基坑工程的環(huán)境效應(yīng)及對(duì)策分析

吳玉光,李 悅 ,孔范龍,稀 敏 ,楊儒石

(青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山東青島266071)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),越來(lái)越多的高層、超高層建筑拔地而起。日益加大的開(kāi)挖深度和復(fù)雜的施工條件以及眾多的工程事故使得人們不得不重視基坑問(wèn)題。近年來(lái),基坑工程呈現(xiàn)出開(kāi)挖越來(lái)越深、工程地質(zhì)條件和周圍環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì),同時(shí)由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬臨時(shí)性工程,人們不愿注入過(guò)多資金,更使得事故經(jīng)常發(fā)生,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響也比較嚴(yán)重。基坑工程對(duì)環(huán)境效應(yīng)的作用成為工程界比較熱門的話題。

2 基坑工程的環(huán)境效應(yīng)

2.1 地下水位下降引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)

基坑開(kāi)挖對(duì)地下水的處理有兩條途徑,包括基坑降水和基坑止水。為保證施工作業(yè)面的需要,對(duì)基坑直接進(jìn)行坑內(nèi)降水或坑外降水,或設(shè)置止水帷幕,隔斷坑外地下水,形成水頭差,錨桿施工可能發(fā)生漏水漏砂,均可發(fā)生水位下降。降低地下水引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)形式為：地面沉降、基坑坍塌、基土開(kāi)裂。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和位移引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)

支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為水平和豎向變形,當(dāng)基坑開(kāi)挖較淺時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為水平變位,隨著開(kāi)挖深度的增加,土壓力增大,支護(hù)結(jié)構(gòu)變位逐漸回復(fù),地表變形范圍增大,最大變位量也增大,基坑深度再加深時(shí),基坑應(yīng)力釋放量增大,往往會(huì)造成地下支護(hù)墻體向上變位,支護(hù)樁體的入土深度減少。支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和位移引起的環(huán)境效應(yīng)表現(xiàn)形式為：基坑失穩(wěn)、基坑隆起和鄰近建筑設(shè)施破壞。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)

支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的過(guò)程,一方面是對(duì)基坑采取安全防護(hù)的過(guò)程,另一方面是對(duì)基坑側(cè)壁和地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行破壞的過(guò)程。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為：擠土效應(yīng)、振動(dòng)效應(yīng)、環(huán)境化學(xué)效應(yīng)。

3 基坑工程環(huán)境效應(yīng)的作用機(jī)理

基坑開(kāi)挖引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng),主要是基坑開(kāi)挖改變了地下水的滲流途徑,破壞了土體的原始平衡狀態(tài),產(chǎn)生一系列新的變化。基坑開(kāi)挖水、土壓力變異與地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系分析如圖1所示。

圖1 基坑開(kāi)挖水、土壓力變異與地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系

基坑變形的影響因素很多,基坑深度、形狀、地下水位的高低、土質(zhì)特性、土壓力、支擋結(jié)構(gòu)形式與布置形式、支撐布置與預(yù)加應(yīng)力情況、基坑地基加固情況、開(kāi)挖工況及地面附加荷載的大小都將對(duì)變形起著或多或少的作用。由于基坑變形影響因素的多樣性,導(dǎo)致了基坑變形機(jī)理的復(fù)雜性。

3.1 地下水位下降引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的作用機(jī)理

3.1.1 地面沉降

水位降低,軟弱土層壓縮沉降;水位下降,孔隙水從土中排出,土體發(fā)生固結(jié)變形而壓縮沉降;降水帶出細(xì)小土顆粒,土骨架顆粒重新排列,引起地面沉降。

3.1.2 基坑坍塌

基坑開(kāi)挖時(shí),基坑內(nèi)外地下水位存在一定的水頭差,在動(dòng)水壓力作用下,基坑土發(fā)生流失、潛蝕等滲透破壞現(xiàn)象,導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)松動(dòng)和破壞,引起基坑坍塌。

3.1.3 基土開(kāi)裂

當(dāng)基坑內(nèi)外水頭差較大,或基坑下部有承壓水存在,開(kāi)挖基坑使原有土壓力減少到一定程度時(shí),承壓水的水頭壓力大于基坑底土體浮重力,形成管涌、流砂等基坑突涌現(xiàn)象,導(dǎo)致地基土開(kāi)裂。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和位移引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的作用機(jī)理

3.2.1 基坑失穩(wěn)

傳統(tǒng)粉彩人物是現(xiàn)代粉彩人物的根，現(xiàn)代粉彩人物瓷畫正是建立在傳統(tǒng)粉彩人物瓷畫的基礎(chǔ)之上，逐漸形成。而傳統(tǒng)粉彩人物瓷畫源流有兩大類，其一是民國(guó)時(shí)期的新粉彩人物，其二則是清代的古典粉彩人物。

支護(hù)結(jié)構(gòu)自身破壞,導(dǎo)致基坑失穩(wěn),表現(xiàn)為大面積的滑坡;支撐物受破壞或錨桿體系抗拔力不足,拉桿自身斷裂或拉桿及錨座的連接不牢等引起支護(hù)結(jié)構(gòu)體系承載力喪失;支護(hù)結(jié)構(gòu)位移過(guò)大;地基土強(qiáng)度不夠,樁側(cè)土的滑動(dòng)力作用形成整體滑動(dòng);基底水平面兩側(cè)荷載不均,坑底產(chǎn)生過(guò)量隆起。

3.2.2 基坑隆起

基坑開(kāi)挖卸載改變坑底原始應(yīng)力狀態(tài),土體中自重壓力減少,土體的彈性效應(yīng)使基坑底面產(chǎn)生一定的彈性隆起,隨著開(kāi)挖深度的增大,坑內(nèi)外高差所形成的加載和地面各種超載的作用,使圍護(hù)墻體外側(cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng),坑底產(chǎn)生向上的塑性變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體破壞,導(dǎo)致基坑隆起。

3.2.3 鄰近建筑設(shè)施破壞

基坑開(kāi)挖卸載,基底隆起,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形,基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū),引起地面沉降;基底暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),或基坑積水,使粘性土吸水體積增大,抗剪強(qiáng)度降低,回彈變形增大,由于粘性土的流變性,將增大被動(dòng)壓力區(qū)的土體位移和坑外土體向坑內(nèi)的位移,引起支護(hù)結(jié)構(gòu)位移,從而增加地表沉降;支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度不足,引起基坑隆起,使地基土強(qiáng)度降低或喪失,支護(hù)結(jié)構(gòu)位移,地面沉降開(kāi)裂;基坑流砂和管涌在基坑外側(cè)形成空洞,地面沉陷坍塌。地面沉降、開(kāi)裂和坍塌導(dǎo)致基坑周邊建筑物、管線和道路等設(shè)施的變形、位移或破壞。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的作用機(jī)理

3.3.1 擠土效應(yīng)

當(dāng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或止水帷幕采用擠密型樁時(shí),可能會(huì)引起樁周土發(fā)生一定的豎向和水平位移,導(dǎo)致支護(hù)樁的上浮、傾斜、變位,誘發(fā)周邊管線、建筑設(shè)施等位移,地面開(kāi)裂。

在鄰近基坑側(cè)壁,由于車輛或機(jī)械施工振動(dòng)等引起機(jī)械振動(dòng)次數(shù)頻繁,對(duì)周圍一些較脆弱的建筑物,往往會(huì)引起疲勞破壞;砂土由于振動(dòng)液化而引起土體抗剪強(qiáng)度降低,地面沉降。

3.3.3 環(huán)境化學(xué)效應(yīng)

基坑施工過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物,如廢棄泥漿、混凝土渣等。它們會(huì)侵占耕地、污染水源、影響土壤性質(zhì),造成周圍環(huán)境的惡化;為防止管涌、流砂、基坑隆起或圍護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)大變形等問(wèn)題,往往需要在坑底或圍護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)灌漿以形成加固區(qū),而這些化學(xué)灌漿多具有不同程度的毒性,特別是有機(jī)高分子化合物,如環(huán)氧樹(shù)脂、乙二胺、苯酚等,這些注漿進(jìn)入土體后,通過(guò)溶濾、離子交換、分解沉淀、聚合等反應(yīng),從而不同程度地污染地下水,導(dǎo)致環(huán)境惡化。

4 基坑工程中環(huán)境效應(yīng)的對(duì)策分析

(1)調(diào)查基坑周圍重要建筑物、構(gòu)造物和地下管線的分布情況,掌握它們對(duì)環(huán)境的要求,沉降的允許范圍等。對(duì)工程資料作系統(tǒng)分析,提出采用回灌等措施保證基坑開(kāi)挖的施工條件和安全,同時(shí)又滿足周圍環(huán)境要求的降水最優(yōu)化問(wèn)題。并采取必要的措施,控制建筑物沉降,特別是不均勻沉降的產(chǎn)生。

(2)為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約水資源,要盡量采用保護(hù)和利用地下水的支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程樁的施工工藝和施工方法。在實(shí)施降水工程的過(guò)程中進(jìn)行降水監(jiān)測(cè)和降水維護(hù),對(duì)降水井和觀測(cè)井的水位、水量、水質(zhì)進(jìn)行同步觀測(cè),并符合有關(guān)的規(guī)定和要求。

(3)在基坑邊抽取地下水,同時(shí)在離基坑稍遠(yuǎn)處回灌抽取的地下水,在保持基坑內(nèi)地下水位較低的情況下,保持基坑外較高的地下水位。盡快制定保護(hù)監(jiān)測(cè)孔的制度或法規(guī),加強(qiáng)工程環(huán)境影響監(jiān)測(cè),按有關(guān)規(guī)定建立時(shí)空監(jiān)測(cè)系統(tǒng),優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)。及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整降水方案,直至在一定時(shí)期結(jié)束降水。在降水工程結(jié)束后,尚需對(duì)周圍建筑物持續(xù)做一段時(shí)間沉降觀測(cè),至確認(rèn)不會(huì)因基坑降水而產(chǎn)生的滯后地面沉降影響環(huán)境安全為止。

5 結(jié)語(yǔ)

基坑施工對(duì)周圍環(huán)境影響的大小與許多因素有關(guān),它與深基坑工程自身、勘察、設(shè)計(jì)、施工、工程監(jiān)測(cè)及工程管理、自然條件等因素都有密切關(guān)系。由于基坑變形影響因素的多樣性,導(dǎo)致了基坑變形機(jī)理的復(fù)雜性。基坑開(kāi)挖前,應(yīng)充分考慮各種因素對(duì)基坑開(kāi)挖變形的影響程度,并應(yīng)分析基坑變形值的大小及基坑監(jiān)測(cè)措施的布置。基坑工程正確、科學(xué)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),配合切實(shí)有效的信息化施工管理,對(duì)確保基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境安全、加快工程建設(shè)進(jìn)度至關(guān)重要。

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