基坑工程的環境效應及對策分析

吳玉光,李 悅 ,孔范龍,稀 敏 ,楊儒石

(青島大學化學化工與環境學院,山東青島266071)

1 引言

隨著城市化進程的不斷推進,越來越多的高層、超高層建筑拔地而起。日益加大的開挖深度和復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題。近年來,基坑工程呈現出開挖越來越深、工程地質條件和周圍環境越來越復雜的趨勢,同時由于基坑圍護結構屬臨時性工程,人們不愿注入過多資金,更使得事故經常發生,對環境產生的負面影響也比較嚴重。基坑工程對環境效應的作用成為工程界比較熱門的話題。

2 基坑工程的環境效應

2.1 地下水位下降引起的地質環境效應

基坑開挖對地下水的處理有兩條途徑,包括基坑降水和基坑止水。為保證施工作業面的需要,對基坑直接進行坑內降水或坑外降水,或設置止水帷幕,隔斷坑外地下水,形成水頭差,錨桿施工可能發生漏水漏砂,均可發生水位下降。降低地下水引起的環境效應表現形式為：地面沉降、基坑坍塌、基土開裂。

2.2 支護結構變形和位移引起的地質環境效應

支護結構的變形主要表現為水平和豎向變形,當基坑開挖較淺時,支護結構主要為水平變位,隨著開挖深度的增加,土壓力增大,支護結構變位逐漸回復,地表變形范圍增大,最大變位量也增大,基坑深度再加深時,基坑應力釋放量增大,往往會造成地下支護墻體向上變位,支護樁體的入土深度減少。支護結構發生變形和位移引起的環境效應表現形式為：基坑失穩、基坑隆起和鄰近建筑設施破壞。

2.3 支護結構施工引起的地質環境效應

支護結構施工的過程,一方面是對基坑采取安全防護的過程,另一方面是對基坑側壁和地質環境進行破壞的過程。支護結構施工引起的環境效應主要表現為：擠土效應、振動效應、環境化學效應。

3 基坑工程環境效應的作用機理

基坑開挖引起的地質環境效應,主要是基坑開挖改變了地下水的滲流途徑,破壞了土體的原始平衡狀態,產生一系列新的變化。基坑開挖水、土壓力變異與地質環境效應的關系分析如圖1所示。

圖1 基坑開挖水、土壓力變異與地質環境效應的關系

基坑變形的影響因素很多,基坑深度、形狀、地下水位的高低、土質特性、土壓力、支擋結構形式與布置形式、支撐布置與預加應力情況、基坑地基加固情況、開挖工況及地面附加荷載的大小都將對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,導致了基坑變形機理的復雜性。

3.1 地下水位下降引起的地質環境效應的作用機理

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,土體發生固結變形而壓縮沉降;降水帶出細小土顆粒,土骨架顆粒重新排列,引起地面沉降。

3.1.2 基坑坍塌

基坑開挖時,基坑內外地下水位存在一定的水頭差,在動水壓力作用下,基坑土發生流失、潛蝕等滲透破壞現象,導致巖土體結構松動和破壞,引起基坑坍塌。

3.1.3 基土開裂

當基坑內外水頭差較大,或基坑下部有承壓水存在,開挖基坑使原有土壓力減少到一定程度時,承壓水的水頭壓力大于基坑底土體浮重力,形成管涌、流砂等基坑突涌現象,導致地基土開裂。

3.2 支護結構變形和位移引起的地質環境效應的作用機理

3.2.1 基坑失穩

傳統粉彩人物是現代粉彩人物的根，現代粉彩人物瓷畫正是建立在傳統粉彩人物瓷畫的基礎之上，逐漸形成。而傳統粉彩人物瓷畫源流有兩大類，其一是民國時期的新粉彩人物，其二則是清代的古典粉彩人物。

支護結構自身破壞,導致基坑失穩,表現為大面積的滑坡;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結構體系承載力喪失;支護結構位移過大;地基土強度不夠,樁側土的滑動力作用形成整體滑動;基底水平面兩側荷載不均,坑底產生過量隆起。

3.2.2 基坑隆起

基坑開挖卸載改變坑底原始應力狀態,土體中自重壓力減少,土體的彈性效應使基坑底面產生一定的彈性隆起,隨著開挖深度的增大,坑內外高差所形成的加載和地面各種超載的作用,使圍護墻體外側土體向坑內移動,坑底產生向上的塑性變形,支護結構整體破壞,導致基坑隆起。

3.2.3 鄰近建筑設施破壞

基坑開挖卸載,基底隆起,支護結構變形,基坑周圍產生較大的塑性區,引起地面沉降;基底暴露時間過長,或基坑積水,使粘性土吸水體積增大,抗剪強度降低,回彈變形增大,由于粘性土的流變性,將增大被動壓力區的土體位移和坑外土體向坑內的位移,引起支護結構位移,從而增加地表沉降;支護結構嵌入深度不足,引起基坑隆起,使地基土強度降低或喪失,支護結構位移,地面沉降開裂;基坑流砂和管涌在基坑外側形成空洞,地面沉陷坍塌。地面沉降、開裂和坍塌導致基坑周邊建筑物、管線和道路等設施的變形、位移或破壞。

3.3 支護結構施工引起的地質環境效應的作用機理

3.3.1 擠土效應

當基坑圍護結構或止水帷幕采用擠密型樁時,可能會引起樁周土發生一定的豎向和水平位移,導致支護樁的上浮、傾斜、變位,誘發周邊管線、建筑設施等位移,地面開裂。

在鄰近基坑側壁,由于車輛或機械施工振動等引起機械振動次數頻繁,對周圍一些較脆弱的建筑物,往往會引起疲勞破壞;砂土由于振動液化而引起土體抗剪強度降低,地面沉降。

3.3.3 環境化學效應

基坑施工過程中,會產生大量廢棄物,如廢棄泥漿、混凝土渣等。它們會侵占耕地、污染水源、影響土壤性質,造成周圍環境的惡化;為防止管涌、流砂、基坑隆起或圍護結構過大變形等問題,往往需要在坑底或圍護結構后側灌漿以形成加固區,而這些化學灌漿多具有不同程度的毒性,特別是有機高分子化合物,如環氧樹脂、乙二胺、苯酚等,這些注漿進入土體后,通過溶濾、離子交換、分解沉淀、聚合等反應,從而不同程度地污染地下水,導致環境惡化。

4 基坑工程中環境效應的對策分析

(1)調查基坑周圍重要建筑物、構造物和地下管線的分布情況,掌握它們對環境的要求,沉降的允許范圍等。對工程資料作系統分析,提出采用回灌等措施保證基坑開挖的施工條件和安全,同時又滿足周圍環境要求的降水最優化問題。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生。

(2)為了保護環境、節約水資源,要盡量采用保護和利用地下水的支護結構和工程樁的施工工藝和施工方法。在實施降水工程的過程中進行降水監測和降水維護,對降水井和觀測井的水位、水量、水質進行同步觀測,并符合有關的規定和要求。

(3)在基坑邊抽取地下水,同時在離基坑稍遠處回灌抽取的地下水,在保持基坑內地下水位較低的情況下,保持基坑外較高的地下水位。盡快制定保護監測孔的制度或法規,加強工程環境影響監測,按有關規定建立時空監測系統,優化監測網。及時根據監測數據調整降水方案,直至在一定時期結束降水。在降水工程結束后,尚需對周圍建筑物持續做一段時間沉降觀測,至確認不會因基坑降水而產生的滯后地面沉降影響環境安全為止。

5 結語

基坑施工對周圍環境影響的大小與許多因素有關,它與深基坑工程自身、勘察、設計、施工、工程監測及工程管理、自然條件等因素都有密切關系。由于基坑變形影響因素的多樣性,導致了基坑變形機理的復雜性。基坑開挖前,應充分考慮各種因素對基坑開挖變形的影響程度,并應分析基坑變形值的大小及基坑監測措施的布置。基坑工程正確、科學的監測設計,配合切實有效的信息化施工管理,對確保基坑支護結構和環境安全、加快工程建設進度至關重要。

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