软土地基深基坑开挖对周围环境的影响和保护

□姜军礼（上海同济工程项目管理咨询有限公司）

软土地基深基坑开挖对周围环境的影响和保护

□姜军礼（上海同济工程项目管理咨询有限公司）

对软土地基土方开挖变形机理、变形因素进行分析，阐明了深基坑开挖变形控制及环境保护应采取的保护措施；在工程实践及理论创新上提出与时俱进的理念。

深基坑；变形机理；变形因素；保护措施

1.工程概况

该工程位于上海市,基坑开挖面积20000m2，周长约620m，开挖深度19.80～21.7m；围护结构为地下连续墙；工程四周以道路为主；场地东侧4.8m为煤气管线；北侧5～8m为给水管线；基坑东北角为历史保护建筑，南侧为隧道；东侧13m通道；附近为风景名胜区。

上海土质分9层，以粘性土为主；场地浅部土层中地下水为潜水类型，水位稳定于0.32～0.50m之间，年水位变化幅度在1m左右；场区内⑤3层砂性较多，具有微承压性，与承压水有直接水力联系。

2.问题的提出

为做好现场监理工作，根据工程概况，监理人员应首先理解并掌握以下几个问题：基坑开挖对周围环境的影响，主要影响因素是什么？基坑开挖后基坑坑底隆起、围护水平位移、坑外土体沉降的原因是什么？基坑开挖对隧道、通道、道路、周围管线、保护建筑等建筑物的影响有哪些。

3.变形机理分析

开挖变形主要包括3个部分：基坑土体隆起、墙体变形、基坑周围土体变形，三者是相互联系的。

3.1 基坑土体隆起变形：基坑开挖时，由于土体卸荷，坑底土体产生回弹。该工程土质主要为粘土，开挖过程还将导致土体产生负孔隙水压力，负孔隙水压力的释放进一步导致土体吸水膨胀和软化，使基坑进一步隆起。

在开挖深度不大时，坑底土体卸荷后发生竖向隆起；在基坑开挖深度增大时，由于内外土面的高差较大，坑底墙边会产生塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区域，并引起地面沉降。

3.2 围护墙体变形：墙体围护变形主要表现为水平变形，当开挖深度较浅时，首道水平支撑形成前，墙体侧向变形表现为三角形分布，墙顶位移最大，表现为绕底部以下某点向坑内旋转；随着开挖深度的增加，墙体变形表现为墙顶位移不变，中部向坑内突出。

3.3 坑外土体位移：基坑开挖时，荷载不平衡导致支护结构产生水平位移，从而改变基坑外围土体的原始应力状态，引起土体移动。支护结构的外侧主动区的土体向坑内移动，使背后水平应力减小，剪力增大，出现塑性区；开挖面以下的被动区土体向坑内方向移动，使坑内水平应力增加，导致坑底土体剪切应力增加而发生水平挤压和向上隆起。因此，可以认为基坑开挖引起周围移动的原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。在软土地区，基坑周围土体塑性较大，流动性也较大，土体从支护结构外围向坑内和坑底移动，也是坑外土体变形的原因。

4.产生变形因素分析

根据基坑变形机理分析，基坑变形影响因素主要有以下几个方面：

4.1 土层特点及地下水条件：基坑的变形与所处土层条件紧密相关，土层的分布、强度及刚度等因素对基坑变形产生重要影响，尤其是在软弱的土层中；地下水位的高低、潜水、承压水分布及其径流情况也会对基坑变形产生影响，尤其是承压水头较高时，承压水对坑底的隆起产生一定影响。

4.2 荷载条件：荷载包括开挖卸载、施工荷载、交通荷载、周围建筑物荷载，基坑开挖卸载是诱发基坑变形的首要原因。

4.3 围护墙及支撑的性能：此为设计因素，主要包括围护墙的刚度及插入深度、支撑的横向及竖向间距。

4.4 基坑的形状及尺寸：基坑几何形状及尺寸对基坑的变形有一定影响，主要表现为空间效应，如基坑是否存在阳角，是否为长条形及基坑的深度。

4.5 施工工艺：开挖顺序及基坑未形成支撑的暴露时间、开挖分块面积对基坑的变形产生重要影响。

4.6 降水、承压水渗流及坑底土体固结：降水使得地下水水头损失，从而产生渗流力；开挖前潜水疏干，开挖过程中土体孔隙水压力逐渐消散，土壤固结，两者一定程度上提高坑内被动区土体强度和变形模量。

5.基坑变形控制和保护环境措施

根据基坑开挖变形机理及影响因素，变形控制措施应主要针对坑底隆起和围护水平位移两个方面展开。减小基坑变形是控制措施的出发点和落脚点，结合本工程，开挖过程监理控制措施如下：

5.1 基坑开挖前应进行预降水，应严格控制降水水位和降水时间，重点关注出水量、出水速度、水位降深等。严格按照规范要求控制潜水位为开挖面下0.5～1m，承压水位开挖面下1～2m。

5.2 软土地基土壤含水率较高，渗透系数较小，潜水降水应为真空排水，坑底开挖面土壤应避免干扰。

5.3 土方开挖条件的验收应严控施工单位表面水排水设施的数量、性能及现场排水沟等排水措施到位情况。

5.4 基坑开挖过程中应密切注意前期工程措施对基坑开挖的影响，如桩基、桩基注浆管、地质勘查孔、抽水试验井等，同时对每层开挖土质给予关注，对照地质报告，验证其符合性。该工程位软土地基，开挖过程明显具有时空效应。监理人员巡查工作应重点控制以下几点：

5.4.1 严格控制开挖方式，根据专家论证成果及施工方案的要求经优化开挖顺序，必须得到设计单位的认可；土方开挖方式的变更属于重大变更，必须重新组织专家论证。

土方开挖方式是施工单位根据设计图纸及工程地质、要求工期等综合得出，无论是“盆式开挖”还是“中心岛式开挖”，是施工单位根据安全演算得出的结果。基坑开挖坑底隆起量经验公式：

§=0.5h+0.04h2

§—坑底隆起量(cm)

h—基坑开挖深度（m）

根据该公式，本工程开挖至三层土方中部时（h=10m），坑底隆起量为90mm,开挖至20m，即基坑坑底时，坑底隆起量为260mm,从10～20m坑底隆起量为160mm。

上述计算明显说明随着基坑开挖深度的加深，坑底隆起量有加快的特点。因此，某种具体情况下，在基坑开挖较浅、基坑面积较大的情况下，盆式开挖可以有效的控制围护结构的水平位移，而在基坑开挖较深的情况下，可在最底层土方开挖时采用中心岛式开挖。

5.4.2 根据设计及规范的要求，严格控制开挖顺序、无支撑基坑暴露时间及开挖面积。

5.4.3 根据规范要求，严格控制基坑开挖16字方针的落实，施工单位优化的开挖方案必须努力做到对称、平衡开挖，可适当增加开挖层数、缩小开挖分块、长度和宽度。

以上5条控制措施，基本可以通过经验公式给以直观表示：

§=ηaηb∑（§i/Ei）*hi+Z*σ/hr;

§—基坑开挖时坑底以下Z深处的回弹量;

i—基坑开挖第i层，共n层;

ηa—开挖面积修正系数;

ηb—坑底暴露时间修正系数;

§i—第i层土卸荷量;

hi—第i层土厚度;

σ—与地下连续墙插入深度有关的修正系数;

hr—残余应力影响深度;

Ei—第i层土的回弹量。

公式表明，基坑开挖深度、分块开挖面积、无支撑暴露时间、围护入土深度、土体弹性模量都直接影响坑底隆起量。

5.5 本工程处于市中心区域，由于周边环境敏感，建设单位较为谨慎，将风险状态下的应急处理措施在工程设计阶段给以落实；对隧道的保护：在隧道埋深较浅区域采取了灌注桩隔离措施；如有必要，设置注浆管，根据监测数据，采用跟踪注浆保护；为减少围护水平变形，在坑内沿墙体采取了8.8m宽三轴搅拌桩加固措施；对历史保护建筑，采取了基础托换的保护措施；通道为世博服务工程，施工过程中采取大开挖方式，围护完善，未采取措施。本工程地表监测平均值为-5±2mm，控制良好。

6.信息化施工对拟采取的监理措施有重要的指导意义

监理措施应在对施工工况、监测值综合分析，以基坑变形机理为指导，以变形因素为前提的基础上得出，从而保证了监理措施的针对性、时效性、系统性：监理措施的时效性：基坑监测与工程降水、土方开挖配合进行，工况和监测值是对应关系，变形影响具有动态性、滞后性和累积性；监理措施的系统性：基坑变形的内在规律性，决定了监测数据具有相互验证和校核的特点，监理措施应该是组合的、优化的，以突变的监测数据、累积最大监测值、报警点是关注重点；绘制监测值变化曲线图，掌握基坑变形总体状况和动态变化趋势。

7.结语

在城市敏感区域施工，保证施工过程安全、保护环境是第一位的，是“安全第一、预防为主”思想的重要体现。

深基坑土方开挖阶段危险性大，涉及到多个危险性较大分项工程，如土方开挖、井点降水、支撑施工等；不同的工程，设计方案不同，工程特点就不同；工程地质及水文地质不同，在施工过程就会产生不同的施工工况。因此在掌握基坑变形原理及控制措施的共性的前提下，监理人员应充分了解不同工程的个性，牢固树立以变形控制为前提，以沉降控制为核心的理念。

由于深基坑变形理论主要基于工程实践的总结，缺乏有说服力的实践经验和试验成果，作为监理人员，必须具有不断学习勇于探索的精神，在新工艺、新技术不断涌现，先进管理理念不断更新的现代社会，只有与时俱进，不断开拓才能更好的完成本职工作。

[1]《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99.

[2]《基坑工程技术规范》DJ/TJ08-2010.

2012-06-20