地鐵車站基坑開挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

王國林,于富來,柳 策,劉智超,蘇 濤,管萌威,王振洋,薛習(xí)孜,包巖峰

(1.中鐵上海工程局集團(tuán)市政環(huán)保工程有限公司，上海 201906；2.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870；3.沈陽地鐵集團(tuán)有限公司，沈陽 110000)

近年來，隨著我國城市化水平不斷提高，汽車逐漸普及化，導(dǎo)致出行問題成為制約城市發(fā)展的熱點(diǎn)問題。由于城市有限的地面空間無法滿足人們對(duì)出行的需求，因此地下軌道的建設(shè)迫在眉睫。在如今的城市競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中，北、上、廣、深等大都市圈軌道交通的建設(shè)打開了新一輪的城市競(jìng)爭(zhēng)的新格局[1]。在軌道交通發(fā)展過程中，地鐵車站基坑的建設(shè)成為了軌道交通發(fā)展過程中關(guān)注的重點(diǎn)?；拥慕ㄔO(shè)呈現(xiàn)大、緊、深、近等特點(diǎn)，這就在基坑的建設(shè)技術(shù)與安全方面，提出了更高的要求。基坑開挖是地鐵車站施工過程中的重要環(huán)節(jié)，在土體開挖卸載過程中會(huì)對(duì)基坑本身及周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。由于地鐵車站往往位于繁華地帶，其施工主要難點(diǎn)在于對(duì)周邊環(huán)境影響控制，一旦稍有不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此研究基坑開挖施工對(duì)周邊環(huán)境影響情況具有十分重要的意義。

1 開挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響研究

基坑開挖過程中由于存在時(shí)間及空間效應(yīng)的影響，導(dǎo)致該施工過程中會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的波動(dòng)，而目前對(duì)于基坑開挖環(huán)境影響研究主要是對(duì)不同地質(zhì)土層情況下基坑開挖全過程對(duì)周邊環(huán)境影響情況的規(guī)律總結(jié)。開挖施工引起的周邊環(huán)境變形風(fēng)險(xiǎn)主要有周邊地表沉降、鄰近建筑物的不均勻沉降、相鄰地鐵隧道及地下管線的位移變形等方面[2]。基坑施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)變形方面研究主要以數(shù)值模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法為主，在隧道管線變形研究中部分通過離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。

1.1 地表沉降變形的影響研究

基坑開挖會(huì)使基坑周圍土體產(chǎn)生不均勻的沉降變形。從沉降大小及范圍上看，導(dǎo)致基坑沉降因素主要有基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大小、地下水位情況、地下土層性質(zhì)、地基處理方法等。從沉降曲線的形狀上看，基坑周邊地表沉降主要分為三角形沉降和凹槽型沉降。查閱相關(guān)資料可知，近年來北京、南京、天津等地?cái)?shù)十起基坑事故都由于地層變形過大導(dǎo)致地面及周邊建筑物發(fā)生嚴(yán)重破壞，由此可見，地表沉降過大不僅影響基坑施工順利進(jìn)行，還對(duì)周邊建筑物的安全性造成一定影響。

1.1.1 基坑開挖對(duì)地表沉降影響研究現(xiàn)狀

對(duì)于基坑周邊地表沉降變形，眾多學(xué)者從基坑地下土層性質(zhì)方面展開了一系列的研究。賈曾潘等[3]利用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合方法、喻偉等[4]利用數(shù)值模擬方法，分別對(duì)砂土、富水軟弱地質(zhì)條件下基坑開挖引起周圍地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。其中賈曾潘等[3]研究表明，基坑長邊方向0～0.5He(He為開挖深度，m)周圍地表沉降值較大，且地表沉降的最大值隨著地連墻水平位移的增加呈現(xiàn)出先快后慢的變化趨勢(shì)。喻偉等[4]研究表明，地表沉降最大值位于地連墻10～20 m范圍內(nèi)，沉降影響區(qū)域?yàn)?0 m，最大值達(dá)到40.8 mm，且淤泥層中施工對(duì)地表沉降影響最大。

王錦濤等[5]就廣佛環(huán)線東環(huán)智慧城站深基坑開挖過程中引起的地表沉降及地連墻后土體的變形規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在開挖進(jìn)程中，基坑周邊土體沉降變形曲線呈現(xiàn)出“拋物線形”形狀，且地表最大沉降量為3.2 mm。

Wang等[6]利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法，對(duì)附加荷載存在情況下，基坑開挖引起周邊地表沉降的情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該情況下基坑沉降曲線呈“勺形”形狀，沉降值與基坑距離關(guān)系呈現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，得到的最大沉降位置與基坑距離大約為基坑最大開挖深度的一半，且附加荷載存在加快了地表沉降的速度。Liang等[7]利用數(shù)值模擬方法，對(duì)基坑開挖過程中采取回灌注水及止水帷幕等措施下地表沉降情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基坑周邊土體沉降隨著回灌壓力與止水帷幕深度增加而逐漸減小。

1.1.2 地表沉降變形研究存在的問題

1)地表沉降的研究重點(diǎn)就是確定沉降的分布方式、范圍及最大值，大部分學(xué)者利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段對(duì)基坑周邊地表沉降問題進(jìn)行一系列研究，但基坑地質(zhì)條件復(fù)雜且土層的物理性狀不同，計(jì)算基坑地表沉降時(shí)，大都是做出了一定的假設(shè)和簡化，得出的沉降值往往和實(shí)際值有一定差距，因此計(jì)算準(zhǔn)確度有待提高。

2)基坑開挖前降水過程中對(duì)地表沉降變形產(chǎn)生了一定的影響，目前關(guān)于該過程中沉降方面的理論公式不夠成熟，多數(shù)學(xué)者采用的是分層總和法，但該方法僅僅考慮了土體的豎向變形，忽略了其側(cè)向變形，計(jì)算誤差較大，因此對(duì)理論方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.2 周邊建筑物不均勻沉降影響研究

隨著市政工程、高層建筑物、地鐵等快速發(fā)展，導(dǎo)致深基坑的數(shù)量也越來越多。由于基坑大多數(shù)位于繁華區(qū)域，周邊環(huán)境敏感復(fù)雜，開挖過程中容易使周邊高層建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜以及鄰近地下建筑物發(fā)生沉降等危害，甚至引發(fā)重大工程事故，造成嚴(yán)重社會(huì)影響，因此研究基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響情況十分必要。

1.2.1 基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響研究現(xiàn)狀

王琳等[8]基于硬化土的本構(gòu)模型，利用有限元分析軟件對(duì)基坑施工引起鄰近房屋變形和受力情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基坑開挖過程中引起周圍建筑屋最大沉降為13.7 mm，朝基坑方向的最大水平位移為9.4 mm，引起墻體應(yīng)力變化約為10～50 kPa，基坑開挖對(duì)墻體受力影響較小，但對(duì)建筑物沉降及側(cè)移變形有一定影響。

張珂峰等[9]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)“兩墻合一”地下連續(xù)墻基坑開挖引起的周邊建筑物的變形情況進(jìn)行了分析，得到了基坑開挖過程中建筑物沉降變化趨勢(shì)：穩(wěn)定、增大、緩慢回彈、加速增大、穩(wěn)定。

施有志等[10]對(duì)土體小應(yīng)變剛度行為及基坑、地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)共同作用下基坑開挖引起周邊建筑物變形情況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，鄰近地上建筑物最大水平位移6.6 mm，且從頂部向下逐漸變小，建筑物發(fā)生了一定的傾斜；地下建筑物主要發(fā)生沉降變形，影響區(qū)域?yàn)?He(He為開挖深度，m)，在1.5He范圍內(nèi)，地下建筑沉降變形明顯，最大沉降為15.9 mm。

鄭翔等[11]對(duì)軟土地質(zhì)條件下基坑施工引起鄰近建筑變形情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，地連墻及結(jié)構(gòu)向上施工引起鄰近建筑物沉降變形分別占基坑施工全過程的7.82%、33.19%，傾斜程度分別占基坑施工全過程的16.47%、20.17%，說明基坑開挖對(duì)周邊建筑物影響具有明顯的空間和時(shí)間效應(yīng)。

An等[12]研究了基坑支護(hù)及施工方案與基坑周邊建筑物變形之間的關(guān)系，通過不斷調(diào)整基坑建設(shè)方案，最終選用了鋼筋混凝土擋土樁和四層鋼支撐，作為基坑開挖加固方案，將基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響降到了最小。

1.2.2 基坑周邊建筑物不均勻沉降研究存在的問題

1)對(duì)周邊建筑物不均勻沉降的研究，主要利用數(shù)值模擬方法，而大部分學(xué)者在建模時(shí)，對(duì)于建筑物只是將其等效簡化為豎向荷載考慮，得到的結(jié)果與實(shí)際有一定出入，因此在進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)對(duì)周邊建筑物進(jìn)行實(shí)體建模，得到更為接近的結(jié)果。

2)建筑物的建造時(shí)間對(duì)建筑物穩(wěn)定性和安全性有一定的影響，而關(guān)于基坑開挖時(shí)考慮建筑物建成時(shí)間效應(yīng)影響下的變形研究相對(duì)較少，有待于進(jìn)一步研究。

1.3 基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道及地下管線影響研究

由于地下軌道交通的快速發(fā)展，城市核心區(qū)域的地下隧道與管線分布錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其是正在運(yùn)營中的空間狹窄而人口密集的地鐵車站，這也導(dǎo)致基坑開挖過程中面臨風(fēng)險(xiǎn)源越來越多?；娱_挖過程中，一旦出現(xiàn)事故，后果往往極其嚴(yán)重。如何確?；庸こ淘诎踩?、快速施工前提下，最大程度降低基坑開挖對(duì)鄰近隧道、地下管線的影響成為亟需研究的問題。

1.3.1 基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響研究現(xiàn)狀

王利軍等[13]對(duì)超大超深基坑開挖過程中鄰近隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基坑周圍存在鄰近隧道時(shí)地表的最大沉降值要比沒有隧道時(shí)大10%，隧道的變形以水平位移為主，變形呈倒八字形狀，對(duì)稱分布，且隧道的最大側(cè)移隨著隧道的埋深的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

尚國文、丁智、許四法等[14-16]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，研究了基坑開挖施工過程中引起鄰近地鐵隧道的整體變形情況，對(duì)開挖施工過程中鄰近隧道的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)及重點(diǎn)影響區(qū)域進(jìn)行了分析總結(jié)，得到了基坑開挖各工況下鄰近地鐵隧道的整體變形規(guī)律。左自波、章潤紅等[17,18]借助于數(shù)值計(jì)算軟件，分別對(duì)基坑開挖施工過程對(duì)基坑下方雙線隧道、鄰近隧道的影響情況進(jìn)行了研究，并對(duì)開挖過程中鄰近隧道的變形情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，指導(dǎo)了施工的安全進(jìn)行，對(duì)保護(hù)鄰近地鐵車站及隧道結(jié)構(gòu)具有一定的意義。

許多學(xué)者對(duì)四方形基坑開挖下鄰近隧道的變形進(jìn)行了大量的研究，而關(guān)于圓形基坑開挖下鄰近隧道變形影響研究相對(duì)較少。Sun等[19]對(duì)圓形基坑開挖引起鄰近隧道變形規(guī)律進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在開挖面積相同情況下，圓形基坑下方地鐵隧道的變形、最大洞徑變化比方形的分別大18%、22%，但圓形基坑開挖引起的最大隧道彎曲應(yīng)變比方形基坑開挖引起的最大隧道彎曲應(yīng)變小32%，結(jié)果表明圓形基坑開挖引起的應(yīng)力釋放影響范圍比方形基坑開挖引起的應(yīng)力釋放影響范圍更大，說明基坑形狀對(duì)鄰近地鐵隧道變形影響不大。

1.3.2 基坑開挖對(duì)鄰近地下管線的影響研究現(xiàn)狀

徐宏增等[20]對(duì)基坑開挖過程中鄰近大直徑污水管線沿長度方向的位移情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基坑開挖導(dǎo)致管線位移存在時(shí)空效應(yīng)，相鄰兩條管線的水平位移差大于豎向位移差，當(dāng)基坑開挖到底部時(shí)各個(gè)方向的位移達(dá)到最大值。

賀雷等[21]通過數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)方法，對(duì)基坑開挖過程中鄰近電纜隧道的變形情況進(jìn)行了研究，同時(shí)就離心模型試驗(yàn)對(duì)開挖過程中電纜隧道的影響情況進(jìn)行了定性分析，并對(duì)電纜隧道周圍的安全區(qū)進(jìn)行了劃分。

施有志等[22]以管線的材質(zhì)、管線截面、管線與基坑的距離為考慮因素，利用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑開挖過程中鄰近管線的變形情況進(jìn)行了參數(shù)分析，對(duì)于管線沉降情況，管線埋深影響要大于管線與基坑水平距離影響；對(duì)于管線軸力的變化情況，其隨基坑與管線距離的減小而增大，且管線剛度與橫截面越大，軸力越大，但軸力變化具有不規(guī)律性。

Li[23]等以基坑與頂管間距、基坑開挖深度、頂管埋深為考慮因素，對(duì)既有頂管隧道的應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行了研究。表明頂管的應(yīng)力及變形分別隨著基坑與頂管間距的增大、基坑開挖深度的減小、頂管埋深的減小逐漸減小，位于基坑中間及端墻附近管線的變形及應(yīng)力變化較大。當(dāng)頂管埋深約為3/4He時(shí)，且管線與基坑的水平距離小于10 m時(shí)，既有頂管隧道受到基坑開挖的影響較大。

1.3.3 鄰近地鐵隧道及地下管線變形研究存在的問題

1)對(duì)于基坑開挖過程中地鐵隧道的變形研究大多數(shù)是單純對(duì)基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了研究，關(guān)于地鐵隧道與地鐵車站整體結(jié)合的變形研究相對(duì)較少。

2)現(xiàn)有的基坑開挖對(duì)鄰近隧道影響的相關(guān)理論不夠成熟，關(guān)于基坑側(cè)應(yīng)力與隧道變形關(guān)系理論研究較少，并且在地鐵隧道的變形控制方面缺乏相對(duì)完善、可靠的理論指導(dǎo)體系。

3)地下管線網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，管線材質(zhì)種類較多，如銅、混凝土、鋼筋混凝土、鑄鐵等，以管線材質(zhì)及腐蝕程度為因素對(duì)管線位移變形規(guī)律進(jìn)行的研究相對(duì)較少，且現(xiàn)有研究往往把管線考慮為整體來分析，忽略了管線接頭處的變形情況。

2 結(jié)論與展望

近年來，地鐵車站基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境影響研究在理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。為了研究地鐵車站開挖施工對(duì)周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響，通過查閱文獻(xiàn)資料，利用歸納總結(jié)方法對(duì)基坑開挖引起周圍環(huán)境影響情況進(jìn)行了綜述，主要從基坑周邊地表、周圍建筑物、鄰近地鐵隧道、地下管線4個(gè)方面對(duì)基坑開挖引起的變形情況進(jìn)行了分析，明確了現(xiàn)有研究存在的問題，并對(duì)未來的主要研究方向進(jìn)行了展望。

a.深基坑開挖施工是一個(gè)不斷發(fā)生土體卸載的過程，導(dǎo)致在施工過程中基坑周邊土體發(fā)生內(nèi)力重分布，對(duì)基坑周邊地表、建筑物、鄰近隧道、地下管線等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的風(fēng)險(xiǎn)影響，提前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及保護(hù)有利于確保施工順利進(jìn)行。

b.基于復(fù)雜土層情況下的地表沉降理論計(jì)算公式及基坑開挖過程中地表沉降的分布方式、范圍及最大值計(jì)算精度及沉降預(yù)測(cè)方面的工作有待進(jìn)一步開展。

c.基于時(shí)間效應(yīng)影響下的周邊建筑物的不均勻沉降情況有待進(jìn)一步研究，同時(shí)利用數(shù)值模擬方法研究周邊建筑物不均勻沉降時(shí)，建議將建筑物以實(shí)體建模方式進(jìn)行計(jì)算，該方法比將建筑物等效成豎向荷載方法計(jì)算得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

d.基于鄰近隧道與車站相結(jié)合下的整體變形情況及基坑側(cè)壓力與隧道變形理論方面內(nèi)容有待進(jìn)一步研究，且隧道變形控制方面的理論體系有待完善。

e.基于地下管線材質(zhì)對(duì)基坑開挖過程中管線變形規(guī)律影響以及開挖過程中地下管線接頭處變形情況的研究有待深入進(jìn)行。