軟土地基深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響和保護(hù)

□姜軍禮（上海同濟(jì)工程項(xiàng)目管理咨詢(xún)有限公司）

軟土地基深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響和保護(hù)

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對(duì)軟土地基土方開(kāi)挖變形機(jī)理、變形因素進(jìn)行分析，闡明了深基坑開(kāi)挖變形控制及環(huán)境保護(hù)應(yīng)采取的保護(hù)措施；在工程實(shí)踐及理論創(chuàng)新上提出與時(shí)俱進(jìn)的理念。

深基坑；變形機(jī)理；變形因素；保護(hù)措施

1.工程概況

該工程位于上海市,基坑開(kāi)挖面積20000m2，周長(zhǎng)約620m，開(kāi)挖深度19.80～21.7m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻；工程四周以道路為主；場(chǎng)地東側(cè)4.8m為煤氣管線；北側(cè)5～8m為給水管線；基坑?xùn)|北角為歷史保護(hù)建筑，南側(cè)為隧道；東側(cè)13m通道；附近為風(fēng)景名勝區(qū)。

上海土質(zhì)分9層，以粘性土為主；場(chǎng)地淺部土層中地下水為潛水類(lèi)型，水位穩(wěn)定于0.32～0.50m之間，年水位變化幅度在1m左右；場(chǎng)區(qū)內(nèi)⑤3層砂性較多，具有微承壓性，與承壓水有直接水力聯(lián)系。

2.問(wèn)題的提出

為做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工作，根據(jù)工程概況，監(jiān)理人員應(yīng)首先理解并掌握以下幾個(gè)問(wèn)題：基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，主要影響因素是什么？基坑開(kāi)挖后基坑坑底隆起、圍護(hù)水平位移、坑外土體沉降的原因是什么？基坑開(kāi)挖對(duì)隧道、通道、道路、周?chē)芫€、保護(hù)建筑等建筑物的影響有哪些。

3.變形機(jī)理分析

開(kāi)挖變形主要包括3個(gè)部分：基坑土體隆起、墻體變形、基坑周?chē)馏w變形，三者是相互聯(lián)系的。

3.1 基坑土體隆起變形：基坑開(kāi)挖時(shí)，由于土體卸荷，坑底土體產(chǎn)生回彈。該工程土質(zhì)主要為粘土，開(kāi)挖過(guò)程還將導(dǎo)致土體產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，負(fù)孔隙水壓力的釋放進(jìn)一步導(dǎo)致土體吸水膨脹和軟化，使基坑進(jìn)一步隆起。

在開(kāi)挖深度不大時(shí)，坑底土體卸荷后發(fā)生豎向隆起；在基坑開(kāi)挖深度增大時(shí)，由于內(nèi)外土面的高差較大，坑底墻邊會(huì)產(chǎn)生塑性隆起，同時(shí)在基坑周?chē)a(chǎn)生較大的塑性區(qū)域，并引起地面沉降。

3.2 圍護(hù)墻體變形：墻體圍護(hù)變形主要表現(xiàn)為水平變形，當(dāng)開(kāi)挖深度較淺時(shí)，首道水平支撐形成前，墻體側(cè)向變形表現(xiàn)為三角形分布，墻頂位移最大，表現(xiàn)為繞底部以下某點(diǎn)向坑內(nèi)旋轉(zhuǎn)；隨著開(kāi)挖深度的增加，墻體變形表現(xiàn)為墻頂位移不變，中部向坑內(nèi)突出。

3.3 坑外土體位移：基坑開(kāi)挖時(shí)，荷載不平衡導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移，從而改變基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)，引起土體移動(dòng)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)主動(dòng)區(qū)的土體向坑內(nèi)移動(dòng)，使背后水平應(yīng)力減小，剪力增大，出現(xiàn)塑性區(qū)；開(kāi)挖面以下的被動(dòng)區(qū)土體向坑內(nèi)方向移動(dòng)，使坑內(nèi)水平應(yīng)力增加，導(dǎo)致坑底土體剪切應(yīng)力增加而發(fā)生水平擠壓和向上隆起。因此，可以認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起周?chē)苿?dòng)的原因是坑底土體隆起和圍護(hù)墻的位移。在軟土地區(qū)，基坑周?chē)馏w塑性較大，流動(dòng)性也較大，土體從支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍向坑內(nèi)和坑底移動(dòng)，也是坑外土體變形的原因。

4.產(chǎn)生變形因素分析

根據(jù)基坑變形機(jī)理分析，基坑變形影響因素主要有以下幾個(gè)方面：

4.1 土層特點(diǎn)及地下水條件：基坑的變形與所處土層條件緊密相關(guān)，土層的分布、強(qiáng)度及剛度等因素對(duì)基坑變形產(chǎn)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(huì)對(duì)基坑變形產(chǎn)生影響，尤其是承壓水頭較高時(shí)，承壓水對(duì)坑底的隆起產(chǎn)生一定影響。

4.2 荷載條件：荷載包括開(kāi)挖卸載、施工荷載、交通荷載、周?chē)ㄖ锖奢d，基坑開(kāi)挖卸載是誘發(fā)基坑變形的首要原因。

4.3 圍護(hù)墻及支撐的性能：此為設(shè)計(jì)因素，主要包括圍護(hù)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(duì)基坑的變形有一定影響，主要表現(xiàn)為空間效應(yīng)，如基坑是否存在陽(yáng)角，是否為長(zhǎng)條形及基坑的深度。

4.5 施工工藝：開(kāi)挖順序及基坑未形成支撐的暴露時(shí)間、開(kāi)挖分塊面積對(duì)基坑的變形產(chǎn)生重要影響。

4.6 降水、承壓水滲流及坑底土體固結(jié)：降水使得地下水水頭損失，從而產(chǎn)生滲流力；開(kāi)挖前潛水疏干，開(kāi)挖過(guò)程中土體孔隙水壓力逐漸消散，土壤固結(jié)，兩者一定程度上提高坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度和變形模量。

5.基坑變形控制和保護(hù)環(huán)境措施

根據(jù)基坑開(kāi)挖變形機(jī)理及影響因素，變形控制措施應(yīng)主要針對(duì)坑底隆起和圍護(hù)水平位移兩個(gè)方面展開(kāi)。減小基坑變形是控制措施的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，結(jié)合本工程，開(kāi)挖過(guò)程監(jiān)理控制措施如下：

5.1 基坑開(kāi)挖前應(yīng)進(jìn)行預(yù)降水，應(yīng)嚴(yán)格控制降水水位和降水時(shí)間，重點(diǎn)關(guān)注出水量、出水速度、水位降深等。嚴(yán)格按照規(guī)范要求控制潛水位為開(kāi)挖面下0.5～1m，承壓水位開(kāi)挖面下1～2m。

5.2 軟土地基土壤含水率較高，滲透系數(shù)較小，潛水降水應(yīng)為真空排水，坑底開(kāi)挖面土壤應(yīng)避免干擾。

5.3 土方開(kāi)挖條件的驗(yàn)收應(yīng)嚴(yán)控施工單位表面水排水設(shè)施的數(shù)量、性能及現(xiàn)場(chǎng)排水溝等排水措施到位情況。

5.4 基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)密切注意前期工程措施對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，如樁基、樁基注漿管、地質(zhì)勘查孔、抽水試驗(yàn)井等，同時(shí)對(duì)每層開(kāi)挖土質(zhì)給予關(guān)注，對(duì)照地質(zhì)報(bào)告，驗(yàn)證其符合性。該工程位軟土地基，開(kāi)挖過(guò)程明顯具有時(shí)空效應(yīng)。監(jiān)理人員巡查工作應(yīng)重點(diǎn)控制以下幾點(diǎn)：

5.4.1 嚴(yán)格控制開(kāi)挖方式，根據(jù)專(zhuān)家論證成果及施工方案的要求經(jīng)優(yōu)化開(kāi)挖順序，必須得到設(shè)計(jì)單位的認(rèn)可；土方開(kāi)挖方式的變更屬于重大變更，必須重新組織專(zhuān)家論證。

土方開(kāi)挖方式是施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及工程地質(zhì)、要求工期等綜合得出，無(wú)論是“盆式開(kāi)挖”還是“中心島式開(kāi)挖”，是施工單位根據(jù)安全演算得出的結(jié)果?；娱_(kāi)挖坑底隆起量經(jīng)驗(yàn)公式：

§=0.5h+0.04h2

§—坑底隆起量(cm)

h—基坑開(kāi)挖深度（m）

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

上述計(jì)算明顯說(shuō)明隨著基坑開(kāi)挖深度的加深，坑底隆起量有加快的特點(diǎn)。因此，某種具體情況下，在基坑開(kāi)挖較淺、基坑面積較大的情況下，盆式開(kāi)挖可以有效的控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，而在基坑開(kāi)挖較深的情況下，可在最底層土方開(kāi)挖時(shí)采用中心島式開(kāi)挖。

5.4.2 根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范的要求，嚴(yán)格控制開(kāi)挖順序、無(wú)支撐基坑暴露時(shí)間及開(kāi)挖面積。

5.4.3 根據(jù)規(guī)范要求，嚴(yán)格控制基坑開(kāi)挖16字方針的落實(shí)，施工單位優(yōu)化的開(kāi)挖方案必須努力做到對(duì)稱(chēng)、平衡開(kāi)挖，可適當(dāng)增加開(kāi)挖層數(shù)、縮小開(kāi)挖分塊、長(zhǎng)度和寬度。

以上5條控制措施，基本可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式給以直觀表示：

§=ηaηb∑（§i/Ei）*hi+Z*σ/hr;

§—基坑開(kāi)挖時(shí)坑底以下Z深處的回彈量;

i—基坑開(kāi)挖第i層，共n層;

ηa—開(kāi)挖面積修正系數(shù);

ηb—坑底暴露時(shí)間修正系數(shù);

§i—第i層土卸荷量;

hi—第i層土厚度;

σ—與地下連續(xù)墻插入深度有關(guān)的修正系數(shù);

hr—?dú)堄鄳?yīng)力影響深度;

Ei—第i層土的回彈量。

公式表明，基坑開(kāi)挖深度、分塊開(kāi)挖面積、無(wú)支撐暴露時(shí)間、圍護(hù)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(qū)域，由于周邊環(huán)境敏感，建設(shè)單位較為謹(jǐn)慎，將風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下的應(yīng)急處理措施在工程設(shè)計(jì)階段給以落實(shí)；對(duì)隧道的保護(hù)：在隧道埋深較淺區(qū)域采取了灌注樁隔離措施；如有必要，設(shè)置注漿管，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用跟蹤注漿保護(hù)；為減少?lài)o(hù)水平變形，在坑內(nèi)沿墻體采取了8.8m寬三軸攪拌樁加固措施；對(duì)歷史保護(hù)建筑，采取了基礎(chǔ)托換的保護(hù)措施；通道為世博服務(wù)工程，施工過(guò)程中采取大開(kāi)挖方式，圍護(hù)完善，未采取措施。本工程地表監(jiān)測(cè)平均值為-5±2mm，控制良好。

6.信息化施工對(duì)擬采取的監(jiān)理措施有重要的指導(dǎo)意義

監(jiān)理措施應(yīng)在對(duì)施工工況、監(jiān)測(cè)值綜合分析，以基坑變形機(jī)理為指導(dǎo)，以變形因素為前提的基礎(chǔ)上得出，從而保證了監(jiān)理措施的針對(duì)性、時(shí)效性、系統(tǒng)性：監(jiān)理措施的時(shí)效性：基坑監(jiān)測(cè)與工程降水、土方開(kāi)挖配合進(jìn)行，工況和監(jiān)測(cè)值是對(duì)應(yīng)關(guān)系，變形影響具有動(dòng)態(tài)性、滯后性和累積性；監(jiān)理措施的系統(tǒng)性：基坑變形的內(nèi)在規(guī)律性，決定了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有相互驗(yàn)證和校核的特點(diǎn)，監(jiān)理措施應(yīng)該是組合的、優(yōu)化的，以突變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、累積最大監(jiān)測(cè)值、報(bào)警點(diǎn)是關(guān)注重點(diǎn)；繪制監(jiān)測(cè)值變化曲線圖，掌握基坑變形總體狀況和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

7.結(jié)語(yǔ)

在城市敏感區(qū)域施工，保證施工過(guò)程安全、保護(hù)環(huán)境是第一位的，是“安全第一、預(yù)防為主”思想的重要體現(xiàn)。

深基坑土方開(kāi)挖階段危險(xiǎn)性大，涉及到多個(gè)危險(xiǎn)性較大分項(xiàng)工程，如土方開(kāi)挖、井點(diǎn)降水、支撐施工等；不同的工程，設(shè)計(jì)方案不同，工程特點(diǎn)就不同；工程地質(zhì)及水文地質(zhì)不同，在施工過(guò)程就會(huì)產(chǎn)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(jiān)理人員應(yīng)充分了解不同工程的個(gè)性，牢固樹(shù)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(shí)踐的總結(jié)，缺乏有說(shuō)服力的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)成果，作為監(jiān)理人員，必須具有不斷學(xué)習(xí)勇于探索的精神，在新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，先進(jìn)管理理念不斷更新的現(xiàn)代社會(huì)，只有與時(shí)俱進(jìn)，不斷開(kāi)拓才能更好的完成本職工作。

[1]《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-99.

[2]《基坑工程技術(shù)規(guī)范》DJ/TJ08-2010.

2012-06-20