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轨道交通深基坑施工对环境的安全控制研究

1 引言
深基坑工程的环境影响及其保护问题一直倍受岩土工程界的关注，尤其是在建筑物和管线密集的城区进行基坑开挖时，对周围环境的保护问题往往成为决定基坑工程成败的关键因素之一。
随着城市建设和地下空间开发利用的快速推进，深基坑工程的数量不断增加，由深基坑施工引起的邻近建（构）筑物倾斜、开裂，地下管线破裂，道路沉陷等环境安全问题时有发生，由此造成了经济损失，产生了矛盾纠纷和社会影响。因此，必须严格控制深基坑设计与施工对周围环境影响，如何确保周边环境安全，将深基坑开挖对周边环境的影响控制在允许的范围内，已成为控制深基坑工程设计与施工的首要条件。
2 轨道交通深基坑施工时对环境的影响
城市地铁深基坑工程具有以下特点:(1)深基坑工程施工环境条件比较差。由于高层、超高层建筑都集中在城市中心区及主要街道的两旁，建筑密度大，人口密集，交通拥挤，施工场地狭小；(2)基坑开挖越来越深。为节约土地，充分利用原有基地面积和地下空间，设置车站、人防、机房及消防设施，故地铁结构的深度和层数相应增加；(3)必须设置技术可靠可行的支护结构来确保安全，还要考虑到对周围地下的煤气、上水、下水、电讯、电缆等管线的影响，尽可能减少对这一系列建筑及设施的损坏性影响。
城市地铁轨道交通深基坑工程施工时对环境的影响主要表现为：
(1) 基坑邻近难以拆除或避让的旧建筑、重要建筑或保护性建筑，由于既有建筑基础埋深浅，结构老化，承受影响的能力差，基坑施工导致房屋倾斜和结构开裂，这类问题一般要发生经济赔偿，并造成一定的社会影响。
(2) 基坑靠近马路，由于施工过程中的降水不当或围护结构渗漏水，产生马路沉陷，地下管线开裂等问题。此类问题虽不会造成较大的安全事故，但发生概率高，影响市民出行和正常生活。
(3)基坑周边为重要地下设施和管线，如地铁、原水管渠、合流污水管或精密仪器基础等，保护要求十分严格（变形控制甚至以毫米计），环境风险大，保护费用高。
(4)在地下空间开发强度和密度高的区域，多个基坑先后施工，导致对周边环境的累积影响增加，对受多次影响的建（构）筑物和地下管线极为不利。
(5)相邻基坑工程，因先期施工工程会对后续基坑工程提出环境保护要求，因先后建设顺序和相互保护问题而发生矛盾，此类问题呈现日渐增多的趋势。
3 轨道交通深基坑施工时对环境的影响主要原因分析
根据近年来全国各地区大量深基坑工程的工程实践，引起环境安全问题的主要原因大致有以下几个方面：
(1) 在施工前对邻近的建筑物荷载以及施工机械、土方运输和重载车辆行驶的荷载考虑不周，导致地面超载取值不当，围护结构刚度偏小，实际变形大。
(2) 围护墙体和支撑刚度不匹配，造成围护结构整体刚度和整体稳定性差，引起支护桩墙体产生过大的变形，坑底隆起和地面沉降。

(3) 基坑范围内微承压水和承压水处理不当，产生管涌和流砂，引起土体流失，造成周围地面过大沉陷而影响环境安全。
(4) 由于降水施工失误，造成降水影响范围增大，引起地面不均匀沉降，使得附近建筑物及地下管线遭受损坏。
4 轨道交通深基坑施工对环境影响的安全控制措施
深基坑施工过程中对环境的保护是一项既重要又相当复杂的工作，涉及到工程地质条件、周边环境条件、施工方法、施工能力等多方原因。针对深基坑工程施工造成对周边环境的安全影响，可以从一下几个大方面进行控制。
4.1 准确调查周边环境
（1）明确调查范围。深基坑工程设计、施工前，认真地对周边环境条件进行调查，及时掌握环境信息的动态，也是深基坑工程设计和施工时确保环境安全的重要环节。对深基坑周边环境条件进行调查时，首先需要明确调查范围。调查范围一般根据基坑开挖深度和降水影响范围确定，按照常规经验，基坑开挖和降水的影响范围一般为开挖深度的2倍左右，从确保安全的角度出发，周边环境条件的调查范围应不小于基坑开挖和降水的影响范围。
（2）调查内容尽量详细。对调查范围内的地上、地下建（构）筑物、市政管线、轨道交通以及同期建设工程等的情况进行调查，尤其是地下工程，需要摸清详细的工程资料，如地下建（构）筑物的位置、层数、结构类型、竣工时间、基础类型、持力层及其与本基坑边的相互关系；管线的类型、位置、埋深、走向，及其规格、接头形式、埋设时间、埋设时支护结构等；相邻地铁、人防工程或隧道等地下构筑物的平面位置、尺寸、埋深、施工时间及其基坑边坡支护结构或放坡范围。此外，同期建设工程或市政设施的性质、规模、特点、施工情况以及相邻工程的沟通协调情况等。
4.2 施工期间对基坑降水及地下水影响控制
在施工期间，为减少基坑降水及地下水对工程的影响和危害，通常采取下列措施：
(1)采用全封闭形的挡土墙或其它的密封措施,如地下连续墙、锁口钢板桩、灌注桩、旋喷桩、水泥土搅拌桩等，将井点设置在坑内,井管深度不超过挡土墙的深度，仅将坑内水位降低，而坑外的水位将维持在原来的水位；
(2)根据工程实际情况，适当地调整井点管的埋置深度;如果在降水影响区范围内有建(构)筑物、管线等需要保护时,可在确保基坑不发生流砂和地下水不从坑壁渗入的条件下,适当地提高井点管设计标高；
(3)采用井点降水与回灌相结合的技术,在井点降水管井与需要保护的建筑、管线间设置回灌井点、回灌砂井或回灌砂沟,持续不断地用清洁水冲洗,(以免土体发生孔隙堵塞,降低土地渗透性能而影响回灌效果)回灌,形成一道水幕,以减少沉降；
(4)为减少坑内井点降水,减少降水曲面向外扩张,防止邻近建筑物基础下地基土因水位下降、水土流失而产生的沉降,在井点降水前,在需要控制沉降的建筑物基础周边,布置注浆孔,控制注浆压力。
4.3 施工期间对基坑变形控制的措施
基坑施工时,在抗变形环节上，首先应做到以下控制措施:
(1)根据基坑围护体系规律，其变形可以分为两个阶段，一是开挖到设计标高时的变形,二是到底板结束时的位移。而第二阶段的变形与基坑暴露时间有关,暴露时间越长,风险性越大，必须掌握好两阶段开挖的时间；

(2)基坑工程的受力特点是大面积卸载,坑周围和坑底应力场从原始条件逐渐降低。基坑暴露后,应及时铺设混凝土垫层对保护坑底土体不受施工扰动、土体应力松弛具有重要作用;
(3)防止基坑周边出现超载,否则会增加墙后土体压力及滑动力矩,降低围护体系的安全度;
(4)施工时还需考虑到在大量卸荷后,坑周围应力场变化,地面或多或少会产生许多裂纹,降雨或施工用水进入土体会降低土体的强度,并增加土压力。
另外，施工中应设法减少土体中有效应力的变化,提高土的抗剪强度和刚度,为此必须保证: (1)在基坑周开挖过程中和开挖后,应保证井点降水的正常进行;
(2)尽量减少基坑坑底的暴露时间,尽快浇筑垫层和底板混凝土;
(3)必要时,在开挖前对坑底土体进行局部加固处理。
5 工程实例
某地铁站工程,两端起止里程线路长度约1.5km,基坑深度8~12m。地势基本平坦,场地地貌属长江漫滩,设计基底加固为深搅桩加固,采用明挖法施工,围护桩桩长15.6~19.6m,其中钻孔桩桩径800mm,深搅桩桩径650mm,桩间距1050mm,相互咬合200mm,钻孔灌注桩采用C25钢筋砼桩,搅拌桩采用四搅两喷法,水泥为425#,水泥掺量为16%,水灰比为0.45~0.5。区间范围内自上向下土层构成分别为人工填土、淤泥质填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂。基底所处的多为淤泥质粉质粘土层,隧道结构大部分也坐落在该土层中,该土层地质性质表现为“三高一低”,即高灵敏度、高压缩性、高含水量、低强度等,有高压缩性的特点,局部有轻微震动液化土层。地下水丰富,影响工程的主要为浅层潜水,主要由大气降水和地表水补给,水位埋深约0.6~1.5m,且土层渗透性差。该工程的深基坑施工采用以下的施工方案:
(1)采用“时空效应法”指导基坑施工。“时空效应法”的主要施工特点是:根据基坑规模、几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置、基坑地基加固和施工条件,按照“分层、分段、对称、平衡、限时”的原则来确定施工方案。
(2)施工机具简单、施工灵活、污染小、噪音低、不扰民。
(3)支护与土方开挖同步进行,边挖边撑,保证基坑安全。基坑开挖前进行必要基坑土体加固,对基坑外7.5m,基坑内地下水位降至基底以下3m,用真空管井降水法提前20d左右降水加固土体。在基坑开挖中,沿纵向的分段坑底长度L≤24m,而在每开挖段每开挖层中,又分成8m长一小段,挖好一小段,即直接在围护结构的规定位置撑2根支撑。开挖某一层(约2.5~3.5m厚)的小段(约8m长)的土方,要在16h内完成,即要求在8h内安设2根支撑并施加预应力。开挖到基底,经检查处理后,应及时进行封底垫层及其后续工序施工。施工中要做好基坑上下的排水,一是防止地表侵入支护结构周围的土体,二是确保基坑底部排水通畅,防止底部积水浸泡桩根土体。
6 结束语
地铁深基坑开挖引起的环境效应是一个复杂的动态系统，在全过程施工中，应注意如下几个方面：
(1) 依据工程地质条件分析、环境条件现状和安全标准，加强安全性报告和施工方案各环节的质量，采取必要的工程技术措施，可有效降低环境安全事故。
(2) 在观察基坑开挖对周围环境影响时，应把位移（沉降）大小和速率结合起来，考察其发展趋势，不能孤立分析。并且，应考察影响对象的重要性和承受能力，采取不同的处理措施。
(3) 为确保深基坑工程的环境安全，应从设计、施工、管理和监督各环节加强保护措施的落实，以确保环境的安全。