王国林,于富来,柳 策,刘智超,苏 涛,管萌威,王振洋,薛习孜,包岩峰

(1.中铁上海工程局集团市政环保工程有限公司，上海 201906；2.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870；3.沈阳地铁集团有限公司，沈阳 110000)

近年来，随着我国城市化水平不断提高，汽车逐渐普及化，导致出行问题成为制约城市发展的热点问题。由于城市有限的地面空间无法满足人们对出行的需求，因此地下轨道的建设迫在眉睫。在如今的城市竞争当中，北、上、广、深等大都市圈轨道交通的建设打开了新一轮的城市竞争的新格局[1]。在轨道交通发展过程中，地铁车站基坑的建设成为了轨道交通发展过程中关注的重点。基坑的建设呈现大、紧、深、近等特点，这就在基坑的建设技术与安全方面，提出了更高的要求。基坑开挖是地铁车站施工过程中的重要环节，在土体开挖卸载过程中会对基坑本身及周边环境产生一定的影响。由于地铁车站往往位于繁华地带，其施工主要难点在于对周边环境影响控制，一旦稍有不当就会产生严重的影响，因此研究基坑开挖施工对周边环境影响情况具有十分重要的意义。

1 开挖施工对周边环境的影响研究

基坑开挖过程中由于存在时间及空间效应的影响，导致该施工过程中会对周边环境产生一定的波动，而目前对于基坑开挖环境影响研究主要是对不同地质土层情况下基坑开挖全过程对周边环境影响情况的规律总结。开挖施工引起的周边环境变形风险主要有周边地表沉降、邻近建筑物的不均匀沉降、相邻地铁隧道及地下管线的位移变形等方面[2]。基坑施工过程中的风险变形方面研究主要以数值模拟和实时监测方法为主，在隧道管线变形研究中部分通过离心模型试验与数值模拟相结合的方法。

1.1 地表沉降变形的影响研究

基坑开挖会使基坑周围土体产生不均匀的沉降变形。从沉降大小及范围上看，导致基坑沉降因素主要有基坑围护结构刚度大小、地下水位情况、地下土层性质、地基处理方法等。从沉降曲线的形状上看，基坑周边地表沉降主要分为三角形沉降和凹槽型沉降。查阅相关资料可知，近年来北京、南京、天津等地数十起基坑事故都由于地层变形过大导致地面及周边建筑物发生严重破坏，由此可见，地表沉降过大不仅影响基坑施工顺利进行，还对周边建筑物的安全性造成一定影响。

1.1.1 基坑开挖对地表沉降影响研究现状

对于基坑周边地表沉降变形，众多学者从基坑地下土层性质方面展开了一系列的研究。贾曾潘等[3]利用数值模拟与模型试验相结合方法、喻伟等[4]利用数值模拟方法，分别对砂土、富水软弱地质条件下基坑开挖引起周围地表沉降规律进行了研究。其中贾曾潘等[3]研究表明，基坑长边方向0～0.5He(He为开挖深度，m)周围地表沉降值较大，且地表沉降的最大值随着地连墙水平位移的增加呈现出先快后慢的变化趋势。喻伟等[4]研究表明，地表沉降最大值位于地连墙10～20 m范围内，沉降影响区域为60 m，最大值达到40.8 mm，且淤泥层中施工对地表沉降影响最大。

王锦涛等[5]就广佛环线东环智慧城站深基坑开挖过程中引起的地表沉降及地连墙后土体的变形规律进行了研究。结果表明，在开挖进程中，基坑周边土体沉降变形曲线呈现出“抛物线形”形状，且地表最大沉降量为3.2 mm。

Wang等[6]利用数值模拟与现场监测相结合方法，对附加荷载存在情况下，基坑开挖引起周边地表沉降的情况进行了研究。结果表明，该情况下基坑沉降曲线呈“勺形”形状，沉降值与基坑距离关系呈现为先增加后减少的趋势，得到的最大沉降位置与基坑距离大约为基坑最大开挖深度的一半，且附加荷载存在加快了地表沉降的速度。Liang等[7]利用数值模拟方法，对基坑开挖过程中采取回灌注水及止水帷幕等措施下地表沉降情况进行了研究。结果表明，基坑周边土体沉降随着回灌压力与止水帷幕深度增加而逐渐减小。

1.1.2 地表沉降变形研究存在的问题

1)地表沉降的研究重点就是确定沉降的分布方式、范围及最大值，大部分学者利用数值模拟、现场监测等手段对基坑周边地表沉降问题进行一系列研究，但基坑地质条件复杂且土层的物理性状不同，计算基坑地表沉降时，大都是做出了一定的假设和简化，得出的沉降值往往和实际值有一定差距，因此计算准确度有待提高。

2)基坑开挖前降水过程中对地表沉降变形产生了一定的影响，目前关于该过程中沉降方面的理论公式不够成熟，多数学者采用的是分层总和法，但该方法仅仅考虑了土体的竖向变形，忽略了其侧向变形，计算误差较大，因此对理论方面的研究有待进一步加强。

1.2 周边建筑物不均匀沉降影响研究

随着市政工程、高层建筑物、地铁等快速发展，导致深基坑的数量也越来越多。由于基坑大多数位于繁华区域，周边环境敏感复杂，开挖过程中容易使周边高层建筑物产生裂缝、倾斜以及邻近地下建筑物发生沉降等危害，甚至引发重大工程事故，造成严重社会影响，因此研究基坑开挖对周边建筑物的影响情况十分必要。

1.2.1 基坑开挖对周边建筑物的影响研究现状

王琳等[8]基于硬化土的本构模型，利用有限元分析软件对基坑施工引起邻近房屋变形和受力情况进行了研究。结果表明，基坑开挖过程中引起周围建筑屋最大沉降为13.7 mm，朝基坑方向的最大水平位移为9.4 mm，引起墙体应力变化约为10～50 kPa，基坑开挖对墙体受力影响较小，但对建筑物沉降及侧移变形有一定影响。

张珂峰等[9]利用现场监测数据，对“两墙合一”地下连续墙基坑开挖引起的周边建筑物的变形情况进行了分析，得到了基坑开挖过程中建筑物沉降变化趋势：稳定、增大、缓慢回弹、加速增大、稳定。

施有志等[10]对土体小应变刚度行为及基坑、地基、基础、上部结构共同作用下基坑开挖引起周边建筑物变形情况进行了计算。结果表明，邻近地上建筑物最大水平位移6.6 mm，且从顶部向下逐渐变小，建筑物发生了一定的倾斜；地下建筑物主要发生沉降变形，影响区域为3He(He为开挖深度，m)，在1.5He范围内，地下建筑沉降变形明显，最大沉降为15.9 mm。

郑翔等[11]对软土地质条件下基坑施工引起邻近建筑变形情况进行了研究，结果表明，地连墙及结构向上施工引起邻近建筑物沉降变形分别占基坑施工全过程的7.82%、33.19%，倾斜程度分别占基坑施工全过程的16.47%、20.17%，说明基坑开挖对周边建筑物影响具有明显的空间和时间效应。

An等[12]研究了基坑支护及施工方案与基坑周边建筑物变形之间的关系，通过不断调整基坑建设方案，最终选用了钢筋混凝土挡土桩和四层钢支撑，作为基坑开挖加固方案，将基坑开挖对周边建筑物的影响降到了最小。

1.2.2 基坑周边建筑物不均匀沉降研究存在的问题

1)对周边建筑物不均匀沉降的研究，主要利用数值模拟方法，而大部分学者在建模时，对于建筑物只是将其等效简化为竖向荷载考虑，得到的结果与实际有一定出入，因此在进行研究时应对周边建筑物进行实体建模，得到更为接近的结果。

2)建筑物的建造时间对建筑物稳定性和安全性有一定的影响，而关于基坑开挖时考虑建筑物建成时间效应影响下的变形研究相对较少，有待于进一步研究。

1.3 基坑开挖对邻近地铁隧道及地下管线影响研究

由于地下轨道交通的快速发展，城市核心区域的地下隧道与管线分布错综复杂，尤其是正在运营中的空间狭窄而人口密集的地铁车站，这也导致基坑开挖过程中面临风险源越来越多。基坑开挖过程中，一旦出现事故，后果往往极其严重。如何确保基坑工程在安全、快速施工前提下，最大程度降低基坑开挖对邻近隧道、地下管线的影响成为亟需研究的问题。

1.3.1 基坑开挖对邻近地铁隧道的影响研究现状

王利军等[13]对超大超深基坑开挖过程中邻近隧道的变形规律进行了研究。结果表明，基坑周围存在邻近隧道时地表的最大沉降值要比没有隧道时大10%，隧道的变形以水平位移为主，变形呈倒八字形状，对称分布，且隧道的最大侧移随着隧道的埋深的增大呈现出先增大后减小的趋势。

尚国文、丁智、许四法等[14-16]利用现场监测手段，研究了基坑开挖施工过程中引起邻近地铁隧道的整体变形情况，对开挖施工过程中邻近隧道的危险节点及重点影响区域进行了分析总结，得到了基坑开挖各工况下邻近地铁隧道的整体变形规律。左自波、章润红等[17,18]借助于数值计算软件，分别对基坑开挖施工过程对基坑下方双线隧道、邻近隧道的影响情况进行了研究，并对开挖过程中邻近隧道的变形情况进行了预测，指导了施工的安全进行，对保护邻近地铁车站及隧道结构具有一定的意义。

许多学者对四方形基坑开挖下邻近隧道的变形进行了大量的研究，而关于圆形基坑开挖下邻近隧道变形影响研究相对较少。Sun等[19]对圆形基坑开挖引起邻近隧道变形规律进行了分析，发现在开挖面积相同情况下，圆形基坑下方地铁隧道的变形、最大洞径变化比方形的分别大18%、22%，但圆形基坑开挖引起的最大隧道弯曲应变比方形基坑开挖引起的最大隧道弯曲应变小32%，结果表明圆形基坑开挖引起的应力释放影响范围比方形基坑开挖引起的应力释放影响范围更大，说明基坑形状对邻近地铁隧道变形影响不大。

1.3.2 基坑开挖对邻近地下管线的影响研究现状

徐宏增等[20]对基坑开挖过程中邻近大直径污水管线沿长度方向的位移情况进行了研究。结果表明，基坑开挖导致管线位移存在时空效应，相邻两条管线的水平位移差大于竖向位移差，当基坑开挖到底部时各个方向的位移达到最大值。

贺雷等[21]通过数值模拟和离心模型试验方法，对基坑开挖过程中邻近电缆隧道的变形情况进行了研究，同时就离心模型试验对开挖过程中电缆隧道的影响情况进行了定性分析，并对电缆隧道周围的安全区进行了划分。

施有志等[22]以管线的材质、管线截面、管线与基坑的距离为考虑因素，利用数值模拟方法对基坑开挖过程中邻近管线的变形情况进行了参数分析，对于管线沉降情况，管线埋深影响要大于管线与基坑水平距离影响；对于管线轴力的变化情况，其随基坑与管线距离的减小而增大，且管线刚度与横截面越大，轴力越大，但轴力变化具有不规律性。

Li[23]等以基坑与顶管间距、基坑开挖深度、顶管埋深为考虑因素，对既有顶管隧道的应力变形规律进行了研究。表明顶管的应力及变形分别随着基坑与顶管间距的增大、基坑开挖深度的减小、顶管埋深的减小逐渐减小，位于基坑中间及端墙附近管线的变形及应力变化较大。当顶管埋深约为3/4He时，且管线与基坑的水平距离小于10 m时，既有顶管隧道受到基坑开挖的影响较大。

1.3.3 邻近地铁隧道及地下管线变形研究存在的问题

1)对于基坑开挖过程中地铁隧道的变形研究大多数是单纯对基坑开挖过程中隧道结构的变形情况进行了研究，关于地铁隧道与地铁车站整体结合的变形研究相对较少。

2)现有的基坑开挖对邻近隧道影响的相关理论不够成熟，关于基坑侧应力与隧道变形关系理论研究较少，并且在地铁隧道的变形控制方面缺乏相对完善、可靠的理论指导体系。

3)地下管线网络错综复杂，管线材质种类较多，如铜、混凝土、钢筋混凝土、铸铁等，以管线材质及腐蚀程度为因素对管线位移变形规律进行的研究相对较少，且现有研究往往把管线考虑为整体来分析，忽略了管线接头处的变形情况。

2 结论与展望

近年来，地铁车站基坑开挖对周围环境影响研究在理论分析、现场监测、数值模拟等领域取得了突破性进展。为了研究地铁车站开挖施工对周边环境风险影响，通过查阅文献资料，利用归纳总结方法对基坑开挖引起周围环境影响情况进行了综述，主要从基坑周边地表、周围建筑物、邻近地铁隧道、地下管线4个方面对基坑开挖引起的变形情况进行了分析，明确了现有研究存在的问题，并对未来的主要研究方向进行了展望。

a.深基坑开挖施工是一个不断发生土体卸载的过程，导致在施工过程中基坑周边土体发生内力重分布，对基坑周边地表、建筑物、邻近隧道、地下管线等均会产生不同程度的风险影响，提前对风险源进行统计及保护有利于确保施工顺利进行。

b.基于复杂土层情况下的地表沉降理论计算公式及基坑开挖过程中地表沉降的分布方式、范围及最大值计算精度及沉降预测方面的工作有待进一步开展。

c.基于时间效应影响下的周边建筑物的不均匀沉降情况有待进一步研究，同时利用数值模拟方法研究周边建筑物不均匀沉降时，建议将建筑物以实体建模方式进行计算，该方法比将建筑物等效成竖向荷载方法计算得到的结果更为准确。

d.基于邻近隧道与车站相结合下的整体变形情况及基坑侧压力与隧道变形理论方面内容有待进一步研究，且隧道变形控制方面的理论体系有待完善。

e.基于地下管线材质对基坑开挖过程中管线变形规律影响以及开挖过程中地下管线接头处变形情况的研究有待深入进行。