深基坑开挖引起的周边环境沉降及控制

魏巍 张德标 张玮玮

【摘要】基坑开挖使土体内应力重新分布，由初始应力状态变为第二应力状态，致使围护结构产生变形、位移，引起基坑周围地表沉陷，从而对临近建筑物和地下设施带来不利影响。不可避免会对周围的建筑、道路以及管线等造成影响，主要包括：临近建筑物的开裂、倾斜；道路开裂；地下管线的变形、开裂等。

【关键词】深基坑；沉降；控制

1 概述

目前，国内外已有不少学者对基坑开挖引起的环境问题进行了研究。Attwell对基坑开挖引起的地面沉降及对地面建筑物和地下管线的影响进行了研究[1]。Laefer通过模型试验，研究了刚性和柔性悬臂支护结构对坑周土体及邻近建筑物位移的不同影响[2]。刘维宁等对非饱和土的工程性质及城市地下工程的环境影响和控制理论方面进行了研究。王利民等依据上海外滩金融中心的深基坑工程施工监测结果，分析了基坑开挖引起周围建筑物的沉降变形影响范围、沉降量与距基坑的距离以及围护结构和土体的水平位移之间的关系、地表沉降与围护结构水平位移之间关系等。张亚奎用FLAC3D模拟分析了在不同支护情况下，深基坑开挖对近邻建筑物的变形、支护结构变形以及基坑外地层沉降的影响，对其发展变化规律进行了分析总结。

2 深基坑周边地表沉降影响因素

2.1深基坑围护结构变形

（1）围护结构刚度和横向支撑刚度的影响

围护结构刚度对基坑围护结构的水平位移有较大的影响，通过增大围护结构的刚度，可以有效地减小围护结构自身的水平位移导致的地面沉降。大量工程实践表明，当围护结构的刚度从较小值逐步增大时，坑外地表最大沉降呈明显下降趋势。基坑在架设内支撑，特别是架设多道支撑后可有效地控制围护结构的变形，在适当的范围内增加支撑的刚度能够明显减小围护结构的水平位移，但支撑刚度达到一定程度后，水平位移的变化率将明显减小。

（2）基坑开挖过程中的时空效应

近年来在一些地区的实践和研究中发现，在深基坑开挖和支撑过程中，每个分步开挖的空间几何尺寸和支护墙体开挖部分的无支撑暴露时间，与周围墙体和土体位移有一定的相关性，反映出基坑开挖中时空效应的规律性。在沿基坑深度方向上，围护结构的最大水平位移发生在基坑底部附近；在沿基坑边缘方向上，基坑边角处围护结构的水平位移较小，随后逐步增大，至基坑中部达到最大值，但位移的变化率有明显的差异。在地铁深基坑中，由于其独特的长条结构，长宽比较大，这种空间效应尤为明显。

（3）围护结构入土深度及土性的影响

工程实践表明，增大围护结构的入土深度可以有效地减小围护结构的最大水平位移，但随着入土深度的增大，最大水平位移变化率减小，并逐步趋近于零。从理论上讲，围护结构的入土深度越大，坑底土对围护结构的约束也越大，然而实际上，在入土达到一定深度后，再增加入土深度，围护结构的水平位移减小的幅度很小，而工程投资却大为增加。土性对围护结构的水平位移也有较大的影响，研究发现，随着内摩擦角的增大，最大水平位移逐渐减小，几乎呈线性关系。从理论上分析，内摩擦角越大，则主动土压力越小，被动土压力越大，围护结构的水平位移越小。

2.2基底的回弹和隆起

基坑开挖是一种卸载过程，开挖越深，深层应力状态的改变越大，这样不可避免会引起基坑地面土体的回弹变形，此变形不仅影响基坑自身的围护体系，而且对拟建的建筑物都产生较大影响。基坑隆起变形的主要原因有四个方面：一是由于土体挖除，自重应力释放，致使坑底土向上回弹；二是基底土体回弹后，土体松弛与蠕变的影响使土隆起；三是基坑开挖后，在基底面以下部分的支护结构向基坑内变位时，挤推其前面的土体造成基底的隆起；四是粘性土基坑积水。基坑底部的隆起变形，通常是因基底土体侧向承载力不足而引起的剪切破坏变形。当侧向荷载较小时，侧向压力和隆起变形基本呈直线关系，属于线性变形阶段；当荷载增加到一定程度时，支护结构边缘处的坑底土体开始发生剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏区或称塑性变形区逐渐扩大，这时土体承受的侧向压力与其变形呈曲线关系，属于弹塑性变形阶段。如果支护结构上的侧向荷载继续增加，剪切破坏区进一步扩大，最终在基坑底部土体形成一个连续的滑动面，基坑侧壁土体急剧下沉，支护结构向内侧倾倒，同时引起基坑底面支护结构邻近的地面隆起。

2.3降水引起的墙外地层固结沉降

深基坑开挖绝大多数情况都需要进行人工降低地下水水位，它有两个目的：一方面能保证基坑开挖在干燥的环境下进行，为机械化进场施工创造了良好的条件。另一方面基坑边坡地下疏水以及含水量的降低会提高岩土体的c、值，从而增加了基坑边坡的稳定性，保证施工的顺利进行。基坑降水大幅降低基坑及周边地区地下水位，使深基坑开挖区域附近地下水发生激烈流动，基坑周围土体孔隙水压力发生剧烈变化，从而引起地面沉降，对基坑及其周围环境产生不良影响。由有效应力原理可知：人工降水前，土体所受荷载由土粒和孔隙水承担，降水完成后，土体中的孔隙水被疏干或者部分疏干，孔隙水所承担的应力减小，土的有效应力增加，从而使土体产生固结压密，降水范围内的土体固结压密，在地面上则产生了沉降和水平位移。

降水產生地面沉降的原因为：处于地下水位之下的土体，当地下水被疏干时，浮力消失，所消失的浮力转化为自重应力，其自重应力增加值相当于浮力消失值，并可视等同于原始状态下土体附加应力增加值，因而可以借助土体在附加应力作用下产生压缩变形的计算公式来计算沉降量：

（4）

式中，为最终沉降量（cm）；a为压缩系数（MPa）；e。为孔隙比；△P为附加应力（MPa）；H为压缩层厚度（cm）。

一般情况下，在地下水位降深范围内，存在一种或两种以上土体，尤其存在多种土体时，水位降低后，较软弱土体首先被压缩变形，该土体压缩系数a、孔隙比e。可据工勘资料取得，附加应力则可利用压缩层顶板埋深减去静止水位埋深值换算后取得。

3 减小沉降的措施

减少地表沉降的主要措施为：采取刚度较大的地下连续结构；分层分段开挖，并设置支撑；基地土加固；坑外注浆加固；增加围护结构入土深度和墙外帷幕；尽量缩短基坑施工时间；在保护区内设回灌系统；尽量减少降水次数。根据基坑开挖深度、地基土及周围环境条件，选择经济而安全的设计方案。

同时，深基坑的设计与施工是密不可分、相互依赖的。施工的每一个阶段，结构体系和外荷载都在变化，对支护结构的变形、内力有很大影响。在施工过程中进行工程监测，即对墙体内力、位移、侧土压力、土体变形、孔隙水压力、支撑内力及周围环境的变形进行量测，并将结果反馈调整设计参数和施工进程，采用先进的信息化施工方法。这种方法在深基坑施工过程中，可预知可能引起局部或整体破坏的先兆，及时修改设计或采取必要的施工措施，以确保支护结构的安全和减少环境影响。

参考文献

[1] 陈锦剑，范巍，王建华. 深基坑坑外降水引起土体沉降的有限元分析[J]，岩土工程学报，2006，28

[2]陈忠汉，程丽萍.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，1999，10.