深基坑开挖工程中的环境效应

赵民，于开宁，万力，吕炳旭

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266033； 2.石家庄经济学院，河北石家庄 050031； 3.中国地质大学，北京 100083)

深基坑开挖工程中的环境效应

赵民1∗，于开宁2，万力3，吕炳旭2

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266033； 2.石家庄经济学院，河北石家庄 050031； 3.中国地质大学，北京 100083)

基坑开挖引起环境污染和环境破坏.从地下水位下降、支护结构变形、支护结构施工三个方面分析了地质环境的破坏型式；概述了支护结构施工过程导致的环境污染.通过工程实例，构建评价指标体系，建立模糊数学评价模型，评价结果与环境影响实际基本吻合。

基坑开挖；环境效应；指标体系；模糊数学模型

近几年，全国大中城市的基坑工程呈现出越挖越深、工程地质条件和周围环境越来越复杂的趋势，对于临时性的基坑工程，业主关注更多的是造价，施工单位关注更多的是效益和进度，设计单位关注更多的是安全，监测单位关注更多的是环境，而建管部门的监管重点应该是安全与环境[1]。因此，基坑工程是一个系统工程，考虑的不仅仅是基坑本身的工程技术问题，很多情况下，而是考虑环境约束的基本工程条件问题。在确保基坑安全运行的同时，基坑开挖引起的环境效应，成为人们关注的焦点。

1 基坑防护

1.1 基坑开挖支护模式

基坑开挖实际上就是一种卸荷的过程，在解除竖向自重应力的同时，水平向自重应力也相应有所解除，临空土体产生较大的水平侧向压力，为平衡土体侧向压力，防止临空土体的倒塌，设置挡土措施，目前常用的基坑支护措施如表1所示。

支护结构选型表[2] 表1

基坑变形控制环保等级标准[3] 表2

1.2 基坑防护标准

基坑开挖过程中，不确定因素较多，为减少各种环境土工问题的发生，最大限度降低基坑对其周边环境的不良影响，加强基坑监测，进行信息化施工成为环境效应防护的必然要求，环境防护标准如表2所示。

2 基坑开挖中的环境效应

基坑开挖引起的环境效应表现为环境污染和环境破坏两种类型[4]。环境污染是指人类活动向环境排放了超过环境自净能力或环境质量标准的有毒有害物质和能量所引起的环境问题，例如大气污染、水体污染等。环境破坏是指在开发利用自然环境和自然资源的活动过程中所引起的非排污性问题，例如基坑开挖对周围建筑及道路的影响；降水工程引起的环境问题等。

2.1 基坑开挖引起的环境破坏

基坑开挖引起的地质环境效应主要来自地下水及支护结构的破坏、变形和位移的影响，使周围建筑物产生不均匀沉降、开裂，邻近道路下沉，管线位移乃至断裂，甚至更为严重的后果，影响人们的生产生活和社会稳定[5]。

基坑开挖时，坑底以上的土体，因受到具有较大水平压力的外侧土体的挤压，便产生水平压缩，于是支护桩体内移，并伴随出现坑外地面沉降；另一方面，人工降低地下水位，会增大坑外土体的竖向和水平向自重应力，造成更大的坑外地面沉降和支护桩体内移，桩体内移不仅可能破坏坑壁围护系统，而且使基底尺寸缩小，影响结构施工，同时也造成坑底隆起，严重威胁地表安全。基坑开挖地质环境效应示意如图1所示[6]。

图1 基坑开挖地质环境效应示意图

(1)地下水位下降引起的地质环境效应

基坑开挖对地下水的处理有两条途径:基坑降水和基坑止水。为保证施工作业面的需要，对基坑直接进行坑内降水或坑外降水，或设置止水帷幕，隔断坑外地下水，形成水头差，锚杆施工可能发生漏水漏砂，均可发生水位下降。降低地下水引起的环境效应表现型式:

①地面沉降。水位降低，软弱土层压缩沉降；水位下降，孔隙水从土中排出，土体发生固结变形而压缩沉降；降水带出细小土颗粒，土骨架颗粒重新排列，引起地面沉降。

②基坑坍塌。基坑开挖时，基坑内外地下水位存在一定的水头差，在动水压力作用下，基坑土发生流失、潜蚀等渗透破坏现象，导致岩土体结构松动和破坏，引起基坑坍塌。

③基土开裂。当基坑内外水头差较大，或基坑下部有承压水存在，开挖基坑使原有土压力减少到一定程度时，承压水水头压力大于基坑底土体浮重力，形成管涌、流砂等基坑突涌现象，导致地基土开裂。

(2)支护结构变形和位移引起的地质环境效应

支护结构的变形主要表现为水平和竖向变形，当基坑开挖较浅时，支护结构主要为水平变位，随着开挖深度的增加，土压力增大，支护结构变位逐渐回复，地表变形范围增大，最大变位量也增大，基坑深度再加深时，基坑应力释放量增大，往往会造成地下支护墙体向上变位，支护桩体的入土深度减少。支护结构发生变形和位移引起的环境效应表现型式:

①基坑失稳。支护结构自身破坏，导致基坑失稳，表现为大面积滑坡；支撑物受破坏或锚杆体系抗拔力不足，拉杆自身断裂或拉杆及锚座的连接不牢等引起支护结构体系承载力丧失；支护结构位移过大；地基土强度不够，桩侧土的滑动力作用形成整体滑动；基底水平面两侧荷载不均，坑底产生过量隆起。

②基坑隆起。基坑开挖卸载改变坑底原始应力状态，土体中自重压力减少，土体的弹性效应使基坑底面产生一定的弹性隆起，随着开挖深度的增大，坑内外高差所形成的加载和地面各种超载的作用，使围护墙体外侧土体向坑内移动，坑底产生向上的塑性变形，支护结构整体破坏，导致基坑隆起。

③邻近建筑设施破坏。基坑开挖卸载，基底隆起，支护结构变形，基坑周围产生较大的塑性区，引起地面沉降；基底暴露时间过长，或基坑积水，使粘性土吸水体积增大，抗剪强度降低，回弹变形增大，由于粘性土的流变性，将增大被动压力区的土体位移和坑外土体向坑内的位移，引起支护结构位移，从而增加地表沉降；支护结构嵌入深度不足，引起基坑隆起，使地基土强度降低或丧失，支护结构位移，地面沉降开裂；基坑流砂和管涌在基坑外侧形成空洞，地面沉陷坍塌。地面沉降、开裂和坍塌导致基坑周边建筑物、管线和道路等设施的变形、位移或破坏。

(3)支护结构施工引起的地质环境效应[7]

支护结构施工的过程，一方面是对基坑采取安全防护的过程，另一方面是对基坑侧壁和地质环境进行破坏的过程。支护结构施工引起的环境效应表现型式:

①挤土效应。当基坑围护结构或止水帷幕采用挤密型桩时，可能会引起桩周土发生一定的竖向和水平位移，导致支护桩的上浮、倾斜、变位，诱发周边管线、建筑设施等位移，地面开裂。

②振动效应。在邻近基坑侧壁，由于车辆或机械施工振动等引起机械振动次数频繁，对周围一些较脆弱的建筑物和管线，往往会引起疲劳破坏；砂土由于振动液化而引起土体抗剪强度降低，地面沉降。

③成孔漏砂。锚杆和土钉成孔过程中，孔内砂颗粒随钻进与水一起流走，孔内形成空洞，地表下陷。

2.2 基坑开挖引起的环境污染

(1)噪声污染

降排水设备、打桩设备、各种钻孔设备、搅拌机、挖土机、起重机以及运土车辆等都会产生噪声，对声环境造成影响。这些设备可产生100 dB以上的噪音，而一般人能接受的噪声在40 dB～70 dB之间，这给附近人们的生活及办公环境造成十分严重的干扰[8]。

我国著名声学家马大猷教授总结和研究了国内外现有各类噪音的危害和标准，并把噪音对人的影响程度进行了分类.无法忍受150 dB～130 dB；感到疼痛130 dB～110 dB；很吵110 dB～70 dB；较静70 dB～50 dB；安静50 dB～30 dB；极静30 dB～10 dB；无声0 dB。

(2)空气污染

施工现场地面裸露产生浮土；泥浆、渣土和土方开挖外运溢撒；现场搅拌产生的水泥粉尘；潜风锤钻进岩石产生的石粉等，在频繁干燥季风的吹扬搬运作用下，产生的悬浮颗粒和粉尘等，均对空气造成污染。

我国空气质量采用空气污染指数进行评价，目前采用的空气污染指数(API)分为5个等级，API≤50，空气质量为优；50〈API≤100，空气质量良好；100〈API≤200，空气质量为轻度污染；API〉200空气质量差，中度污染；API〉300空气质量极差，已严重污染。

(3)环境化学效应

基坑施工过程中，会产生大量废弃物，如废弃泥浆、混凝土渣等，它们会侵占耕地、污染水源、影响土壤性质，造成周围环境的恶化；基坑施工中的化学灌浆多具有不同程度的毒性，这些注浆进入土体后，不同程度的污染地下水，导致环境恶化。

地下水综合污染指数由公式确定:Pi＝[∑(Ci/ COi)]/n；分为4级评价:Pi〈0.3为优等级、0.3〈Pi〈0.5为良好级、0.5〈Pi〈1.0为中等级、Pi〉1.0为差级。

(4)水土流失

基坑开挖、平整场地，倾卸物料等可能会改变地形，导致水土流失；施工时大量的暴露地面和机械运动、开挖，引起土体很大的扰动，容易导致土地侵蚀。

(5)干扰群众的正常生活和交通秩序

施工场地多位于繁华的城市中心区，人口密集，流动人口量大，道路拥挤。大型施工设备、运输车辆频繁进出，影响群众出行，换乘车不便，延误时间等，会影响绿色城市、绿色社区、绿色住宅的人居环境。

3 基坑开挖的环境评价

3.1 构建评价体系[9，10]

评价指标体系是用来表征具体环境特性和质量的指标体系。基坑开挖主要影响因素包括三方面:一是基坑设计要素，二是基坑施工要素，三是基坑开挖和运营期间环境监控标准。评价指标的选取是基于对已知单元数据进行统计分析的结果，依据指标体系的构置原则，即系统性、客观性、可操作性及主导性原则，分析研究影响因素，区分不同层次的因素指标，进行分层归类，建立具有代表性、可比性和准确性的相对统一的指标层次结构体系，如图2所示。

各评价指标由于各自量纲的不同，并且指标间数量差异较大，要使指标间能够直接进行比较，要对各类指标进行标准化处理，消除量纲差别，最后将得到值域为0－1，而且极性一致的数值。

图2 基坑开挖环境评价指标体系

指标数据的标准化方法包括线性标准化和非线性标准化两大类，选择合适的标准化方法应坚持三大比较原则:同一指标内部相对差距不变原则、不同指标间的相对差距不确定原则、标准化后极大值相等原则.笔者采用线性标准化方法，分析调整了标准化计算公式.设现状原始数据为Yk，标准化后的现状值为Xk，对指标体系中的每一项评价指标数据划出最大值(Ymax)和最小值(Ymin)，按照质量等级由优等到差等，标准化指数升高的原则，设定差等级标准化指数最高X＝1.00，则标准化公式:

正向指标:Xk＝Yk/Ymax

反向指标:

经验证符合指标标准化的三大原则，指标量化及标准化指数如表3所示。

基坑开挖环境评价指标量化分级及标准化指数 表3

3.2 建立数学模型[11]

模糊综合评判法(FEA)，是指“特征值模糊区间－评价值模糊区间－评价确定值”。基坑工程是一个多目标、多层次、多因素的复杂动态大系统，所以基坑开挖的环境效应具有模糊性和不确定性，“当一个系统复杂性增大时，我们使它精确化的能力将减小，在达到一定阈值之上时，复杂性和精确性将相互排斥。”解决基坑开挖环境效应的复杂性与评价等级准确性的矛盾，采用模糊数学方法。

FEA建模评价步骤:

①评价指标集:U＝{u1，u2，u3，…，u10}

②评价等级集:V＝{v1，v2，v3，v4}

③隶属函数:u(x)＝exp[－(x－c)2/(2σ2)]

④评价集:Ri＝{Ri1，Ri2，Ri3，Ri4}

⑤评价权值:A＝(a1，a2，a3，…，a10)

⑥评价结果:B＝A·R＝(b1，b2，b3，b4)

式中:u1，u2，u3，…，u10分别代表评价指标体系中指标层的10个指标，指标标准化量化分级如表3所示；

v1，v2，v3，v4分别代表环境评价等级:优等级(Ⅰ)、良好级(Ⅱ)、中等级(Ⅲ)、差级(Ⅳ)；

a1，a2，…，a10分别代表评价指标的分配权值，依据层次分析法，赋予评价权值:

即A＝(0.06，0.04，0.10，0.12，0.08，0.21，0.21，0. 06，0.06，0.06)

b1，b2，b3，b4是一组隶属度值，按照最大隶属度原则，取隶属度最大者所对应等级作为评价等级。

隶属函数取正态分布函数如图3所示。

图3 正态分布隶属函数

3.3 评价实例

青岛某基坑工程位于城市主干道以西，某支干道以南，海泊河北岸；西侧距离基坑顶边约10 m为5栋已建多层建筑，砖混结构，天然地基，条形基础；现将基坑西侧边作为研究对象，设计开挖深度10 m，西边长150 m，分为A、B两个区，支护结构选用格构梁锚杆挡墙＋SMW组合挡墙围护体系(如图4所示)，侧壁安全等级为一级。

图4 基坑工程设计图(局部)

基坑开挖环境评价A区设计监测指标数据 表4

基坑开挖环境评价B区设计监测指标数据 表5

本基坑环境评价单元的确定:垂直于基坑边线方向的单元长度为30 m，平行于基坑边线方向的单元宽度为设计支护单元宽度。根据设计和监测资料，基坑开始开挖至回填完毕，采集到的评价指标数据和设计参数如表4、表5所示，(其中支护结构顶部水平位移X1～X6，已建多层建筑沉降J1～J15)。

利用MATLAB语言编程计算，A区评价等级为良好(Ⅱ)级，B区评价等级为中等(Ⅲ)级。

4 结 论

深基坑开挖的环境效应，由于其施工条件的复杂性和环境问题的隐蔽性，导致环境效应的多样性.我们从上文分析总结的深基坑开挖中的环境效应，仅建立在现有的理论基础之上，并不全面，但可以从概念上把握基坑施工对环境效应的作用机理，有助于我们施工时提高警惕，认识基坑事故的严重性。基坑开挖的环境评价表征基坑开挖对环境的影响程度，构建评价指标体系并建立简单适用的数学模型，但指标的选择和权重的赋值还需要完善。

[1] 赵民.浅谈深基坑的安全管理[J].工业建筑，2009(6)[2] JGJ120－99.建筑基坑支护技术规程[S].

[3] 缪林昌，刘松玉.环境岩土工程学概论[M].北京:中国建材工业出版社，2005

[4] 周爱国，周建伟，梁合诚等.地质环境评价[M].北京:中国地质大学出版社，2008

[5] 卢粉贵，李飞关.关于地基基础工程中的环境效应问题研究[J].盐城工学院学报，2003(12)

[6] 李相然，郭金桥.城市工程地质环境质量评价理论与方法研究[J].宁夏工程技术，2002(12)

[7] 张明.环境岩土工程的发展现状综述[J].华北工学院学报，2000，21(4)

[8] 杨子胜，白晓红.深基坑工程中的环境问题[J].山西建筑，2004(2)

[9] 吴斌.基础工程建设中存在的环境岩土问题及对策[J].山西建筑，2004(5)

[10] 杨纶标，高英仪.模糊数学原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社，2005

[11] 朱克宏.基坑对地质环境效应的作用[J].中国科技信息，2005，17

The Impact of Environment During Excavation of a Deep Foundation Pit

Zhao Min1，Yu KaiNing2，Wan Li3，Lv BingXu
(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266033，China；2.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang 050031，China；3.China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Excavation of a deep foundation pit bring about environmental pollution and environmental disruption. From the ground water levels fall，supporting structure deformation，supporting structure construction are analyzed from three aspects of geological environmental damagane types，Summarizes the construction process of supporting structure in the environmental pollution.Through engineering examples，constructing evaluation index system，establish the fuzzy evaluation model，and environmental impact assessment results of actual results.

Excavation of deep foundation pit；Impact of environment；Index system；Fuzzy mathematic model

1672－8262(2010)06－151－05

TU473

A

2010—04—27

赵民(1973—)，男，高级工程师，国家注册土木工程(岩土)师，主要从事基坑设计、监测和施工以及地质环境评价的研究工作。

国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2008BAJ06B02－5)