基坑工程环境影响机理

普遍认为（刘建航，1997；王军，2006；王曙光，2013；向华强，2013；雷珂娜，2013），基坑开挖是卸荷的过程，将引起基坑周边土体应力场变化及地面沉降，支护结构在两侧压力差的作用下产生水平向位移因而导致支护结构后面的土体产生位移，卸荷引起的坑底土体产生向上的位移，也会导致支护结构后面的土体产生位移。支护结构（支护桩、地下连续墙、锚杆、土钉等）施工引起的挤土效应或土体损失会导致周边土体发生位移，长时间、大范围降低地下水甚至基坑围护结构渗漏匀易发生基坑外侧土层坍陷、地面沉降，进而引发基坑周边的环境问题。

近年来，随着城市建设和地下空间开发利用的快速推进，基坑工程尤其是深基坑工程的数量不断增加，由基坑工程引起的环境问题越发凸显，具体为：

（1）支护结构侧向位移和地面沉降，由此带来邻近建（构）筑物倾斜、开裂，地下管线破裂，道路沉陷等。

（2）基坑开挖、加固带来的噪声、粉尘、地下水污染。

（3）基坑降水带来的水资源浪费。

（4）基坑施工带来的复杂的社会问题，如交通堵塞、经济纠纷等。其中支护结构侧向位移和地面沉降最受关注，严重时会带来巨大的工程事故。

目前，国内外许多专家学者对基坑开挖引起的基坑周围环境变形规律进行了大量的理论与试验研究，并取得了许多研究成果。PeckR.B（1969）通过总结分析收集的基坑实测数据，得出了坑外地表的沉降曲线及基坑围护再开挖过程中最大变形发生的位置；Goldberg D.T（1976）在PeckR.B结论的基础上考虑了墙体刚度对坑外土体沉降的影响；Clough G.W（1990）分析了墙后地表沉降的规律，并对开挖引起的围护结构变形形式进行了分类；ChangY.Q（1993）指出基坑开挖引起的地表沉降曲线有三角形和凹槽型两种形态；Pio-GoHsieh（1998）在ChangY.Q（1993）研究的基础上进一步给出两种沉降形态的预测方法；吴佩轮（1997）、龚晓南（1998）对连续墙的变形曲线进行了分类；徐中华（2007）根据工程实测数据得到了围护墙最大水平位移随基坑开挖深度在不断变化，即随着开挖深度的增加和支护的架设，墙体最大水平位移逐渐下移。孙钧（1993）利用“时空效应”方法对基坑问题进行分析研究，对土层沉降、变形进行理论预测；李云峰（2005）分析了基坑变形的不同形式，总结了围护结构的设计计算理论，并利用有限元软件分析了邻近超载对支护结构的水平位移、弯矩以及土压力的影响。另外，围护结构和周围土体的变形必然导致邻近基坑建筑物的变形。AttwellP.B（1986）分析总结了基坑开挖对邻近建筑物的影响规律；Boone S.J（1999）研究了地表位移引起建筑物破坏的规律，并得出了建筑物破坏的控制标准和计算方法；Laefer（2001）通过模型试验，分别研究了刚性和柔性悬臂支护结构对基坑周围土体和邻近建筑物位移的不同影响；IameIshihara（1970）定性分析了影响基坑周围土体变形的各种因素，并将其归为基坑尺寸（长度、宽度、深度）、土层的性质、地下水条件、基坑暴露时间、支撑系统、开挖和支撑的顺序、邻近的结构和设施恒荷载、活荷载等八个方面的影响因素；李勇（2005）结合具体的工程实例，就基坑开挖对周边建（构）筑物地基承载力的影响作了深入的研究与分析；付垚（2009）通过运用数值模拟分析研究了基坑开挖过程对周边建筑物的影响，找出了基坑开挖过程对周边建筑物的影响规律及最优的基坑开挖次序；王素霞（2006）通过建立基坑开挖条件下考虑上部结构、基础与岩土体共同作用的数值分析模型，探讨了基坑开挖对邻近建筑物位移和内力的影响规律；张亚奎（2003）应用数值模拟方法，分析了在不同支护情况下，深基坑开挖对近邻建筑物的变形、支护结构变形以及基坑外地层沉降的影响，对其发展变化规律进行了分析总结；刘建飞（2003）从基坑土体开挖、基坑降排水、基坑支护三个方面讨论了基坑环境影响的形成机理及防治措施；付建军（2010）对二元地质环境下狭长型基坑的变形及周边影响作了研究；孙志斌（2006）对深基坑工程带来的环境问题进行了分析，对支护变形、基坑降水引发的地面沉降问题，基坑工程引起的噪声污染、废弃物污染、化学污染、空气污染、水土流失、对正常生活与交通秩序的干扰等进行了深入研究，并提出了相应的防治措施。

基坑开挖将引起基坑周边土体产生位移，并不断向周围扩展。若基坑邻近既有建筑物，则会影响既有建筑地基的反力分布，进而对既有建筑造成影响。由于地基土和建筑物基础刚度差异较大，变形不一致，基础与地基之间的接触会出现“不紧密”或“脱开”的现象；为满足变形协调达到新的平衡，上部既有建筑物及其基础在荷载的作用下将与地基相互作用，共同发生变形。若基础变形过大，会对既有建筑造成很大损害或建筑物外观破坏或影响正常使用功能或结构失去稳定性。从力学角度分析，土体开挖引起建筑物破坏形式主要有两类，剪切破坏和拉裂破坏。剪切破坏会对上部既有建筑物墙体产生附加剪应力，大大降低墙体强度；拉裂破坏会对上部既有建筑物墙体产生附加拉应力，导致墙体拉裂破坏，使垂直裂缝的方向不能继续承受拉力（刘影，2009）。根据既有建筑和开挖基坑之间的距离，基坑开挖对建筑物的影响可分为直接影响和间接影响。根据已有施工经验，距离基坑2～3倍基坑开挖深度范围内的建筑物会直接受开挖影响；当场地地下水位较高，基坑开挖前需大范围降水，可能会对2～3倍基坑开挖深度范围外的地方也产生影响，即间接影响。如果基坑开挖对邻近既有建筑的影响过大，会造成既有建筑产生不均匀沉降、倾斜（或局部倾斜），甚至倒塌。薛丽影（2011）在判断影响范围时，除以建筑物距基坑距离与基坑深度的比值b/H为依据外，还同时考虑基础埋深和沉降分布曲线的形状，判断结果更为符合工程实践。

总体来说，基坑工程所带来的环境问题主要由基坑变形引起，基坑变形主要包括围护墙的变形、坑底隆起、基坑周围土体水平移动和垂向移动（地面沉降），基坑支护和基坑降水是产生基坑变形的两个主要原因（赵志缙，1999；杨天亮，2009）。