基坑施工對周邊環(huán)境影響研究

摘 要：基坑開挖過程中對周邊環(huán)境的影響，是基坑工程的重要組成部分。基于蘇州某大型基坑工程的監(jiān)測資料及相關(guān)施工資料，研究了基坑開挖過程中對周邊建（構(gòu)）筑、地下管線的沉降的規(guī)律性。結(jié)果表明：周邊環(huán)境的沉降變化與基坑開挖深度的變化呈一致變化關(guān)系；基坑施工過程中的漏水漏砂現(xiàn)場極有可能導(dǎo)致周邊管線的變形，增大管線的變形曲率，威脅基坑周邊管線的安全。

關(guān)鍵詞：基坑施工 地下管線 監(jiān)測 沉降

中圖分類號：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0126-04

基坑工程在現(xiàn)代城市地下空間利用中發(fā)揮著重要的作用，是一項綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程。由于大型基坑工程往往集中于市區(qū)，不僅要保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的安全，而且要保證周邊建筑、市政道路、地下管線等的安全和正常使用。因此，為避免基坑工程開外對周邊環(huán)境可能造成的不利影響，開展基坑開挖可能造成的環(huán)境影響的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。相關(guān)的研究也較為豐富，但主要集中于數(shù)值模擬方法，如俞建霖和龔曉南[1-2]采用有限單元法研究了基坑開挖對周圍地表沉降、周邊地下管線以及影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要因素，又如駱祖江和劉金寶等[3]采用三維全耦合數(shù)值模型模擬了深基坑降水對地面沉降變形的影響。采用數(shù)值模擬無疑是一種有效的手段之一。這種方法的關(guān)鍵和前提之一是能得到合理的物理力學(xué)參數(shù)。然而，在基坑開外之前，地面以下的地質(zhì)水文等信息目前尚很難完全掌握。無疑，開展現(xiàn)場監(jiān)測即是避免工程事故發(fā)生的有效措施[4]，也是驗證數(shù)值模擬方法是否正確的有效手段[5]。而且現(xiàn)場監(jiān)測獲得的力、位移、變形等信息又是認(rèn)識基坑工程復(fù)雜問題的規(guī)律性的重要手段。該文基于蘇州某大型基坑施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測資料，開展了大型基坑的開挖對周邊環(huán)境影響的研究。

1 工程背景及周邊環(huán)境條件

1.1 工程背景

該工程分為南北二棟地下建筑，為地下三層建筑。基坑深度為自然地面以下約14.5 m。項目用地面積約2.27萬 m2。本工程平面圖及周邊環(huán)境如圖1所示。本基坑位于蘇州工業(yè)園區(qū)湖西CBD中心區(qū)域，北側(cè)5 m為蘇雅路，附近埋設(shè)有輸水管線（SS）、雨水管線（YS）、集約化管線（JY）；東側(cè)基坑邊線位于星海街慢車道上，距離建園大廈和新海大廈4～7 m，埋設(shè)有污水管線（W）、電力管線（GD）；南側(cè)基坑邊線位于蘇華路慢車道上，西側(cè)較為空曠，現(xiàn)為綠化草坪。南基坑北側(cè)基坑邊線位于蘇華路慢車道上，東側(cè)基坑邊線位于星海街慢車道上，距離星海大廈3～7 m，南側(cè)基坑邊線以南7 m有一近東西走向河道（相門塘），西側(cè)較為空曠，為綠化草坪。總之，基坑?xùn)|側(cè)和北側(cè)的周邊環(huán)境相對較為復(fù)雜（如圖1）。

2.2 工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件

工程場地地貌單元屬長江三角洲太湖流域沖湖積平原區(qū)，地貌形態(tài)單一。擬建場地66.30 m以淺各土層由第四系全新統(tǒng)～中更新統(tǒng)（Q4～Q2）沖湖積相沉積物組成，呈水平層狀分布，按其時代、成因及土的物理力學(xué)性質(zhì)，可分為9個工程地質(zhì)層，15個工程地質(zhì)亞層，各土層分布規(guī)律及工程性質(zhì)，簡要描述見表1。

地表水主要為場地南側(cè)河道內(nèi)河水，河水面標(biāo)高1.34 m，水深2～3 m，河底淤泥厚0.5～1.0 m。地下水按其埋藏條件，主要為潛水、微承壓水和承壓水。微承壓水主要賦存于3層粉質(zhì)粘土和3層粉土層中，富水性、透水性中等。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗結(jié)果，滲透系數(shù)平均值為4.18×10-4 cm/s，屬“弱透水”級。隨季節(jié)變化地下水位有升降，年變幅0.80 m左右。

2 基坑支護(hù)方案及監(jiān)測點布置

基坑周邊采用鉆孔灌注排樁結(jié)合止水帷幕作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。星海街車站除淺層采用SMW工法作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外，大部分采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；觾?nèi)部設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐，支撐主要采用角支撐結(jié)合對撐的布置形式，第一道支撐系統(tǒng)以壓頂梁作為支撐圍檁，如圖1所示。

在該工程中，基坑周邊環(huán)境安全控制分為周邊地表沉降安全控制和周邊管線安全控制兩個部分，并通過現(xiàn)場監(jiān)測為手段開展進(jìn)行。其中周邊地表沉降安全控制部分，共布置了18個土體地表沉降監(jiān)測點（S），其中監(jiān)測點S1～S3布置于基坑北側(cè)，監(jiān)測點S4～S9位于基坑?xùn)|側(cè)，監(jiān)測點S10～S12位于基坑南側(cè)，S13～S18位于基坑西側(cè)。而周邊管線安全控制則分為輸水管線（SS）、雨水管線（YS）、污水管線（W）、電力管線（GD）和集約化管線（JY）5個部分的監(jiān)測；其中集約化管線、輸水管線和雨水管線分布于基坑北側(cè)；污水管線和電力管線分布于基坑?xùn)|側(cè)。圖1中只給出了部分監(jiān)測點分布。

3 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響

3.1 施工進(jìn)度

基坑施工進(jìn)度主要可分為如下幾個階段：

（1）2008年12月下旬，基坑北區(qū)開始開挖。

（2）2009年1月中旬開挖至第三層土相對深度-8m位置。

（3）2009年3月初基坑北區(qū)開始挖第三層土。

（4）2009年4月中旬，基坑北區(qū)開挖至坑底，隨即進(jìn)行墊層和底板施工，基坑南區(qū)開始開挖。

（5）2009年6月中旬，基坑南區(qū)開挖至坑底，澆筑底板。

其中，開挖與支護(hù)的順序是：先開挖北區(qū)基坑，再開挖南區(qū)基坑；先挖表層土做第一道鋼筋混凝土支撐，帶強(qiáng)度上來后再挖第二層土，再做第二道鋼筋混凝土支撐，直至坑底進(jìn)行底板施工。

3.2 基坑周邊地表沉降的時空變化

以基坑北側(cè)地表沉降的監(jiān)測結(jié)果為例分析基坑周邊地表沉降的時空規(guī)律。從基坑開始開挖時候，基坑北側(cè)坑外地表的沉降較小，隨著繼續(xù)深入開挖，基坑北側(cè)地表沉降越來越明顯，沉降發(fā)展有越來越快的趨勢。到2009年4月中旬，即基坑開挖至坑底，隨即進(jìn)行墊層和底板施工，此時，基坑北區(qū)坑外地表的沉降不再增加，基本趨于穩(wěn)定，基坑?xùn)|北角S3監(jiān)測點處仍有所沉降，至7月初停止發(fā)展，最終沉降分別為S1=31mm、S2=62mm、S3=42mm。如圖 2所示。基坑北側(cè)地表沉降的發(fā)展沿基坑邊方向上呈拋物線發(fā)展，即在空間上基坑北側(cè)的中間部位沉降發(fā)展較大，而基坑兩個拐角處沉降相對發(fā)展較小。兩端角撐的支護(hù)形式極有可能決定了這種變形方式?；又苓叺乇沓两档倪@種發(fā)展規(guī)律可認(rèn)為是受到支護(hù)形式的控制，如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場巡視結(jié)果，由于東北側(cè)灌注樁成型質(zhì)量較差，且有漏水現(xiàn)象發(fā)生，因此，東北側(cè)（S3位置處）在基坑開挖完成后土體沉降依然略有沉降發(fā)生，如圖2和圖3所示。因此，灌注樁等止水帷幕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接影響周邊地面的沉降量。

3.3 基坑施工過程中周邊管線的沉降分析

3.3.1 輸水管線（SS）

輸水管線基本平行于基坑北側(cè)邊，距離約10 m左右。監(jiān)測點SS1和SS8分別位于西北角約13 m和東北角26 m處，其余監(jiān)測點基本均勻分布于期間。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，如圖4所示，可以看出：基坑北側(cè)開始開挖之后，輸水管線上的各個監(jiān)測點總體上都發(fā)生了沉降，且從開挖時沉降較快，到開挖完成后沉降速率逐漸變慢發(fā)展；最終沉降量在20～35 mm以內(nèi)。局部時間來看，監(jiān)測點SS5和SS6在基坑開挖完成后的約2個月內(nèi)發(fā)生了反彈，反彈之后又逐漸發(fā)生沉降。

從輸水管沉降的空間曲線，如圖5所示，可以看出：總體上輸水管發(fā)生的沉降差較小，最大沉降差約20 mm，整體上呈S型分布。根據(jù)輸水管線監(jiān)測點的布置位置以及監(jiān)測點獲得的沉降值，可近似地獲得輸水管線的曲率或曲率半徑，再依據(jù)輸水管線的抗彎變形強(qiáng)度，可判斷輸水管線的安全性。

3.3.2 集約化管線（JY）

集約化管線基本平行于基坑北側(cè)邊，距離約24 m左右。監(jiān)測點JY1和JY5分別位于西北角和基坑北側(cè)邊中間位置的正北方，其余監(jiān)測點基本均勻分布于期間。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，如圖6所示，可以看出：基坑北側(cè)開挖之后，輸水管線上的各個監(jiān)測點總體上都發(fā)生了沉降，在基坑開挖完成后的約2個月內(nèi)集約化管線發(fā)生了反彈，反彈之后又逐漸發(fā)生沉降。最終沉降量在6～20 mm以內(nèi)。

根據(jù)管線監(jiān)測點的布置位置以及監(jiān)測點獲得的沉降值，基于剛性或柔性管線[6]假設(shè)可近似地獲得管線的曲率或曲率半徑，再依據(jù)管線材料的抗彎變形強(qiáng)度，可判斷管線的安全性。從輸水管沉降的空間曲線，如圖7所示，可以看出：總體上輸水管發(fā)生的沉降差較小，整體上呈S型分布，總體上小于輸水管線的沉降和沉降差。

3.3.3 污水管線（W）

污水管線位于基坑北區(qū)的東側(cè)，距基坑只有5 m左右，監(jiān)測點W1位于基坑?xùn)|北角外側(cè)約3 m處，監(jiān)測點W5位于基坑北區(qū)東側(cè)的對撐中心外約3 m處，其余3個監(jiān)測點大致均勻位于監(jiān)測點W1和監(jiān)測點W5之間。從監(jiān)測結(jié)果來看，從基坑北區(qū)開始開挖到基坑開挖結(jié)束，污水管沉降都較小。而開挖結(jié)束后的1個月內(nèi)，在監(jiān)測點W5和W2處發(fā)生了較大的突然沉降，如圖8所示。據(jù)現(xiàn)場巡視結(jié)果分析，W5處污水管沉降由于基坑周邊材料堆載引起，因此，在施工過程中材料堆放位置的設(shè)計是必須考慮的重要因素之一；而W2處沉降則是由于基坑漏水而致。沿著基坑邊的南北方向上，污水管線成波浪線性變化，如圖9所示。

3.3.4 電力管線（GD）

電力管線位于基坑的東側(cè)，距基坑平均只有10 m左右，監(jiān)測點GD1位于基坑?xùn)|北角外側(cè)約10 m處，監(jiān)測點GD10位于基坑?xùn)|南角約6 m處，其余監(jiān)測點大致均勻分布其間。從監(jiān)測結(jié)果來看，從基坑北區(qū)開始開挖到基坑開挖結(jié)束，電力管沉降都較小。而開挖結(jié)束后的1個月內(nèi)，監(jiān)測點GD1處發(fā)生了較大的突然沉降，且發(fā)生的時間相近，兩者可判為同一原因?qū)е?，如圖8和圖10所示。據(jù)現(xiàn)場巡視結(jié)果分析，GD6到GD8處電力管線沉降由于基坑漏水漏砂引起。沿著基坑?xùn)|側(cè)的南北方向上，電力管線成波浪線性變化，且在GD6、GD7、GD8處有明顯的突變，如圖11所示。此處的電力管線將產(chǎn)生較大的曲率，從而極有可能威脅電力管線的安全。

5 結(jié)語

針對基坑工程施工對周邊環(huán)境的影響開展了實測分析，主要有以下結(jié)論：

（1）基坑開挖對周邊環(huán)境的變化密切相連，隨著開挖深度的加大，基坑周邊的地面沉降和周邊管線的變形也會逐漸增大；

（2）對于兩端角撐的基坑支護(hù)形式，基坑該側(cè)的變形在平面上可能呈現(xiàn)中間變形大兩側(cè)變現(xiàn)小的拋物線形變形形式；

（3）基坑支護(hù)的質(zhì)量明顯影響周邊建（構(gòu)）筑物、管線變形的變形。特別是基坑中的漏水漏砂現(xiàn)場將導(dǎo)致周邊管線的變形，增大管線的變形曲率，威脅基坑周邊管線的安全。

參考文獻(xiàn)

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