【摘要】基坑開挖使土體內應力重新分布，由初始應力狀態(tài)變?yōu)榈诙顟B(tài)，致使圍護結構產生變形、位移，引起基坑周圍地表沉陷，從而對臨近建筑物和地下設施帶來不利影響。不可避免會對周圍的建筑、道路以及管線等造成影響，主要包括：臨近建筑物的開裂、傾斜；道路開裂；地下管線的變形、開裂等。
1概述
目前，國內外已有不少學者對基坑開挖引起的環(huán)境問題進行了研究。Attwell對基坑開挖引起的地面沉降及對地面建筑物和地下管線的影響進行了研究[1]。Laefer通過模型試驗，研究了剛性和柔性懸臂支護結構對坑周土體及鄰近建筑物位移的不同影響[2]。劉維寧等對非飽和土的工程性質及城市地下工程的環(huán)境影響和控制理論方面進行了研究。王利民等依據上海外灘金融中心的深基坑工程施工監(jiān)測結果，分析了基坑開挖引起周圍建筑物的沉降變形影響范圍、沉降量與距基坑的距離以及圍護結構和土體的水平位移之間的關系、地表沉降與圍護結構水平位移之間關系等。張亞奎用FLAC3D模擬分析了在不同支護情況下，深基坑開挖對近鄰建筑物的變形、支護結構變形以及基坑外地層沉降的影響，對其發(fā)展變化規(guī)律進行了分析總結。
2深基坑周邊地表沉降影響因素
2.1深基坑圍護結構變形
?。?）圍護結構剛度和橫向支撐剛度的影響
圍護結構剛度對基坑圍護結構的水平位移有較大的影響，通過增大圍護結構的剛度，可以有效地減小圍護結構自身的水平位移導致的地面沉降。大量工程實踐表明，當圍護結構的剛度從較小值逐步增大時，坑外地表最大沉降呈明顯下降趨勢?；釉诩茉O內支撐，特別是架設多道支撐后可有效地控制圍護結構的變形，在適當的范圍內增加支撐的剛度能夠明顯減小圍護結構的水平位移，但支撐剛度達到一定程度后，水平位移的變化率將明顯減小。
?。?）基坑開挖過程中的時空效應
近年來在一些地區(qū)的實踐和研究中發(fā)現，在深基坑開挖和支撐過程中，每個分步開挖的空間幾何尺寸和支護墻體開挖部分的無支撐暴露時間，與周圍墻體和土體位移有一定的相關性，反映出基坑開挖中時空效應的規(guī)律性。在沿基坑深度方向上，圍護結構的最大水平位移發(fā)生在基坑底部附近；在沿基坑邊緣方向上，基坑邊角處圍護結構的水平位移較小，隨后逐步增大，至基坑中部達到最大值，但位移的變化率有明顯的差異。在地鐵深基坑中，由于其獨特的長條結構，長寬比較大，這種空間效應尤為明顯。
?。?）圍護結構入土深度及土性的影響
工程實踐表明，增大圍護結構的入土深度可以有效地減小圍護結構的最大水平位移，但隨著入土深度的增大，最大水平位移變化率減小，并逐步趨近于零。從理論上講，圍護結構的入土深度越大，坑底土對圍護結構的約束也越大，然而實際上，在入土達到一定深度后，再增加入土深度，圍護結構的水平位移減小的幅度很小，而工程投資卻大為增加。土性對圍護結構的水平位移也有較大的影響，研究發(fā)現，隨著內摩擦角的增大，最大水平位移逐漸減小，幾乎呈線性關系。從理論上分析，內摩擦角越大，則主動土壓力越小，被動土壓力越大，圍護結構的水平位移越小。
2.2基底的回彈和隆起
基坑開挖是一種卸載過程，開挖越深，深層應力狀態(tài)的改變越大，這樣不可避免會引起基坑地面土體的回彈變形，此變形不僅影響基坑自身的圍護體系，而且對擬建的建筑物都產生較大影響?；勇∑鹱冃蔚闹饕蛴兴膫€方面：一是由于土體挖除，自重應力釋放，致使坑底土向上回彈；二是基底土體回彈后，土體松弛與蠕變的影響使土隆起；三是基坑開挖后，在基底面以下部分的支護結構向基坑內變位時，擠推其前面的土體造成基底的隆起；四是粘性土基坑積水?；拥撞康穆∑鹱冃?，通常是因基底土體側向承載力不足而引起的剪切破壞變形。當側向荷載較小時，側向壓力和隆起變形基本呈直線關系，屬于線性變形階段；當荷載增加到一定程度時，支護結構邊緣處的坑底土體開始發(fā)生剪切破壞，隨著荷載的增加，剪切破壞區(qū)或稱塑性變形區(qū)逐漸擴大，這時土體承受的側向壓力與其變形呈曲線關系，屬于彈塑性變形階段。如果支護結構上的側向荷載繼續(xù)增加，剪切破壞區(qū)進一步擴大，最終在基坑底部土體形成一個連續(xù)的滑動面，基坑側壁土體急劇下沉，支護結構向內側傾倒，同時引起基坑底面支護結構鄰近的地面隆起。
2.3降水引起的墻外地層固結沉降
深基坑開挖絕大多數情況都需要進行人工降低地下水水位，它有兩個目的：一方面能保證基坑開挖在干燥的環(huán)境下進行，為機械化進場施工創(chuàng)造了良好的條件。另一方面基坑邊坡地下疏水以及含水量的降低會提高巖土體的c、值，從而增加了基坑邊坡的穩(wěn)定性，保證施工的順利進行。基坑降水大幅降低基坑及周邊地區(qū)地下水位，使深基坑開挖區(qū)域附近地下水發(fā)生激烈流動，基坑周圍土體孔隙水壓力發(fā)生劇烈變化，從而引起地面沉降，對基坑及其周圍環(huán)境產生不良影響。由有效應力原理可知：人工降水前，土體所受荷載由土粒和孔隙水承擔，降水完成后，土體中的孔隙水被疏干或者部分疏干，孔隙水所承擔的應力減小，土的有效應力增加，從而使土體產生固結壓密，降水范圍內的土體固結壓密，在地面上則產生了沉降和水平位移。
降水產生地面沉降的原因為：處于地下水位之下的土體，當地下水被疏干時，浮力消失，所消失的浮力轉化為自重應力，其自重應力增加值相當于浮力消失值，并可視等同于原始狀態(tài)下土體附加應力增加值，因而可以借助土體在附加應力作用下產生壓縮變形的計算公式來計算沉降量：
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式中，為最終沉降量（cm）；a為壓縮系數（MPa）；e。為孔隙比；△P為附加應力（MPa）；H為壓縮層厚度（cm）。
一般情況下，在地下水位降深范圍內，存在一種或兩種以上土體，尤其存在多種土體時，水位降低后，較軟弱土體首先被壓縮變形，該土體壓縮系數a、孔隙比e?？蓳た辟Y料取得，附加應力則可利用壓縮層頂板埋深減去靜止水位埋深值換算后取得。
3減小沉降的措施
減少地表沉降的主要措施為：采取剛度較大的地下連續(xù)結構；分層分段開挖，并設置支撐；基地土加固；坑外注漿加固；增加圍護結構入土深度和墻外帷幕；盡量縮短基坑施工時間；在保護區(qū)內設回灌系統(tǒng)；盡量減少降水次數。根據基坑開挖深度、地基土及周圍環(huán)境條件，選擇經濟而安全的設計方案。
同時，深基坑的設計與施工是密不可分、相互依賴的。施工的每一個階段，結構體系和外荷載都在變化，對支護結構的變形、內力有很大影響。在施工過程中進行工程監(jiān)測，即對墻體內力、位移、側土壓力、土體變形、孔隙水壓力、支撐內力及周圍環(huán)境的變形進行量測，并將結果反饋調整設計參數和施工進程，采用先進的信息化施工方法。這種方法在深基坑施工過程中，可預知可能引起局部或整體破壞的先兆，及時修改設計或采取必要的施工措施，以確保支護結構的安全和減少環(huán)境影響。
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