深基坑開挖工程中的環(huán)境效應(yīng)

趙民，于開寧，萬力，呂炳旭

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266033； 2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊 050031； 3.中國地質(zhì)大學，北京 100083)

深基坑開挖工程中的環(huán)境效應(yīng)

趙民1?，于開寧2，萬力3，呂炳旭2

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266033； 2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊 050031； 3.中國地質(zhì)大學，北京 100083)

基坑開挖引起環(huán)境污染和環(huán)境破壞.從地下水位下降、支護結(jié)構(gòu)變形、支護結(jié)構(gòu)施工三個方面分析了地質(zhì)環(huán)境的破壞型式；概述了支護結(jié)構(gòu)施工過程導(dǎo)致的環(huán)境污染.通過工程實例，構(gòu)建評價指標體系，建立模糊數(shù)學評價模型，評價結(jié)果與環(huán)境影響實際基本吻合。

基坑開挖；環(huán)境效應(yīng)；指標體系；模糊數(shù)學模型

近幾年，全國大中城市的基坑工程呈現(xiàn)出越挖越深、工程地質(zhì)條件和周圍環(huán)境越來越復(fù)雜的趨勢，對于臨時性的基坑工程，業(yè)主關(guān)注更多的是造價，施工單位關(guān)注更多的是效益和進度，設(shè)計單位關(guān)注更多的是安全，監(jiān)測單位關(guān)注更多的是環(huán)境，而建管部門的監(jiān)管重點應(yīng)該是安全與環(huán)境[1]。因此，基坑工程是一個系統(tǒng)工程，考慮的不僅僅是基坑本身的工程技術(shù)問題，很多情況下，而是考慮環(huán)境約束的基本工程條件問題。在確保基坑安全運行的同時，基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)，成為人們關(guān)注的焦點。

1 基坑防護

1.1 基坑開挖支護模式

基坑開挖實際上就是一種卸荷的過程，在解除豎向自重應(yīng)力的同時，水平向自重應(yīng)力也相應(yīng)有所解除，臨空土體產(chǎn)生較大的水平側(cè)向壓力，為平衡土體側(cè)向壓力，防止臨空土體的倒塌，設(shè)置擋土措施，目前常用的基坑支護措施如表1所示。

支護結(jié)構(gòu)選型表[2] 表1

基坑變形控制環(huán)保等級標準[3] 表2

1.2 基坑防護標準

基坑開挖過程中，不確定因素較多，為減少各種環(huán)境土工問題的發(fā)生，最大限度降低基坑對其周邊環(huán)境的不良影響，加強基坑監(jiān)測，進行信息化施工成為環(huán)境效應(yīng)防護的必然要求，環(huán)境防護標準如表2所示。

2 基坑開挖中的環(huán)境效應(yīng)

基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)為環(huán)境污染和環(huán)境破壞兩種類型[4]。環(huán)境污染是指人類活動向環(huán)境排放了超過環(huán)境自凈能力或環(huán)境質(zhì)量標準的有毒有害物質(zhì)和能量所引起的環(huán)境問題，例如大氣污染、水體污染等。環(huán)境破壞是指在開發(fā)利用自然環(huán)境和自然資源的活動過程中所引起的非排污性問題，例如基坑開挖對周圍建筑及道路的影響；降水工程引起的環(huán)境問題等。

2.1 基坑開挖引起的環(huán)境破壞

基坑開挖引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)主要來自地下水及支護結(jié)構(gòu)的破壞、變形和位移的影響，使周圍建筑物產(chǎn)生不均勻沉降、開裂，鄰近道路下沉，管線位移乃至斷裂，甚至更為嚴重的后果，影響人們的生產(chǎn)生活和社會穩(wěn)定[5]。

基坑開挖時，坑底以上的土體，因受到具有較大水平壓力的外側(cè)土體的擠壓，便產(chǎn)生水平壓縮，于是支護樁體內(nèi)移，并伴隨出現(xiàn)坑外地面沉降；另一方面，人工降低地下水位，會增大坑外土體的豎向和水平向自重應(yīng)力，造成更大的坑外地面沉降和支護樁體內(nèi)移，樁體內(nèi)移不僅可能破壞坑壁圍護系統(tǒng)，而且使基底尺寸縮小，影響結(jié)構(gòu)施工，同時也造成坑底隆起，嚴重威脅地表安全?；娱_挖地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)示意如圖1所示[6]。

圖1 基坑開挖地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)示意圖

(1)地下水位下降引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)

基坑開挖對地下水的處理有兩條途徑:基坑降水和基坑止水。為保證施工作業(yè)面的需要，對基坑直接進行坑內(nèi)降水或坑外降水，或設(shè)置止水帷幕，隔斷坑外地下水，形成水頭差，錨桿施工可能發(fā)生漏水漏砂，均可發(fā)生水位下降。降低地下水引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)型式:

①地面沉降。水位降低，軟弱土層壓縮沉降；水位下降，孔隙水從土中排出，土體發(fā)生固結(jié)變形而壓縮沉降；降水帶出細小土顆粒，土骨架顆粒重新排列，引起地面沉降。

②基坑坍塌。基坑開挖時，基坑內(nèi)外地下水位存在一定的水頭差，在動水壓力作用下，基坑土發(fā)生流失、潛蝕等滲透破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)松動和破壞，引起基坑坍塌。

③基土開裂。當基坑內(nèi)外水頭差較大，或基坑下部有承壓水存在，開挖基坑使原有土壓力減少到一定程度時，承壓水水頭壓力大于基坑底土體浮重力，形成管涌、流砂等基坑突涌現(xiàn)象，導(dǎo)致地基土開裂。

(2)支護結(jié)構(gòu)變形和位移引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)

支護結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為水平和豎向變形，當基坑開挖較淺時，支護結(jié)構(gòu)主要為水平變位，隨著開挖深度的增加，土壓力增大，支護結(jié)構(gòu)變位逐漸回復(fù)，地表變形范圍增大，最大變位量也增大，基坑深度再加深時，基坑應(yīng)力釋放量增大，往往會造成地下支護墻體向上變位，支護樁體的入土深度減少。支護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和位移引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)型式:

①基坑失穩(wěn)。支護結(jié)構(gòu)自身破壞，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)，表現(xiàn)為大面積滑坡；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(jié)構(gòu)體系承載力喪失；支護結(jié)構(gòu)位移過大；地基土強度不夠，樁側(cè)土的滑動力作用形成整體滑動；基底水平面兩側(cè)荷載不均，坑底產(chǎn)生過量隆起。

②基坑隆起?；娱_挖卸載改變坑底原始應(yīng)力狀態(tài)，土體中自重壓力減少，土體的彈性效應(yīng)使基坑底面產(chǎn)生一定的彈性隆起，隨著開挖深度的增大，坑內(nèi)外高差所形成的加載和地面各種超載的作用，使圍護墻體外側(cè)土體向坑內(nèi)移動，坑底產(chǎn)生向上的塑性變形，支護結(jié)構(gòu)整體破壞，導(dǎo)致基坑隆起。

③鄰近建筑設(shè)施破壞。基坑開挖卸載，基底隆起，支護結(jié)構(gòu)變形，基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，引起地面沉降；基底暴露時間過長，或基坑積水，使粘性土吸水體積增大，抗剪強度降低，回彈變形增大，由于粘性土的流變性，將增大被動壓力區(qū)的土體位移和坑外土體向坑內(nèi)的位移，引起支護結(jié)構(gòu)位移，從而增加地表沉降；支護結(jié)構(gòu)嵌入深度不足，引起基坑隆起，使地基土強度降低或喪失，支護結(jié)構(gòu)位移，地面沉降開裂；基坑流砂和管涌在基坑外側(cè)形成空洞，地面沉陷坍塌。地面沉降、開裂和坍塌導(dǎo)致基坑周邊建筑物、管線和道路等設(shè)施的變形、位移或破壞。

(3)支護結(jié)構(gòu)施工引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)[7]

支護結(jié)構(gòu)施工的過程，一方面是對基坑采取安全防護的過程，另一方面是對基坑側(cè)壁和地質(zhì)環(huán)境進行破壞的過程。支護結(jié)構(gòu)施工引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)型式:

①擠土效應(yīng)。當基坑圍護結(jié)構(gòu)或止水帷幕采用擠密型樁時，可能會引起樁周土發(fā)生一定的豎向和水平位移，導(dǎo)致支護樁的上浮、傾斜、變位，誘發(fā)周邊管線、建筑設(shè)施等位移，地面開裂。

②振動效應(yīng)。在鄰近基坑側(cè)壁，由于車輛或機械施工振動等引起機械振動次數(shù)頻繁，對周圍一些較脆弱的建筑物和管線，往往會引起疲勞破壞；砂土由于振動液化而引起土體抗剪強度降低，地面沉降。

③成孔漏砂。錨桿和土釘成孔過程中，孔內(nèi)砂顆粒隨鉆進與水一起流走，孔內(nèi)形成空洞，地表下陷。

2.2 基坑開挖引起的環(huán)境污染

(1)噪聲污染

降排水設(shè)備、打樁設(shè)備、各種鉆孔設(shè)備、攪拌機、挖土機、起重機以及運土車輛等都會產(chǎn)生噪聲，對聲環(huán)境造成影響。這些設(shè)備可產(chǎn)生100 dB以上的噪音，而一般人能接受的噪聲在40 dB～70 dB之間，這給附近人們的生活及辦公環(huán)境造成十分嚴重的干擾[8]。

我國著名聲學家馬大猷教授總結(jié)和研究了國內(nèi)外現(xiàn)有各類噪音的危害和標準，并把噪音對人的影響程度進行了分類.無法忍受150 dB～130 dB；感到疼痛130 dB～110 dB；很吵110 dB～70 dB；較靜70 dB～50 dB；安靜50 dB～30 dB；極靜30 dB～10 dB；無聲0 dB。

(2)空氣污染

施工現(xiàn)場地面裸露產(chǎn)生浮土；泥漿、渣土和土方開挖外運溢撒；現(xiàn)場攪拌產(chǎn)生的水泥粉塵；潛風錘鉆進巖石產(chǎn)生的石粉等，在頻繁干燥季風的吹揚搬運作用下，產(chǎn)生的懸浮顆粒和粉塵等，均對空氣造成污染。

我國空氣質(zhì)量采用空氣污染指數(shù)進行評價，目前采用的空氣污染指數(shù)(API)分為5個等級，API≤50，空氣質(zhì)量為優(yōu)；50〈API≤100，空氣質(zhì)量良好；100〈API≤200，空氣質(zhì)量為輕度污染；API〉200空氣質(zhì)量差，中度污染；API〉300空氣質(zhì)量極差，已嚴重污染。

(3)環(huán)境化學效應(yīng)

基坑施工過程中，會產(chǎn)生大量廢棄物，如廢棄泥漿、混凝土渣等，它們會侵占耕地、污染水源、影響土壤性質(zhì)，造成周圍環(huán)境的惡化；基坑施工中的化學灌漿多具有不同程度的毒性，這些注漿進入土體后，不同程度的污染地下水，導(dǎo)致環(huán)境惡化。

地下水綜合污染指數(shù)由公式確定:Pi＝[∑(Ci/ COi)]/n；分為4級評價:Pi〈0.3為優(yōu)等級、0.3〈Pi〈0.5為良好級、0.5〈Pi〈1.0為中等級、Pi〉1.0為差級。

(4)水土流失

基坑開挖、平整場地，傾卸物料等可能會改變地形，導(dǎo)致水土流失；施工時大量的暴露地面和機械運動、開挖，引起土體很大的擾動，容易導(dǎo)致土地侵蝕。

(5)干擾群眾的正常生活和交通秩序

施工場地多位于繁華的城市中心區(qū)，人口密集，流動人口量大，道路擁擠。大型施工設(shè)備、運輸車輛頻繁進出，影響群眾出行，換乘車不便，延誤時間等，會影響綠色城市、綠色社區(qū)、綠色住宅的人居環(huán)境。

3 基坑開挖的環(huán)境評價

3.1 構(gòu)建評價體系[9，10]

評價指標體系是用來表征具體環(huán)境特性和質(zhì)量的指標體系?；娱_挖主要影響因素包括三方面:一是基坑設(shè)計要素，二是基坑施工要素，三是基坑開挖和運營期間環(huán)境監(jiān)控標準。評價指標的選取是基于對已知單元數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的結(jié)果，依據(jù)指標體系的構(gòu)置原則，即系統(tǒng)性、客觀性、可操作性及主導(dǎo)性原則，分析研究影響因素，區(qū)分不同層次的因素指標，進行分層歸類，建立具有代表性、可比性和準確性的相對統(tǒng)一的指標層次結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。

各評價指標由于各自量綱的不同，并且指標間數(shù)量差異較大，要使指標間能夠直接進行比較，要對各類指標進行標準化處理，消除量綱差別，最后將得到值域為0－1，而且極性一致的數(shù)值。

圖2 基坑開挖環(huán)境評價指標體系

指標數(shù)據(jù)的標準化方法包括線性標準化和非線性標準化兩大類，選擇合適的標準化方法應(yīng)堅持三大比較原則:同一指標內(nèi)部相對差距不變原則、不同指標間的相對差距不確定原則、標準化后極大值相等原則.筆者采用線性標準化方法，分析調(diào)整了標準化計算公式.設(shè)現(xiàn)狀原始數(shù)據(jù)為Yk，標準化后的現(xiàn)狀值為Xk，對指標體系中的每一項評價指標數(shù)據(jù)劃出最大值(Ymax)和最小值(Ymin)，按照質(zhì)量等級由優(yōu)等到差等，標準化指數(shù)升高的原則，設(shè)定差等級標準化指數(shù)最高X＝1.00，則標準化公式:

正向指標:Xk＝Y(jié)k/Ymax

反向指標:

經(jīng)驗證符合指標標準化的三大原則，指標量化及標準化指數(shù)如表3所示。

基坑開挖環(huán)境評價指標量化分級及標準化指數(shù) 表3

3.2 建立數(shù)學模型[11]

模糊綜合評判法(FEA)，是指“特征值模糊區(qū)間－評價值模糊區(qū)間－評價確定值”。基坑工程是一個多目標、多層次、多因素的復(fù)雜動態(tài)大系統(tǒng)，所以基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)具有模糊性和不確定性，“當一個系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，我們使它精確化的能力將減小，在達到一定閾值之上時，復(fù)雜性和精確性將相互排斥?！苯鉀Q基坑開挖環(huán)境效應(yīng)的復(fù)雜性與評價等級準確性的矛盾，采用模糊數(shù)學方法。

FEA建模評價步驟:

①評價指標集:U＝{u1，u2，u3，…，u10}

②評價等級集:V＝{v1，v2，v3，v4}

③隸屬函數(shù):u(x)＝exp[－(x－c)2/(2σ2)]

④評價集:Ri＝{Ri1，Ri2，Ri3，Ri4}

⑤評價權(quán)值:A＝(a1，a2，a3，…，a10)

⑥評價結(jié)果:B＝A·R＝(b1，b2，b3，b4)

式中:u1，u2，u3，…，u10分別代表評價指標體系中指標層的10個指標，指標標準化量化分級如表3所示；

v1，v2，v3，v4分別代表環(huán)境評價等級:優(yōu)等級(Ⅰ)、良好級(Ⅱ)、中等級(Ⅲ)、差級(Ⅳ)；

a1，a2，…，a10分別代表評價指標的分配權(quán)值，依據(jù)層次分析法，賦予評價權(quán)值:

即A＝(0.06，0.04，0.10，0.12，0.08，0.21，0.21，0. 06，0.06，0.06)

b1，b2，b3，b4是一組隸屬度值，按照最大隸屬度原則，取隸屬度最大者所對應(yīng)等級作為評價等級。

隸屬函數(shù)取正態(tài)分布函數(shù)如圖3所示。

圖3 正態(tài)分布隸屬函數(shù)

3.3 評價實例

青島某基坑工程位于城市主干道以西，某支干道以南，海泊河北岸；西側(cè)距離基坑頂邊約10 m為5棟已建多層建筑，磚混結(jié)構(gòu)，天然地基，條形基礎(chǔ)；現(xiàn)將基坑西側(cè)邊作為研究對象，設(shè)計開挖深度10 m，西邊長150 m，分為A、B兩個區(qū)，支護結(jié)構(gòu)選用格構(gòu)梁錨桿擋墻＋SMW組合擋墻圍護體系(如圖4所示)，側(cè)壁安全等級為一級。

圖4 基坑工程設(shè)計圖(局部)

基坑開挖環(huán)境評價A區(qū)設(shè)計監(jiān)測指標數(shù)據(jù) 表4

基坑開挖環(huán)境評價B區(qū)設(shè)計監(jiān)測指標數(shù)據(jù) 表5

本基坑環(huán)境評價單元的確定:垂直于基坑邊線方向的單元長度為30 m，平行于基坑邊線方向的單元寬度為設(shè)計支護單元寬度。根據(jù)設(shè)計和監(jiān)測資料，基坑開始開挖至回填完畢，采集到的評價指標數(shù)據(jù)和設(shè)計參數(shù)如表4、表5所示，(其中支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移X1～X6，已建多層建筑沉降J1～J15)。

利用MATLAB語言編程計算，A區(qū)評價等級為良好(Ⅱ)級，B區(qū)評價等級為中等(Ⅲ)級。

4 結(jié) 論

深基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)，由于其施工條件的復(fù)雜性和環(huán)境問題的隱蔽性，導(dǎo)致環(huán)境效應(yīng)的多樣性.我們從上文分析總結(jié)的深基坑開挖中的環(huán)境效應(yīng)，僅建立在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)之上，并不全面，但可以從概念上把握基坑施工對環(huán)境效應(yīng)的作用機理，有助于我們施工時提高警惕，認識基坑事故的嚴重性?；娱_挖的環(huán)境評價表征基坑開挖對環(huán)境的影響程度，構(gòu)建評價指標體系并建立簡單適用的數(shù)學模型，但指標的選擇和權(quán)重的賦值還需要完善。

[1] 趙民.淺談深基坑的安全管理[J].工業(yè)建筑，2009(6)[2] JGJ120－99.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

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The Impact of Environment During Excavation of a Deep Foundation Pit

Zhao Min1，Yu KaiNing2，Wan Li3，Lv BingXu
(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266033，China；2.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China；3.China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Excavation of a deep foundation pit bring about environmental pollution and environmental disruption. From the ground water levels fall，supporting structure deformation，supporting structure construction are analyzed from three aspects of geological environmental damagane types，Summarizes the construction process of supporting structure in the environmental pollution.Through engineering examples，constructing evaluation index system，establish the fuzzy evaluation model，and environmental impact assessment results of actual results.

Excavation of deep foundation pit；Impact of environment；Index system；Fuzzy mathematic model

1672－8262(2010)06－151－05

TU473

A

2010—04—27

趙民(1973—)，男，高級工程師，國家注冊土木工程(巖土)師，主要從事基坑設(shè)計、監(jiān)測和施工以及地質(zhì)環(huán)境評價的研究工作。

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2008BAJ06B02－5)