經驗交流：地鐵深基坑開挖引起的效應及措施（一）
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘 要：地鐵深基坑工程施工對周圍環境的影響很，需要采取合理措施對其進行保護。就南京地鐵深基坑工程中的基坑時空效應、降水基坑外的地面沉降、信息化施工等施工引起的環境問題進行討論，并提出環境保護措施。
關鍵詞：基坑工程；環境保護；時空效應；降水；隆起；地面沉降；信息化；監測
1、概述
近年來隨著我國地鐵建設的發展，越來越多的城市修建地鐵。而地鐵深基坑工程具有開挖難度、工期長、費用高及對周圍環境的影響等問題，它已經成為城市建設中一個亟待攻克的難題，其中的環境保護問題已經成為基坑支護中諸多問題的重中之重。因此地鐵基坑工程施工的好壞，直接影響到基坑工程的造價和安全，同時，保護鄰近建筑（或管道）的安全并保證其正常使用具有重的經濟效益和社會效益。
2、基坑開挖引起的環境效應
城市地鐵深基坑工程具有以下特點：
?。?）深基坑工程施工環境條件比較差。由于高層、超高層建筑都集中在城市中心區及主要街道的兩旁，建筑密度，人口密集，交通擁擠，施工場地狹小，束縛了工程施工的手腳。
?。?）基坑開挖越來越深。業主為節約土地，充分利用原有基地面積和地下空間，設置車站、人防、機房及消防設施，故地鐵結構的深度和層數相應增加。
（3）必須設置技術可靠可行的支護結構來確保安全，還要考慮到對周圍地下的煤氣、上水、下水、電訊、電纜等管線的影響，盡可能減少對這一系列建筑及設施的損壞性影響。
?。?）隨著競爭機制的增加，業主對造價、工程進度、工程質量的要求也越來越高，相應增加了施工難度。
2.1降低地下水引起的環境效應降低地下水位引起的環境效應表現為：
（1）降低地下水位引起的地面沉降；
?。?）地下水滲透破壞引起的基坑坍塌；
（3）基坑突涌導致的基土開裂。
在基坑開挖過程中，通常采用井點降水來達到降低水位、固結土體、穩定邊坡和便于開挖的目的。同時，基坑降水，由于水位降落而引起地面沉降，相應形成以水位漏斗為中心的地面沉降變形區，導致次范圍內的建筑、道路、管網等設施因不均勻沉降而發生斷裂、傾斜，影響其正常使用和安全。
降低地下水位引起的環境變化機理為：
?。?）水位降低減少了土中地下水對地上建筑物的浮托軟弱土層受到壓縮而沉降；
?。?）使孔隙水從土中排出。土體固結變形，本身就是壓縮沉降過程，降水過程中，常會隨著抽出的水流帶走土層中部分細微土粒，引起周圍地面沉降。地面沉降與地下水位降落是對應的，地下水位降落的曲面分布必然引起鄰近建筑物的不均勻沉降。當地面沉降達到一定程度時，建筑物就會發生開裂、傾斜甚至倒塌現象；
?。?）基坑開挖時，基坑內、周邊地下水位存在一定的水頭差，在動水壓力作用下，基坑土會發生流（土）失、潛蝕現象，導致土體結構松動和破壞，引起基坑坍塌。
?。?）當基坑內、外水位差較，或基坑下部有承壓水存在，基坑使原有土壓力減少到一定程度時，承壓水的水頭壓力于基坑底土體浮重力，形成管涌、側涌現象，造成基土開裂。
2.2支護結構發生變形和位移引起的環境效應支護結構發生變形和位移引起的環境效應表現為：
（1）支護結構本身破壞而導致邊坡失穩；
?。?）支護結構整體破壞而導致基坑隆起；
（3）支護結構發生變形和位移而引起鄰近建筑設施破壞。
支護結構發生變形和位移引起的環境效應的機理為：
（1）基坑地基土卸載改變坑底原始應力狀態，在基坑開挖時，土體中自重壓力減小，土體的彈性效應使基坑底面產生一定的回彈變形（隆起），坑底表現為彈性隆起，其特征為坑底中部隆起最高，彈性隆起在基坑開挖停止后很快就停止，基本不會引起坑外土體向坑內移動；隨著開挖深度的增，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外側土體向坑內移動，使坑底產生向上的塑性變形，其特征為兩邊中間小的隆起狀態；
?。?）在基坑周圍產生較的塑性區，并引起地面沉降；
?。?）基坑底面暴露時間過長，使基坑積水，一方面，使得粘性土的流變性，將增墻體被動壓力區的土體位移和墻外土體向坑內的位移，從而增加地表的沉降。
（4）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能力喪失支護結構嵌入深度不足引起基坑隆起，并使地基強度降低或喪失。
3、基坑工程中的環境保護
對于基坑周圍環境的保護，人們積累了許多的保護經驗，如選用剛度的圍護結構、進行基坑內外的地基加固以提高土體的抗變形能力、對基坑近旁的建筑物和構筑物進行地基加固或地基處理、在基坑與建筑物間設置隔斷樁或隔斷墻以及注漿保護、通過少量注漿影響變形傳播的途徑等措施；盡管保護方法千差萬別，但其作用的機理不外乎是減少基坑開挖的影響、提高圍護環境的抗變形能力、切斷影響途徑等3種。
3.1基坑工程中的環境保護
時空效應法是為解決深基坑整體穩定和坑周地層位移控制問題、參考新奧法隧道施工中的時空效應理論和量軟土基坑實踐而提出的一種計算和控制基坑結構變形及周圍地層位移的方法。通過量的軟土基坑實踐，人們已經意識到：在基坑施工過程中， 每個開挖步驟的開挖空間幾何尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數對基坑變形具有明顯的相關性。考慮時空效應的施工步驟的主要特點是：根據基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置、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。時空效應法強調設計與施工密切配合，一改以往設計工況與施工工況不符的現狀，實踐證明，科學地制定考慮時空效應的開挖和支撐的施工設計方案，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，達到控制坑周地層位移以及保護環境的目的。從而改變目前基坑中為控制坑周地層位移而不合理地采用昂貴的地基加固做法。
從工程實用性和可靠性出發，在基坑支護結構（擋墻、支撐及擋墻被動區加固土體）的內力及變形計算中，采用彈性計算法所用的較簡單的力學模型和設計參數項目，但對其中反映基坑變形總體效應的最主要的綜合參數——基坑擋墻被動區的水平抗力系數，按一定的地質和施工條件，做出經驗性的修正。此綜合參數是土的力學性指標和每一步基坑挖土的空間尺寸及暴露時間的函數，其數值是根據在一定施工條件下基坑開挖中所測出的基坑變形數據，經反分析而得出的控制標準及設計外荷等依據的同時，合理地選定施工程序及施工參數，以完善設計依據并提供實施設計的保證，從而有效地解決流變性地層中深基坑的控制變形設計不符合實際的問題。
根據基坑工程設計所選定的主要施工參數，按基坑規模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件，提出詳細的可操作的開挖和支撐的施工程序及施工參數。開挖和支撐的施工工序基本是按“分層、分步、對稱、平衡”的原則而制定的，最主要的施工參數是分層開挖的層數。每層開挖深度以及基坑擋墻被動區土體在基坑中間部分地層先開挖的工程中保留成支撐擋墻的土堤，此土堤斷面尺寸按其能抵住擋墻的要求而定，亦為主要設計參數；嚴格按選定的施工程序和施工參數施工，就使復雜多變的施工因素變為較明確而有規律性的施工因素，其引發的時空效應也能較好地符合設計預期的要求。
在長方形基坑中，基坑開挖和支撐的施工技術要點是，按一定長度分段開挖和澆筑結構，在每段開挖中再分層。每層分小段開挖和支撐，隨挖隨撐，施加預應力，每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定限值之內。在不規則的基坑施工中，采用分層盆式開挖法，在每一層開挖中間部分并安裝或澆注此范圍的支撐，而后將各根支撐兩端支承擋墻的土堤，分步、對稱拆除并即時安裝或澆注其間頂住擋墻的部分支撐。每個分步的開挖和支撐施工時間，根據支撐方式等具體情況，給定明確的控制值。
在運用基坑開挖中的時空效應規律時，基坑結構特性參數、地基土（包括加固土體）特性參數及施工工藝參數都是相互影響并共同對控制變形發揮作用的基本要素，它們都是控制基坑變形的設計依據，控制變形的設計要素。
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關鍵詞：基坑工程；環境保護；時空效應；降水；隆起；地面沉降；信息化；監測
1、概述
近年來隨著我國地鐵建設的發展，越來越多的城市修建地鐵。而地鐵深基坑工程具有開挖難度、工期長、費用高及對周圍環境的影響等問題，它已經成為城市建設中一個亟待攻克的難題，其中的環境保護問題已經成為基坑支護中諸多問題的重中之重。因此地鐵基坑工程施工的好壞，直接影響到基坑工程的造價和安全，同時，保護鄰近建筑（或管道）的安全并保證其正常使用具有重的經濟效益和社會效益。
2、基坑開挖引起的環境效應
城市地鐵深基坑工程具有以下特點：
?。?）深基坑工程施工環境條件比較差。由于高層、超高層建筑都集中在城市中心區及主要街道的兩旁，建筑密度，人口密集，交通擁擠，施工場地狹小，束縛了工程施工的手腳。
?。?）基坑開挖越來越深。業主為節約土地，充分利用原有基地面積和地下空間，設置車站、人防、機房及消防設施，故地鐵結構的深度和層數相應增加。
（3）必須設置技術可靠可行的支護結構來確保安全，還要考慮到對周圍地下的煤氣、上水、下水、電訊、電纜等管線的影響，盡可能減少對這一系列建筑及設施的損壞性影響。
?。?）隨著競爭機制的增加，業主對造價、工程進度、工程質量的要求也越來越高，相應增加了施工難度。
2.1降低地下水引起的環境效應降低地下水位引起的環境效應表現為：
（1）降低地下水位引起的地面沉降；
?。?）地下水滲透破壞引起的基坑坍塌；
（3）基坑突涌導致的基土開裂。
在基坑開挖過程中，通常采用井點降水來達到降低水位、固結土體、穩定邊坡和便于開挖的目的。同時，基坑降水，由于水位降落而引起地面沉降，相應形成以水位漏斗為中心的地面沉降變形區，導致次范圍內的建筑、道路、管網等設施因不均勻沉降而發生斷裂、傾斜，影響其正常使用和安全。
降低地下水位引起的環境變化機理為：
?。?）水位降低減少了土中地下水對地上建筑物的浮托軟弱土層受到壓縮而沉降；
?。?）使孔隙水從土中排出。土體固結變形，本身就是壓縮沉降過程，降水過程中，常會隨著抽出的水流帶走土層中部分細微土粒，引起周圍地面沉降。地面沉降與地下水位降落是對應的，地下水位降落的曲面分布必然引起鄰近建筑物的不均勻沉降。當地面沉降達到一定程度時，建筑物就會發生開裂、傾斜甚至倒塌現象；
?。?）基坑開挖時，基坑內、周邊地下水位存在一定的水頭差，在動水壓力作用下，基坑土會發生流（土）失、潛蝕現象，導致土體結構松動和破壞，引起基坑坍塌。
?。?）當基坑內、外水位差較，或基坑下部有承壓水存在，基坑使原有土壓力減少到一定程度時，承壓水的水頭壓力于基坑底土體浮重力，形成管涌、側涌現象，造成基土開裂。
2.2支護結構發生變形和位移引起的環境效應支護結構發生變形和位移引起的環境效應表現為：
（1）支護結構本身破壞而導致邊坡失穩；
?。?）支護結構整體破壞而導致基坑隆起；
（3）支護結構發生變形和位移而引起鄰近建筑設施破壞。
支護結構發生變形和位移引起的環境效應的機理為：
（1）基坑地基土卸載改變坑底原始應力狀態，在基坑開挖時，土體中自重壓力減小，土體的彈性效應使基坑底面產生一定的回彈變形（隆起），坑底表現為彈性隆起，其特征為坑底中部隆起最高，彈性隆起在基坑開挖停止后很快就停止，基本不會引起坑外土體向坑內移動；隨著開挖深度的增，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外側土體向坑內移動，使坑底產生向上的塑性變形，其特征為兩邊中間小的隆起狀態；
?。?）在基坑周圍產生較的塑性區，并引起地面沉降；
?。?）基坑底面暴露時間過長，使基坑積水，一方面，使得粘性土的流變性，將增墻體被動壓力區的土體位移和墻外土體向坑內的位移，從而增加地表的沉降。
（4）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能力喪失支護結構嵌入深度不足引起基坑隆起，并使地基強度降低或喪失。
3、基坑工程中的環境保護
對于基坑周圍環境的保護，人們積累了許多的保護經驗，如選用剛度的圍護結構、進行基坑內外的地基加固以提高土體的抗變形能力、對基坑近旁的建筑物和構筑物進行地基加固或地基處理、在基坑與建筑物間設置隔斷樁或隔斷墻以及注漿保護、通過少量注漿影響變形傳播的途徑等措施；盡管保護方法千差萬別，但其作用的機理不外乎是減少基坑開挖的影響、提高圍護環境的抗變形能力、切斷影響途徑等3種。
3.1基坑工程中的環境保護
時空效應法是為解決深基坑整體穩定和坑周地層位移控制問題、參考新奧法隧道施工中的時空效應理論和量軟土基坑實踐而提出的一種計算和控制基坑結構變形及周圍地層位移的方法。通過量的軟土基坑實踐，人們已經意識到：在基坑施工過程中， 每個開挖步驟的開挖空間幾何尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數對基坑變形具有明顯的相關性。考慮時空效應的施工步驟的主要特點是：根據基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置、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。時空效應法強調設計與施工密切配合，一改以往設計工況與施工工況不符的現狀，實踐證明，科學地制定考慮時空效應的開挖和支撐的施工設計方案，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，達到控制坑周地層位移以及保護環境的目的。從而改變目前基坑中為控制坑周地層位移而不合理地采用昂貴的地基加固做法。
從工程實用性和可靠性出發，在基坑支護結構（擋墻、支撐及擋墻被動區加固土體）的內力及變形計算中，采用彈性計算法所用的較簡單的力學模型和設計參數項目，但對其中反映基坑變形總體效應的最主要的綜合參數——基坑擋墻被動區的水平抗力系數，按一定的地質和施工條件，做出經驗性的修正。此綜合參數是土的力學性指標和每一步基坑挖土的空間尺寸及暴露時間的函數，其數值是根據在一定施工條件下基坑開挖中所測出的基坑變形數據，經反分析而得出的控制標準及設計外荷等依據的同時，合理地選定施工程序及施工參數，以完善設計依據并提供實施設計的保證，從而有效地解決流變性地層中深基坑的控制變形設計不符合實際的問題。
根據基坑工程設計所選定的主要施工參數，按基坑規模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件，提出詳細的可操作的開挖和支撐的施工程序及施工參數。開挖和支撐的施工工序基本是按“分層、分步、對稱、平衡”的原則而制定的，最主要的施工參數是分層開挖的層數。每層開挖深度以及基坑擋墻被動區土體在基坑中間部分地層先開挖的工程中保留成支撐擋墻的土堤，此土堤斷面尺寸按其能抵住擋墻的要求而定，亦為主要設計參數；嚴格按選定的施工程序和施工參數施工，就使復雜多變的施工因素變為較明確而有規律性的施工因素，其引發的時空效應也能較好地符合設計預期的要求。
在長方形基坑中，基坑開挖和支撐的施工技術要點是，按一定長度分段開挖和澆筑結構，在每段開挖中再分層。每層分小段開挖和支撐，隨挖隨撐，施加預應力，每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定限值之內。在不規則的基坑施工中，采用分層盆式開挖法，在每一層開挖中間部分并安裝或澆注此范圍的支撐，而后將各根支撐兩端支承擋墻的土堤，分步、對稱拆除并即時安裝或澆注其間頂住擋墻的部分支撐。每個分步的開挖和支撐施工時間，根據支撐方式等具體情況，給定明確的控制值。
在運用基坑開挖中的時空效應規律時，基坑結構特性參數、地基土（包括加固土體）特性參數及施工工藝參數都是相互影響并共同對控制變形發揮作用的基本要素，它們都是控制基坑變形的設計依據，控制變形的設計要素。
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