以下幾點：

5.4.1 嚴格控制開挖方式，根據專家論證成果及施工方案的要求經優化開挖順序，必須得到設計單位的認可；土方開挖方式的變更屬于重大變更，必須重新組織專家論證。

土方開挖方式是施工單位根據設計圖紙及工程地質、要求工期等綜合得出，無論是“盆式開挖”還是“中心島式開挖”，是施工單位根據安全演算得出的結果。基坑開挖坑底隆起量經驗公式：

§=0.5h+0.04h2

§—坑底隆起量(cm)

h—基坑開挖深度（m）

根據該公式，本工程開挖至三層土方中部時（h=10m），坑底隆起量為90mm,開挖至20m，即基坑坑底時，坑底隆起量為260mm,從10～20m坑底隆起量為160mm。

上述計算明顯說明隨著基坑開挖深度的加深，坑底隆起量有加快的特點。因此，某種具體情況下，在基坑開挖較淺、基坑面積較大的情況下，盆式開挖可以有效的控制圍護結構的水平位移，而在基坑開挖較深的情況下，可在最底層土方開挖時采用中心島式開挖。

5.4.2 根據設計及規范的要求，嚴格控制開挖順序、無支撐基坑暴露時間及開挖面積。

5.4.3 根據規范要求，嚴格控制基坑開挖16字方針的落實，施工單位優化的開挖方案必須努力做到對稱、平衡開挖，可適當增加開挖層數、縮小開挖分塊、長度和寬度。

以上5條控制措施，基本可以通過經驗公式給以直觀表示：

§=ηaηb∑（§i/Ei）*hi+Z*σ/hr;

§—基坑開挖時坑底以下Z深處的回彈量;

i—基坑開挖第i層，共n層;

ηa—開挖面積修正系數;

ηb—坑底暴露時間修正系數;

§i—第i層土卸荷量;

hi—第i層土厚度;

σ—與地下連續墻插入深度有關的修正系數;

hr—殘余應力影響深度;

Ei—第i層土的回彈量。

公式表明，基坑開挖深度、分塊開挖面積、無支撐暴露時間、圍護入土深度、土體彈性模量都直接影響坑底隆起量。

5.5 本工程處于市中心區域，由于周邊環境敏感，建設單位較為謹慎，將風險狀態下的應急處理措施在工程設計階段給以落實；對隧道的保護：在隧道埋深較淺區域采取了灌注樁隔離措施；如有必要，設置注漿管，根據監測數據，采用跟蹤注漿保護；為減少圍護水平變形，在坑內沿墻體采取了8.8m寬三軸攪拌樁加固措施；對歷史保護建筑，采取了基礎托換的保護措施；通道為世博服務工程，施工過程中采取大開挖方式，圍護完善，未采取措施。本工程地表監測平均值為-5±2mm，控制良好。

6.信息化施工對擬采取的監理措施有重要的指導意義

監理措施應在對施工工況、監測值綜合分析，以基坑變形機理為指導，以變形因素為前提的基礎上得出，從而保證了監理措施的針對性、時效性、系統性：監理措施的時效性：基坑監測與工程降水、土方開挖配合進行，工況和監測值是對應關系，變形影響具有動態性、滯后性和累積性；監理措施的系統性：基坑變形的內在規律性，決定了監測數據具有相互驗證和校核的特點，監理措施應該是組合的、優化的，以突變的監測數據、累積最大監測值、報警點是關注重點；繪制監測值變化曲線圖，掌握基坑變形總體狀況和動態變化趨勢。

7.結語

在城市敏感區域施工，保證施工過程安全、保護環境是第一位的，是“安全第一、預防為主”思想的重要體現。

深基坑土方開挖階段危險性大，涉及到多個危險性較大分項工程，如土方開挖、井點降水、支撐施工等；不同的工程，設計方案不同，工程特點就不同；工程地質及水文地質不同，在施工過程就會產生不同的施工工況。因此在掌握基坑變形原理及控制措施的共性的前提下，監理人員應充分了解不同工程的個性，牢固樹立以變形控制為前提，以沉降控制為核心的理念。

由于深基坑變形理論主要基于工程實踐的總結，缺乏有說服力的實踐經驗和試驗成果，作為監理人員，必須具有不斷學習勇于探索的精神，在新工藝、新技術不斷涌現，先進管理理念不斷更新的現代社會，只有與時俱進，不斷開拓才能更好的完成本職工作。

[1]《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-99.

[2]《基坑工程技術規范》DJ/TJ08-2010.

2012-06-20