市区基坑开挖施工的环境土工问题.docx
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市区基坑开挖施工的环境土工问题
市区基坑开挖施工的环境土工问题
摘要：
本文旨在通过按环境土力学学科的原理与上海市近年来广为流行的“时空效应”方法，对基坑问题作分析探讨，并对土层沉降、变形进行理论预测，以求有根据地制定相应的工程施工控制与防治决择。
这对有效缓解上类工程活动造成的环境土工公害并使之逐步得到妥善解决，将有一定助益。
关键词：
基坑开挖 时空效应 环境公害
1 前言
1.1 泛指的广义环境岩土工程学系指：
（1）对国家广大疆域而言的水土流失及其有关的水土保持与防治；
（2）对土地荒漠化、盐碱化的整治；（3）泥石流、山石崩塌与地裂缝和“天井”，以及自然大滑坡等重大自然灾害引起的环境岩土工学问题；（4）工业核废料地下贮存，由于泄毒引起的地下水污染和其它环境岩土工学问题，等等。
1.2 当前，国外对城市环境土工学方面的研究，主要是：
（1）垃圾堆场及城市垃圾的排放处理；
（2）工业污水排放，地下水和土壤大面积受污染后对土性变化和使用地下水的影响与处理；（3）因大量抽汲城市地下水引起市区大范围、大幅度的地面沉降；（4）本文讨论的问题——因市区各类工程活动引起周近环境土工公害的预测、控制与防治。
1.3 目前，对上述问题工程处理的基本情况：
（1）大多凭工程师过去积累的经验，但因许多重大工程没有以往相近的工程类比条件可以依循——老经验遇到了新问题。
这样，理论预测就显得十分必要和重要。
（2）常因如上述的直觉判断失误而导致邻里纠纷，甚至对簿公堂，要求索赔，产生不好的社会影响和直接与间接的经济损失。
（3）上海浦东新区城建委的做法：
业主、设计、施工单位、监理、外聘专家四方五家相互协调（有如，将相邻基坑开挖和工程桩入土工序交错施工等等）
1.4 几年前，有一事对我们有启发和对研究工作起促进作用：
（实例）
预制桩已到工地，才知附近有重要地下管线设施（煤气管、污水干管、高压线埋管和通讯电缆）。
施工单位求问，能否理论预测，看有否大的环境影响及其定量上的严重程度?
当时，只能依靠工程桩体施工时常用的几手措施，但仍不足以确保不出问题。
在这例中后来就只好把已到工地的数百根预制桩再搬走，改为灌注桩，损失不小，工期也耽误。
现在已经有了较好的理论预测办法和专用程序软件，问题可以基本解决。
1.5 今天的认识
对工程周近土层走动变位，以及地表沉降和失稳分析，单凭计算，定量上还不能完全解决问题；但有关软土地基稳定与变形的一些土力学传统理论和方法，加之现在引用的施工力学，其理论对工程施工实践的导向作用仍然是十分重要和明显的。
理论预测→施工量测与监控→信息反馈、修改设计、施工控制参数和指标，甚至变更施工方案（再结合工程师经验）→经工程实践检验与论证→反馈并完善原先预测。
构成了一个信息化设计施工的封闭圈图。
2.对上述问题作理论预测的几个方面的学术探讨
2.1 粘土蠕变与固结的混合问题
众所周知，土体蠕变是指土体矿物组构骨架随时间增长发展的粘弹塑性变形，是土体相邻颗粒之间的弹塑性压缩、剪切及其复杂的应力与变形组合；土体固结则是指因施工降水或其它外部荷载原因导致土体孔隙水消散，因而其孔隙比减小，土体颗粒间相互靠近、密贴而产生的一种沉降变形，其与时间有关而发展的压缩变形谓之次固结。
如上述，显然，以上两者对同一时刻而言是伴随着共同发生和发展的，属材料粘性时效变形的两个侧面，在土力学中可称之为一种混合问题。
对此，我处现已理论导演得这类混合问题的半解析/半数值解答，并通过了少量室内实验论证。
2.2 粘土蠕变与应力松弛的耦合分析
材料蠕变、应力松弛及其长期强度三者构成了材料流变力学行为的三个方面。
蠕变是指在应力条件不变情况下其变形位移随时间的增长发展；而应力松弛则是指在变形值控制不变的条件下，其应力随时间增长而不断衰减和降低。
显然，在具体工程实际的受力情况下，其任一时刻的土体应力与变形都在不断的调整变化着，而不能分别维持上述的常数值不变；因而，土体蠕变与应力松弛两者应是相互作用着的，即二者是耦合的。
我处先是通过少量的实验验证（这方面，国外也已有相类似的实验研究），进而通过理论演引得了粘性土体蠕变与应力松弛二者作耦合分析的理论结果。
2.3 粘土流变细微观机理及其宏观力学表现
这方面的研究，过去国内外已见刊的成熟资料很少，所以，成果更显得宝贵和不易。
我处借助于高倍光学显微镜和扫描电子显微镜，分别观察了上海黄褐色亚粘土、淤泥质粘土（夹粉砂）和暗绿色粘土三者在其蠕变发展过程中各类粘土颗粒组构的动态变化，并从细微观角度解释了粘土流变的宏观力学特征。
从粘土矿物和粘土结构的试验观察，由其细观组构上阐明了上海地区淤泥质粘性土的结构特征及其形成条件以及提高结构强度的措施，进而论证了粘土蠕变的细微观机理与其破坏机制。
利用GRAPHER软件对细微观淤泥质粘土流变试验数据作拟合，用流变变形速率来定量衡量其宏观流变的力学表现，并得到了粘土流变过程的一系列扫描电镜图谱。
现已为这一研究的进一步深化开了一个好头，深入系统的研究工作尚亟待进行。
2.4 粘土变形时效的滞后特征及其长期强度
土工材料蠕变的一项主要特征，表现在当荷载长期持续作用条件下尽管应力的值始终维持不变，而其蠕变变形则将不断发展、增长。
在一些情况下，其粘弹性变形速率随时间而逐渐减小，使其变形最终将收敛于一个稳定的最大值；而在另一些情况下，由于土体的粘性时效作用，其蠕变变形会不断持续增长发展而进入粘塑性状态。
由于塑性变形的持续发展，将导致土体最终失稳破坏，这种谓之为变形滞后的流变时效特征具体反映为土体长期强度的持续降低，并逐渐趋近于其残余强度的极限小值。
在本项目中，我处较系统地研究了软粘土的几种长期强度破坏准则及其各自的适用场合。
进而具体论证了除了应力水平较低（低于材料流变下限）的特定条件外，一般地，淤泥质软粘土均呈非衰减型蠕变发展，且最终将导致蠕变破坏，其值将较其不排水抗剪强度的值低许多。
因而，笔者认为，不能仍沿用软基破坏的传统强度理论，此时探究饱水软粘土的长期强度有着十分重要的工程实用意义。
2.5 三维流变、非线性流变及其数值解析
基于对上海地区三种典型饱和软粘土进行的系列流变室内实验研究，我处导演了对这类软粘土一种通用的、归一化的三维非线性流变本构关系（σ～ε～t）半理论／半经验表达式。
这种流变本构的非线性属性表现在：
其σ～ε～t关系不是一成不变的，即其粘滞系数、蠕变柔量等均随应力持续作用时间、应力水平和不同应力状态而变化。
这点，对于淤泥质粘土的粘塑性变形更表现得尤其明显，它是一种强烈的非线性流变关系。
过去习惯上沿用线性流变问题来处理，偏差有时是很大的，可达30%以上。
我处采用非线性有限元的系统解析方法求得了上述非线性流变问题的真三维数值解表达式，这在目前国内外尚未有过；同时，还导得了三维受力条件下分别4种不同的屈服准则情况得出了合理选择时间步长Δt和［Hｔ］矩阵的显式表达，进而在超级工作站上调试、编制了工程实用大型软件包（三维非线性流变分析系统TDNRAS），它包括有182个子程序和56种不同的子功能模型；必要时，该通用软件视需要还可以退化为用以求解三维和二维的弹性、粘弹性和粘塑性线性与非线性问题。
我处应用上项程序，曾已在上海市宝钢外港矿石堆场软基处理和两处特大型基坑工程中获得了成功实践。
2.6 土体流变本构模型的粘弹一粘塑性辨识及其参数估计
作为对位移反分析研究的一项进展，对材料本构模型的识别及其相关模型参数的估计方面的工作近年来得到了相应的研究，但仍只局限于弹塑性和粘弹性等简单问题的居多，对于更为复杂困难的粘弹塑性辨识问题，则涉及有关这方面的工作还很少。
本项研究基于传统思维方式在解决模型选择与参数输入上的局限性以及信息时代研究岩土力学在思维方式上的转变，提出了将土工整体视为一种灰色系统，根据实测位移值采用系统辨识的理论和方法来确定土体的粘弹塑性本构模型，并对其相应模型参数作研究。
在研究中讨论了系统辨识的等价系统和相关的准则函数，用以分别对系统的外部和内部进行描述，进而研究了本构模型作为一项系统的可控性、可观测性与可辨识性，分别按离线辨识和在线辨识讨论了这类系统的行为水平，从而制定了该模型系统辨识的基本过程。
当模型的类属确定之后，即能得出该系统数学模型的一般通解；在模型结构参数给定的情况下，就可进行其参数估计，并认定将表现为人为可操纵性的过程，即可预先对其输入、输出数据作出相关处理。
3 软土深、大基坑工程及其环境土工问题
软土深、大基坑工程，在上海和诸大城市均多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注式排桩为坑壁围护结构，其所引起的地表沉降与土层位移，一般由以下6个部分组成：
（1）墙体弹性变位；
（2）基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；（3）墙外土层固结沉降；（4）井点或深井降水带走土砂（也是一种地层损失）；（5）墙段接头处土砂漏失；（6）槽壁开挖，地层向槽内变形。
其中，墙后土层位移和地表沉降主要由前3项构成，是为主的。
已可通过计算逐一研究考虑；而后3项则应从施工技术、经验与管理上加以控制，使之减低到最小的允许限度。
3.1 上海市近年来制定了有关基坑变形控制的环保等级标准，示见表1。
基坑变形控制环境保护等级标准
表1
保护等级
地面最大沉降量及围护结构水平位移控制要求
环境保护要求
特级
1.地面最大沉降量
0.1%H
2.围护墙最大水平位移
0.14%H
3.Ks
2.2
基坑周围10m范围内设有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑及设施、必须确保安全。
一级
1.地面最大沉降量
0.2%H
2.围护墙最大水平位移
0.3%H
3.Ks
2.0
离基坑周围H范围内设有重要干线水管、大型对沉降敏感的构筑物、建筑物。
二级
1.地面最大沉降量
0.5%H
2.围护墙最大水平位移
0.7%H
3.Ks
1.5
离基坑周围H范围内设有较重要支线管道和建筑物、地下设施。
三级
1.地面最大沉降量
1%H
2.围护墙最大水平位移
0.7%H
3.Ks
1.2
离基坑周围30m范围内设有需保护的建筑设施和构筑物，地下管线。
注：
H为基坑挖深，Ks为基底抗隆起安全系数，按圆弧滑动公式算出（c，φ取峰值的70％）。
3.2 关于基坑施工的时空效应问题
3.2.1 基坑施工稳定和变形，除决定于土性外，应按变形控制进行设计施工，它与以下各点密切有关：
（1）基底土方每步开挖的空间尺寸（平面大小和每步挖深）——直接决定每步开挖土体应力释放的大小；
（2）开挖顺序，支撑提前，快撑快挖；
（3）无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间tｒ——关系到土体蠕变变形位移的发展；
（4）围护结构水平位移——坑底以下，围护结构内侧，被动土压力区土体水平向基床系数βKＨ， β——因土体流变而折减的被动土压力系数；
（5）基底抗隆起的稳定性——抗隆起安全系数Kｓ。
3.2.2 为此，按上述各点，考虑基坑施工“时空效应”是谋求最大限度地调动、利用和发挥土体自身控制地层变形位移的潜力，以求保护工程周近环境的重要举措，可概括列写为：
（1）开挖——支撑原则：
分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时；
（2）对分段、分部捣筑的现浇钢筋砼框架支撑，要注意开挖时尚未形成整体封闭框架体系前的局部平衡；
（3）理论导向，量测定量，经验判断。
用现场积累的第一手实测资料来修正、完善、甚至建立新的设计施工理论与方法；
（4）摈弃以大量人工加固基坑来控制其变形的传统作法。
3.2.3 围护结构内、外主动与被动土压力的取值
（1）βKＨ的值，可按基坑开挖实测得的变形值，经反演分析，得出计入开挖时空效应的一项等效平均值。
围护结构外侧主动土压力的取值，示见表2。
土体主动侧压力系数取值表
（上海市） 表2
基抗保护等级
土性
侧压力系数K
特级
软粘土
硬粘土
0.75~0.55
0.55~0.40
一级
软粘土
硬粘土
0.70~0.50
0.45~0.35
二级
软粘土
硬粘土
0.60~0.45
0.40~0.30
三级
软粘土
硬粘土
0.60~0.40
0.40~0.20
（2）最主要的施工参数，选定为（图1，表3）：
图1 大型高层建筑深基础盆式开挖的主要施工参数
地铁车站基坑施工参数值
（上海市地铁1号线） 表3
保护等级
每次支撑排数
开挖面位置（m）
开挖空间（宽X深X长）（m）
无支撑暴露时间限制（h）
特一
1
2
-1.50
3x1.5x20
6x1.5x20
6
16
1
2
-5.50
3x4x20
6x4x20
10
24
2
2
-9.20
6x3.7x20
24
28
2
2
-12.50
6x3.2x20
24
28
垫层
-15.00
6x2.5x20
12x2.5x20
32
72
．分层开挖的层数（每支撑一排为一层）N：
．每层开挖的深度h（基本上即为上下排支撑的竖向间距）；
．每层分步的步长l（每2个支撑的宽度为一开挖步）；
．基坑挡墙内的被动区土体，在每层土方开挖后，挡墙未有支撑前的最大暴露时间tｒ；
．新开挖土体暴露面的宽度B和高度h；
对大面积、不规则形状的高层建筑深基坑，采用分层盆式开挖，则还有：
．先开挖基坑中部，挡墙内侧被动区土堤被保留、用于支承挡墙，其土堤的断面尺寸，等等。
3.3 对长条形（地铁地下车站基坑）深大基坑的施工技术要求，如图2示意：
图2 基坑分段、分层、分步开挖—支撑施工示意
其中的要点是：
（1）先撑后挖，留土堤；
（2）对支撑施加设计轴力（30%～70%）的预应力；（3）每步开挖及支撑的时限 tｒ
24小时；（4）坑内井点降水以固结土体、改善土性，减小土的流变发展。
3.4 变形监控工作内容
（1）施工工况实施情况跟踪观察；
（2）日夜不中断的现场监测与险情、危象的及时预测和预报；（3）定量反馈分析，信息化设计施工；（4）及时修改、调整施工工艺参数；（5）及时提出、检验、改进设计施工技术措施。
3.5 控制基坑变形的设计依据及其设计流程框图，如图3示意：
图3 软土基坑工程控制变形的设地程序框图
（1）基坑围护结构特性参数；
（2）地基土（含加固土）特性参数；（3）施工工艺参数。
3.6 在上海地区，考虑“时空效应”，深、大基坑设计施工技术的最近发展，主要表现在——能以有效控制地层土体位移，确保工程周近环境安全，且节约了大量地基加固费用。
（1）发展的阶段历程：
．1987年—1990年，
（1）上海娄山关路紧邻一批多层住宅楼的排水干管深沟槽工程；
（2）延安东路过江隧道浦西出入口段暗埋矩形隧道施工——严格采用了“分段、分层、分步、限时开挖、支撑”工艺，取得成功；
．1991年—1993年，上海地铁1号线地下车站基坑施工，执行了刘建航总工提出的以考虑时空效应为主要特征的施工技术要点21条，成效显著；
．1994年—1998年，上海地铁2号线全部10余座地下车站设计施工，以及紧邻已运营地铁1号线区间隧道的10余处高层建筑基坑施工中，全面采用了考虑时空效应的设计施工新工艺，将基坑变形有效控制在1‰H～2‰H（H为基坑挖深）的水平；在完善控制基坑变形的设计理论和方法，有根据地制定设计、计算标准，合理选取设计、施工参数，以及优化施工方案等方面，均已提高到一个新的高度。
（2）工程实践已证明：
在邻靠地铁已运营隧道和沿民居、旧宅（浅基础）及地下管网密集等需要保护对象众多的特殊困难地段，已修建的10余处深、大基坑工程，其理论预测的土层变形、位移量值均达到了70%—90％的准确度。
对基坑工程的计算研究在全国范围内已进行得比较多，此处只限于就考虑土体非线性流变，采用施工力学所作的三维数值分析作扼要写述。
图4 网络与节点编号（因对称，只列示坑体半边）
图5 基坑开挖施工过程的3-D支撑~土方开挖工况模拟
3.7 基坑土方开挖施工考虑土体非线性流变的3-D有限元分析
上图未考虑先撑后挖，即：
在设置第2道支撑后，开挖第2～3道支撑间的分区土方；设置第4道支撑后，开挖第4～5道支撑间的分区土方。
图6 基坑跨中剖面坑壁连续墙体水平位移与壁后地表沉降
（均随时间增长的变形发展曲线）
图7 地下连续墙后背的地表三维沉降盆示意
4 研究工作进一步深化的前景
（1） 当前，谋求建立一套完整的、能以确保地下工程施工稳定与安全而又行之有效的施工控制理论和方法，进而基于网络多媒体视频可视化技术研制的施工全过程三维人工实景模拟系统，使之既富学术理论内涵，又能为工程实践采用，看来是国内外岩土与地下工程界在该子学科领域探讨的热点之一。
在现有传统的控制系统中，控制的任务要求已知系统具有精确的数学模型和本构关系，且其输出量为定值的调节系统，或则要求其输出量需跟随期望的运动轨迹，也即所谓的跟踪系统。
这样的控制任务其要求是比较单一的，它难以满足上述工程施工问题土体地质环境控制这一需要具有机器学习、自动诊断和遇紧急情况作自动处理等功能。
这样，我们认为，采用合适的智能控制方法，是现代自动控制论和人工智能科学发展中两者结合的必然，是一种基于知识集成的研究手段，它特别适用于情况错综复杂的地下工程施工系统。
除复杂的任务要求外，还具有研究非确定性事物和高度非线性系统控制的特点，相信有可能较好地解决问题。
在智能控制研究的数学工具方面，以采用模糊人工神经网络技术应属首选。
它是通过许多简单的关系来实现如上述的复杂性、非线性、非确定性的动力学系统，而拼弃了传统上必须依赖的模型。
众所周知，地下工程施工在决策过程中存在许多难以建立传统数学、力学模型的过程，即所谓的“灰色过程”可以利用神经网络技术通过学习各该过程的输入与输出信息来建立一种“机制”，以此为契机将可较好地进行上类不确定性推理与分析，进而预测各该系统或类似系统将来的发展状况，为下步工程决策提供预测和预报的依据。
此外，在构造人工智能符号推理与数值计算的结合以及模糊集合等方面，作相关联的研讨亦是一项当务之急。
在基于施工监控多媒体可视化技术的三维人工实景模拟系统研制方面，建议对工程施工的预测与控制采用三维图形、图像技术和网络视频监控与虚拟实景模拟系统来具体实现。
这将彻底改变过去二维的、不连续的、静态的数据分析现状，旨在通过计算机图形、图象和可视化技术，在屏幕上动态、质感、连续、逼真地以三维可视的方式提供施工全过程中每一工况的数据分析及其监测系统。
在施工开挖之前，先模拟开挖、支撑每一工况、每一步序的变形位移，随之在开挖过程中再作不断调整和修正，并信息反馈设计、施工诸参数，由可视化分析作预报下步施工中将出现的状态及其可能产生变形危象的位置和影响范围、严重程度等等，确定是否需要在下一施工阶段对部分参数值作出必要的调整，及其调整后的新的定量值大小。
以期在建立相应的地质数据库和图形库以及工程诸特征参量的基础上，通过采用多媒体监控的三维实景模拟系统，最大限度地在高一阶层次上体现信息化施工的目的。
这也正是当前国外在土建、岩土施工领域致力探讨与研制、开发的计算机工程技术管理的前沿热点。
以上工作正在我学科组内结合承担工程科研任务积极进行。
（2） 本文所述的研究成果其应用趋向是：
1）上海市3＃和11＃线明珠二期地铁工程后一期间的施工建设（基坑用于地铁车站，盾构用于区间隧道）；
2）高层大楼深基础施工；
3）其它多种土工、市政工程地下设施施工，例如，今后上海市外环线越江隧道工程的浦东、浦西引道段深路堑开挖，等等；
4）从软件功能言，只需稍作补充、更将可推广采用于有关地面工程项目，有如：
①对当前商品房建设中较普遍存在的地基过量/不均匀沉降造致房屋裂缝；②高速/高等级公路软基路段大面积沉降等土工公害的预测、预报、控制与防治，等等。
因而，研制并开发的有关数据采集与视频监控成套设备系列以及工程施工计算机技术管理系统，有望为今后各项工程建设获得巨大效益。
（3） 一般测量方法尚存在精度低、易受地面障碍物的影响，并难以实现短时间内多点同时测量的弊病。
近年来，上海市测绘院自国外引进的大地定位系统（GPS）是利用地球卫星作工具的一种新的测量方法，可望实际应用到地铁隧道沿线轴线定位测量和大型基坑测量等方面。
根据从卫星传来的电讯讯号，确定相隔较远的两点在三维空间的相对位置。
GPS系统具有可将其应用在大面积地面下沉、滑坡监测、地壳运动和地震引起的地层变形等量测工作领域。
这样，理论预测与观测结果将可根据需要随时进行对比和修正，从而实现了对地铁沿线地层环境问题进行同步预测与监控的目的。
随着上海城市建设的发展和城市规模的扩大，对现有的Ⅱ等三角网进行优化是十分必要的。
利用上述GPS技术进行优化，改造原Ⅱ等三角网，具有高精度、高速度、全天候、高效益等特点。
上海市测绘院自1993年引进该设备，攻克了GPS坐标系统与上海城市坐标系统之间的转换关系以及生产实际中的许多难点，完成了对原网的优化改造任务，并且通过了上海市建委组织的专家鉴定。
我们认为，可以作为国内特大城市利用GPS布设的范例。
目前，上海市测绘院已利用GPS技术和新成果对奉浦大桥、徐浦大桥、拟建的地铁线以及超大型体育场等进行控制测量。
所以，利用GPS技术已对上海市首级平面控制网进行优化成功，上述设想和构思将是现实可行的。
参考文献
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