深基坑工程对周围建筑环境的影响及安全措施
【摘要】深基坑工程施工，既要保证支护结构自身的安全，使基坑开挖和地下结构施工能顺利进行，又要保证周围环境（包括周围的建筑物、构筑物、道路、地下管线等）的安全。深基坑环境保护有许多经验可借鉴，如选用刚度大的围护结构、进行基坑内外地基加固、对基坑近旁建筑物基础进行加固、进行信息化监测与施工等。
【关键词】深基坑工程 围护结构 环境事故 防治技术 监测
一、前言
深基坑的支护工程，采用何种支护方案，除了与基坑深度有关外，更主要的是根据地层土质的好坏来采用不同的支护方案。基坑支护工程包含挡土、支护、防火、降水、挖土等许多紧密联系的环节，如其中一个环节失效，将会导致整个工程的失败。根据基坑工程事故的统计分析，基坑工程事故发生率较高，竟占基坑总数的1/4以上，而这些工程事故主要表现为支护结构产生较大位移、支护结构破坏、基坑塌方及大面积滑坡、基坑周围道路开裂和塌陷、与基坑相临的地下设施（管线、电缆）变位以至于破坏，邻近建筑物开裂甚至倒塌等，给国家经济和人民生命财产造成不同程度的损失。
深基坑开挖与支护技术涉及工程土质、水文、场地环境、支护设计方案、计算参数以及施工操作等许多方面，其中的一些问题还尚在探讨之中，许多设计计算方法也仅建立在经验或半经验之上，使深基坑工程的设计与施工处于不定状态。所以在城市地区进行深基坑开挖支护，是当今土木工程最为复杂的技术领域之一，它不仅要保证基坑施工过程中的土体稳定，而且要严格限制周边的地层位移以确保四周环境的安全。
二、我国深基坑工程技术的现状与新进展
改革开放以来，我国高层建筑发展迅速，目前我国高层建筑发展的趋势和特点是层数增多，高度增加，并积极参与国际高层建筑的竞争。由于高层建筑增多、地下空间的利用受到人们的重视，基础工程的技术也相应提高。20世纪70年代后期，高层建筑高度多不超过100m，地下埋深小于10m，地下室的功能主要是设备间、储藏室、泵房及人防等。基础结构以箱基为主，软土地区以桩箱为主。基坑坑壁支护设有板桩、柱列桩；采用内支撑。
现代大城市的高层建筑基坑具有深、大的特点，挖深一般在15~20m之间，宽度与长度达100m。基坑邻近多有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程，施工现场拥挤，在环境安全上有很高要求，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。过去对基坑支护结构的选择基本上是采用柱列式灌注桩挡墙或连续墙作为围护结构，当采用明挖法施工时多采用多道支承（内支撑或锚杆）。其他的支护形式有：钢板桩支护、地下连续墙支护、土钉墙支护、深基坑工程的逆作法施工等。
（1）水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前的5m以内，后者乃至10m以内首选的支护形式，土层条件好时，15m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者较多地应用于地下水位较低或者地下水位能够被疏干降低的场区。
对于5-10m深软土基坑，常采用钻（冲、挖）孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等，并可作各种布置，如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时亦用钢板桩或H型钢桩。
当基坑深度大于10m时，可考虑采用地下连续墙，并根据需要设置支撑或锚杆。遇特殊结构物（如地铁盾构的工作井、排水泵站、取水构筑物等）则采用沉井或沉箱。
迄今为止，上海已在高层建筑和地铁车站等数十项工程中应用地下连续墙支护技术，广州、深圳等地都取得了良好效果。为了提高经济效益，地下连续墙有时兼作地下室外墙，甚至可作为主体结构的承重墙，同时承受竖向与水平向荷载。当今中华第一高楼上海金茂大厦（地上88层，地下3层）是按地下连续墙兼作上部结构承重墙设计的。
（2）逆作法施工技术
逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少，从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。最早的逆作法施工技术应用于上海电信大楼（地下3层），其后如上海人民广场地下变电站（基坑深23.8m，直径64m，为我国最大直径圆筒形地下连续墙）、北京地铁车站、上海地铁车站等。
（3）一些新的支护结构经试用取得成功
例如：“闭合（或非闭合）挡土拱圈”、“拱形水泥土槽壁结构”、“连拱式支护结构”、“桩---拱围护体系”等。
三、深基坑工程事故分析及案例
近年来，在基坑工程中，事故频发，险情不断，既影响了建设进度，又造成了严重的经济损失和不良的社会影响，深基坑工程的安全问题已引起了各方面的严重关注。
深基坑工程具有下列特征：首先是一项临时性工程，故而一些单位抱有临时思想，能省则省，同时，施工周期较长，受季节变化影响，雨雪、堆载、振动、时间的延续影响很大；其次，深基坑工程的工程地质和水文地质条件复杂：深大基坑在不同位置与深度处的地质条件（土层构造、性质，地下水埋藏情况等）不尽相同，有时甚至相差很大；再，深基坑工程施工条件差、与周围环境相互影响大，深基坑周围环境条件复杂多变，对施工尤其是支护桩施工可能有诸多限制或不利因素，如场地狭窄、噪音限制、振动限制、施工时间限制等，在设计及选择施工方案时均需加以考虑；最后，深基坑深基坑开挖的空间几何尺寸和暴露时间与支护结构变形和坑周地层位移之间有密切的相关性。
深基坑的稳定直接与支护结构体系的变形稳定以及基坑的工程地质、水文地质条件有关，失稳主要表现在：（1）因基坑土体的强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体的整体滑动失稳；基坑底土因承载力不足而隆起；地层因承压水作用、管涌、渗漏等，导致基坑工程失稳破坏。（2）因支护结构（包括桩、墙、支撑系统等）的强度、刚度或稳定性不足引起支护结构破坏而造成基坑倒塌破坏。
城市地区进行基坑支护工程施工，如何控制支护和周围地层的变形是设计和施工中的难点，这种变形问题要比其稳定性更为关键。原因是多方面的：开挖造成的土体应力释放与重新调整；施工失误：施工因素如超挖和拖延支护时间、先打桩后挖土的工程；地下水变化；支护结构的变形；其他方面，如地面堆载过度、气候异常变化、支护结构与土体之间的可能空隙（虚土）等。具体分析有下列问题：
（1）勘察失误：勘察资料不全面或参数不足；勘察资料参数不准确。
深基坑所在位置处的工程地质和水文地质条件是确定支护方法、地下结构施工方法、地下水处理方法等的重要依据。勘察工作的失误，势必对支护结构方案的正确选择和设计计算的准确性造成影响，给工程的实施留下隐患。
① 土层参数失真，内摩擦角耳和内聚力C取值错误，致使设计计算结果不准确，埋下事故隐患。如某工程基坑10*200m，挖深9.5~10.5m，采用800mm厚20m深地下连续墙，两道钢筋混凝土支撑。地下20多米范围内为饱和流塑状灰色淤泥，其内摩擦角11.5°，内聚力12kPa。而实际上内摩擦角为6.5°，内聚力13kPa，因此被动区抗力不足，连续墙整体滑移，基底隆起，支撑破坏，坑外地面下沉最大达4米。
② 地下水位、水渗透系数不准确。地下水位不准确，则在进行止水帷幕设计时可能发生误差，渗透系数K则对降水设计产生较大影响。如南京某基坑，按勘探报告提供的渗透系数计算，需设置10口管井，在实际施工时打设了14口，其出水量大大超出计算值，说明勘探报告中的渗透系数偏小。
③内摩擦角和内聚力C因水（渗水、降雨）而减小。如：2003年大连和和大饭店深基坑南侧发生大面积坍塌。该深基坑于2003年春开挖，由于一直未能按期施工，基坑边坡支护工程已过有效期限。工程开工后市安监站曾多次下达安全整改指令书，要求建设、施工、监理单位组织专家进行安全论证，并采取加固措施。几个月后，工地基坑边坡出现渗水现象，施工单位认为是自来水渗漏并与自来水公司取得了联系，次日早遭遇强降雨后最终导致坍塌事故发生。
（2）设计失误
在深基坑事故中，由于设计不当而造成的大约有将近一半，既有方案选择问题，也有设计计算错误，更多的是由于设计师经验不足而造成各种失误
1）设计方案选择失误
未经验算与技术论证，盲目套用相似或相近工程的支护结构方案；选择不合适的支护方案，如在淤泥质土层中采用土层锚杆、土钉墙等，使支护结构产生过大变形；在对周围环境保护要求严格的工程中，选择放坡开挖、悬臂式支护桩墙、土钉墙、拉锚板桩等变形较大的形式。
2）支护结构上的作用（荷载）取值不当
3）地下水处理方案不妥
软土地区未设置止水帷幕；止水帷幕长度不足，发生管涌；坑内集水坑距离支护桩过近，使支护桩抗力减小；坑内外水位差较大，冲溃坑底承压土层，造成管涌、流砂。
4）设计计算错误
珠海祖国广场基坑工程事故
工程概况：迎接澳门回归的标志建筑，拟建26层高，4层地下室，挖深16.2米，采用800mm厚的钢筋混凝土地下连续墙（逆作法）加4层钢支撑支护，2排水泥搅拌桩作止水帷幕。
事故发生：当完成第4道支撑后，基坑严重管涌，地下连续墙下部向基坑内位移，墙体外部向基坑外位移，钢支撑变形过大，向上崩出，楼房倒塌。
事故试分析：设计未进行坑底抗隆起和整体稳定性验算；施工中，土方超开挖，未能正确利用监测资料作出准确的分析和判断并提出应急措施。
5）内支撑结构设计失误
内支撑结构布置方式不当，如头道支撑位置位置过低，致使支护桩顶部变形过大；内支撑水平间距过大，承载宽度内的压力超过支撑杆件承载能力，被压屈；基坑平面较大时，采用钢支撑，杆件易失稳（压屈）。
如：某工程主楼基坑面积为45m×45m，挖深-9.10m，基坑围护设钢板桩，长22m，设三道钢管支撑，基坑内喷射井点降水，靠旧民房一侧布设回灌井点。由于土方超开挖及钢板桩刚度较差，桩最大位移为30cm，钢板桩缝漏水，致使周围民房严重开裂，该房因开裂过大而拆除。
（3） 施工失误：
表现为施工方未能领会设计意图；施工质量低下；施工程序、工艺等错误，如：先挖后撑（锚杆）、挖土机、载重汽车载坑边作业、挖土机械随意碰撞支护结构（支护桩、内支撑、锚杆、立柱桩等）、基坑底暴露时间过长、换撑不当、坑边堆载过大；抢挖、超挖、一挖到底。
如：2001年上海市某工程塌方事故。当时井下有几台挖土机正在工作，施工人员像往常一样在一旁指挥。在场人员突然听到螺丝爆裂的声音，位于中央的3根支撑井壁的铁管接合处随即松动，大量泥土倾泻而下，直冲出约20米远。4名在断裂铁管处施工的人员不及逃出，被泥土覆盖。一分钟后，泥土第二次大规模倾泻。原先铺在井底的每块1吨重的铺道板已被冲散，零乱地搁在井底。原先能开挖土机的井底，到处是土堆。事故原因初步估计是井上边缘处堆放了太多的黄沙以及土方机等，造成井壁负担过重。
（4）监测失误：无监测、监测内容过少、对监测数据分析能力欠缺或不及时分析、报警不及时。
基坑工程施工对周围环境的影响因素有设计、施工、环境和气象等多方面原因，从深基坑工程事故中吸取经验教训，分析事故原因是最好的方法，正所谓“前事不忘，后事之师”。
四、深基坑工程环境事故的监测与防治技术
考虑深基坑工程的特点，采取的措施：
（1）对岩土工程勘察与工程调查的新要求。
岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件复杂、不均匀，往往造成勘察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，并且精确度低，给基坑工程的设计和施工增加了难度。
支护结构设计的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围，而不仅是局限于支护基坑本身而已。为此，在设计前常先做好对基坑以外周边地区的地质勘察。
在建筑地基详细勘察阶段，勘察范围应根据开挖深度及场地的岩土工程条件确定，一般至少扩大至开挖线以外相当于预计开挖深度1至2倍的范围；而对于软土地区，尚宜扩大。基坑周边勘探点的深度应满足基坑支护结构设计要求，不宜小于1倍开挖深度，软土地区应穿越软土层。对于深大基坑，尚应按预估基坑周围下卧层位移的需要而确定勘察深度。勘察点的间距一般取15～30m，对毗邻既有建构筑物及地下设施的基坑周边，应特别仔细勘察。
场地水文地质勘察应达到以下要求：查明开挖范围及邻近场地地下水含水层和隔水层的层位、埋深和分布情况；查明各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)的补给条件和水力联系。特别注意流砂和水土流失问题。为探明地下埋设物、洞穴及地层变化，采用了地震雷达仪进行扫描检测。
（2）在软土、高水位及其他复杂场地条件下开挖，很容易产生土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等危害，对周边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大的威胁。
对软土基坑，特别是深大而周围环境条件严峻的基坑，在基坑内外一定范围进行土体加固，可取得防止隆起、稳定坑壁、减少位移、保护环境的良好效果。土体加固除利用常规的地基处理技术外还常利用降水技术，取得了好效果。
（3）支护结构设计。工程实践证明，要做好基坑支护工程，必须包括整个开挖支护的全过程，包括勘察、设计、施工和监测工作等整个系列，因而强调要精心做好每个环节的工作。基坑支护工程包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。
（4）对周边环境的监护。
基坑开挖与支护的施工。相邻场地的基坑施工，如打桩、降水、挖土等施工环节会产生相互影响与制约，增加事故诱发因素。对周边环境的要加强监测，这包括：邻近建筑物的沉降、倾斜和裂缝及发生时间和发展过程的监测；邻近构筑物、道路、地下管网设施的沉降和变形监测；基坑开挖后的基底隆起观测；地下水位监测；肉眼巡视与裂缝观测。
有经验的工程师每天进行的肉眼巡视工作是很有意义的，主要对地圈梁（帽梁）、邻近建筑物及邻近地面的裂缝、塌陷和支护结构工作失常、流土、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行检查、记录和分析，形成有效的监测系统，使工程设计和施工设计紧密结合，以达到保证工程和周围环境安全和及时调整优化设计及施工的目的。
监护方法有三类：一类是适当加强支护体系，对基坑毗邻监护对象的部位将挡墙加深或将桩加长以隔断之；第二类是对监护对象采用基础托换、结构补强、地基加固等方法直接加以保护，使其免受基坑施工影响；第三类是对基坑底部和周围土体局部加固，借以把基坑变形控制在容许范围。这些方法分别根据工程具体情况经分析比较而后采用。
（5）支护工程设计应包括支护体系造型、围护结构的强度、变形计算、场内外的土体稳定性、降水要求、挖土要求、监测内容等，应注意避免“工况”和计算内容这间可能出现“漏项”，导致基坑失误。
在施工过程中，尤其在软土地区中，应认真研究合理安排好挖土的方法，以及支撑与挖土的配合，将会显著减少基坑和基坑支护事故的发生。研究发现，在软土深大基坑中精心安排开挖施工分层分区分块的部位和时间要求，以及相应的支撑设置的时间要求，以有效地控制基坑已开挖部分的无支撑暴露时间和减少土体被扰动的时间与范围，将可以利用尚未被挖及的土体尚能在一定程度上控制其自身位移的潜力，而达到使其协力控制挡墙位移和坑周土体位移的目的。换言之，在基坑开挖施工（包括支撑设置过程）同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性。故科学地安排土方开挖施工顺序和控制施工进度，将有助于控制挡墙和坑周土体的位移。
（6）地层位移预测与周边工程保护。地层位移既取决于土体和支护结构的性能与地下水的变化，也取决于施工工序和施工过程。如预测的变形超过允许值，应修改支护结构设计与施工方案，必要时对周边的重要工程设施采取专门的保护或加固措施。
（7）对开挖过程实施跟踪监测，并将信息及时反馈，用信息化来指导下一步工作。
基坑支护工程施工周期长，从开挖到地面以下全部的隐蔽工程完成，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工失当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。在基坑开挖前制定系统的监测方案，在开挖及地下结构施工中，用科学的仪器、设备和手段对支护结构、周边环境(土体、建筑物、道路、地下设施等)的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起及地下水位的动态变化、孔隙水压力变化等进行综合监测。预测下一施工阶段可能出现的新动态，为施工期间进行设计优化和合理施工提供可靠信息，对后续开挖提出建议，对可能出现的险情进行及时预报，当有异常时立即采取必要技术措施，防患未然，确保安全。
监测手段常采用水准仪、经纬仪、测斜仪、分层沉降仪、土压力盒、孔隙水压力仪、水位观测仪、钢筋应力计等。目前在实际工作中，以水准仪量测墙顶和地面位移以及以测斜仪量测墙体和土体深层位移较为可靠而且特别重要。其他监测手段常被用来进行综合分析。
（8）全国性规范的编制
深入开展深基坑支护方案审查工作，不断提高基坑工程的设计水平与施工质量，基坑工程事故大幅度下降，进一步完善深基坑设计与施工的监督管理，确保基坑支护的质量与安全。我国第一部关于基坑支护的国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》已编制完成并投入使用。与此同时，上海、深圳、北京、广州等地已分别编制了地方或部门的有关深基坑支护的指南、规范或规程或征求意见稿，我国基坑支护技术的标准化工作已迈进了一大步。
五、结论
加强现场监控，迅速采取有效措施排除险情，确保工地安全和周围地区稳定，要妥善做好各项善后工作，要查清事故原因，采取有力措施，确保工程安全。
参考文献：
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