地铁车站基坑开挖对周围环境影响的研究蒋涛

地铁车站基坑开挖对周围环境影响的研究蒋涛

蒋涛

天津市地下铁道集团有限公司天津300051

摘要：随着城市的发展，地下空间的利用越来越重要，地铁车站基坑的开挖往更深更大的方向发展，而车站基坑一般选在城市繁华区，那里建筑物、桥梁、道路、地下管线十分密集，基坑开挖对周围土体的变形影响很敏感，若变形过大将造成周围建筑的开裂，甚至直接引起事故的发生。因此，深入系统地研究基坑开挖对周围环境的影响已很有必要。

关键词：地铁车站；基坑开挖；周围环境；影响

1、前言

随着地下空间利用的迅猛发展，出现了越来越多的基坑工程紧邻或穿越运营地铁车站的情况。基坑工程是大型的土体开挖工程，其最直接的影响是引起周围土体应力应变的重分布而导致周围地层的移动，产生较大的地表沉降与不均匀沉降，对周围环境不利。因此在保证地铁深基坑的支护合理安全外，控制好其对周围环境的影响有重大的经济、社会效益。

2、深基坑开挖对周围环境的影响

在车站开挖施工中，土体卸荷导致周围土层发生位移是对周围房屋产生影响的主要原因。大量的研究成果和实测结果表明，这种影响有其规律性，且影响因素很多，比如：基坑深度和宽度、墙体刚度、支护结构刚度和预应力、基坑下硬土层深度、土体刚度以及分布状况、降水措施、周边的附加应力、土体固结和蠕变、施工状况和施工水平等。坑内土体开挖卸荷后，挡土墙在坑外土压力与水平支撑和坑内土体的多重作用下，发生向坑内的侧向变形。挡土墙向坑内变形后，坑外土体由于存在体积损失，形成向坑内的水平位移场和竖向位移场。基坑挡墙变形及其引起的周边土层变形具有一定规律性，当建筑物之间的距离不同或建筑物的基础形式不同时，建筑物所产生的水平和竖向变形也不相同。

2.1深基坑开挖的变形影响

基坑开挖是个卸载过程，是对地层的破坏和扰动，破坏了土体结构的初始应力平衡状态，引起土体内应力场的变化，它的后果是使基坑内的土体向开挖方向滑动，产生坑底土体的回弹和围护挡土结构的向内移动。基坑工程施工过程其实是破坏在前，平衡在后，变形在先，支撑在后。支护结构变形，就会引起周围土体的变形，竖向沉降，横向移动，就会对周围建筑物、地下管线等等造成不利的影响。

2.1.1深基坑开挖对建筑物的影响

地铁深基坑开挖会对邻近建筑物造成影响，影响方式以不均匀沉降为主。由于基坑开挖对基坑底部进行了卸载、护坡桩发生变形以及坑内外降水造成建筑物下方土体发生沉降变形，而建筑物基础的变形大小通常又是不一样的，就产生不均匀变形，上方建筑物内部产生多余的应变能，当应变能超过建筑物的承受能力，就会破坏。

地铁车站通常建在城市的繁华区，车站施工基坑周边通常是密集的建筑物群，施工场地十分狭窄。另外，高层建筑、有历史意义的建筑等重点保护的建筑的变形又对车站深基坑的开挖支护提出更高的要求。如果支护不及时，基坑超挖或者支护强度不够都会造成变形过大，使周围建筑物也发生沉降变形。建筑物的破坏形式主要有以下几种：

1）建筑物表面瓷砖发生脱落。

2）建筑物周围地表发生塌陷，台阶错位、被抬起和架空等。

3）建筑物墙体、柱体开裂。

4）建筑物发生倾斜、倒塌。

2.1.2深基坑基坑降水对周围环境的影响

深基坑降水的影响主要表现为三方面：

一方面，基坑内降水造成地下水位下降，引起周围地表发生沉降。另一方面，地下水渗透破坏，使深基坑支护结构发生破坏。第三方面，深基坑降水打破了基坑内原来的水土平衡状态，使地基土开裂破坏。在深基坑开挖过程中，通常采用井点降水来达到降低水位、固结土体、稳定边坡和便于开挖的目的。同时，深基坑降水，由于水位降落而引起地面沉降，相应形成以水位漏斗为中心的地面沉降变形区，导致次范围内的建筑、道路、管网等设施因不均匀沉降而发生断裂、倾斜，影响其正常使用和安全。深基坑降水使土体内的水从空隙中排出，孔隙水压力消散，土体压缩固结，地表发生沉降。如果是建筑物下方或附近的土发生固结变形，则破坏了地基土原来的平衡状态，使地基土的承载力下降，引起建筑物产生不均匀沉降变形，当沉降变形过大时，建筑物就会发生开裂、倾斜甚至倒塌现象。另外，深基坑降水通常是采用降水井，降水井的控制有严格的要求，控制不好涌沙的现象就会发生，一旦发生涌沙，就会带来一系列的严重问题。

2.1.3深基坑开挖对管线的影响

地下管线工程被誉为城市生命线工程，其破坏直接关系到人民的生活和财产安全。深基坑的建设对地下管线的影响包括基坑内部的管线和基坑外部的管线。通常基坑内部的管线在基坑开挖前进行管线的改迁工作，由于内部管线在基坑开挖前就进行了处理，在基坑建设过程中对其的影响可以不计。外部的地下管线受深基坑开挖影响比较大，深基坑开挖过程由于结构变形、地下降水等方面造成周围地层发生变形，而管线在地层内部，也随之变形，管线对变形比较敏感，影响也大。处理不好，会造成严重的事故，也会对人民的生活带来不便。

管线受深基坑的影响因素包括：深基坑的建设情况、管线的埋深、管线距离基坑的距离、管线本身的埋设情况等。同济大学的王磊在研究相邻基坑对地下管线的影响因素中做了有限元模拟，得出管线的最大水平、竖向位移发生在基坑中心处，水平、竖向位移的“抑制点”均出现基坑边角处附近。

2.2深基坑开挖对周围地表环境和道路交通的影响

深基坑的开挖不仅是对基坑内部土层的平衡状态的破坏，对周围环境的平衡也造成或多或少的破坏。深基坑施工采用工程降水，地下水位的下降，对周围地表的植被造成影响，水分供给不足，对生态环境是一种损害。基坑建设过程难免会有各种污染，包括建筑垃圾、粉尘、噪声等污染，对人民的生产生活造成影响。地铁车站深基坑的建设过程，通常要封闭周围的道路，减少路面动荷载对深基坑的影响。而车站深基坑通常建设在城市繁华区，随中国国内汽车的快速增加，交通压力本来就比较大，在繁华区再封闭道路，加剧了交通的拥堵，给人民的生活带来不便。

3、减小深基坑施工对周围环境影响的措施

1）按照时空效应原理确定施工参数。时空原理就是针对所要开挖的深基坑工程进行基坑土的调查，了解基坑土的一些特性，利用土在基坑开挖过程中位移的变化规律，提出的一种控制措施，具体地说对车站施工全过程按工序进行分解控制，在空间上规定尺寸大小，在时间上定下完成时限，按量化的空间和时间结合有序的操作。

2）在监测数据指导下，按时空效应原理组织均衡的快速施工。地下工程施工关键要素之一就是在保证工程质量的情况下快速施工，减少基坑暴露时间。

3）严格控制降排水。要十分重视降排水的效果，降排水效果也是组织快速施工不可缺少的重要保证。因此做好基坑工程的明水疏排和暗水降排是深基坑施工十分重要的不可缺少的技术措施。

4）对基坑周边环境做好调查，对于影响较大的建筑物、管线提前预测并进行加固处理。对于距离基坑距离比较近的建筑物进行加固处理，加固措施包括袖阀管注浆、地面注浆等。

5）做好应急预案。对工程中可能出现的各种情况提前做好准备措施，一旦发生工程情况，立即组织实施处理，减少人员、财产损失。

参考文献：

[1]高广运，高盟，杨成斌等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报，2010，32（3）：453-459.

[2]张玉成，杨光华，姚捷等.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J].岩土工程学报，2010，32（Z1）：109-115.