城市地下工程建設中工程地質環境問題及對策

楊永軍 翟文輝

（河南省地礦局第二地質礦產調查院， 河南 鄭州 450001）

0 前言

城市化進程的加快使城市建設的用地變得越來越緊張，因此建筑業逐漸開始從地上向地下的空間發展，其目的就是為了更好的發展和利用地下的空間。但是地下空間和地上空間的開發存在差異性，地下空間的內部結構比較復雜，在開發的過程中稍有不慎就會影響整個工程的質量，不僅對地下水環境造成影響，同時還還可能造成建筑物的塌陷問題，對經濟發展建設不力。

1 環境工程地質的研究范圍

為了適用人類工程經濟活動的需要，科學的改造和保護地質環境促進了工程地質的興起。工程地質學的發展主要以地質學理論和方法為基礎，同時需要結合環境科學以及相關的學科。工程地質的主要作用是為了更好的查明區域工程地質條件和自然地質的作用，在此基礎上研究人類工程經濟活動和地質環境之間的關系。概括來講，首先，通過對環境的研究實現對不良環境地質作用人類工程經濟影響的預測，為獲得合理的規劃設計和施工方案奠定數據基礎。其次，通過預測人類工程經濟活動對地質環境的影響，闡明人類活動對自然界引起的地質變化，同時闡述這種變化對人類的生產生活以及人類的健康產生的影響。人類的工程活動可能引發地震或者是地面沉降、邊坡失穩等問題，不科學的砍伐措施可能引起水土流失。總而言之，開展環境工程地質的目的就是為了研究人類工程經濟活動對地質環境的影響，同時很好的防治這種地質環境的影響，為科學的保護地質環境奠定基礎。

2 工程地質環境問題的類別

2.1 地表變形和移動

在工程建設的過程中，地表的變形和移動是比較常見的環境地質問題。造成地表變形和移動的主要原因是施工操作方法的不當以及埋深的問題。為了更好的防止地表的變形和移動，許多施工方式和工藝不斷涌出。

2.2 水文環境的改變

在地下工程施工的過程中對施工所在地區的水位進行處理在一定程度上影響地下工程四周的水位分布。同時會對土壤中的巖土層造成破壞，一旦發生變形的話，勢必影響地下水質，嚴重的話會將引發地質災害，從而影響施工的進度。

2.3 損壞原有的建筑物

在工程在進行開發的過程中會給周圍的建筑物造成不同程度的影響。因此，在進行開發的過程中尤其需要注意這個問題。此外，在施工的過程中，遇到降水會造成地層沉降，沉降也可能造成周圍建筑破壞或者管線發生斷裂。因為地質條件的不同或者排水量的差異性也可能導致地層的不均勻沉降，這些問題的出現可能會導致建筑物的傾倒或者影響建筑物的正常使用。如果降水量過大的話可能出現圍巖滲透變形的問題，而在滲透水流的作用下土層中的吸力可能變化，從而導致水土流失。此外，補償空隙的不斷增大，滲透的速度也不斷的加快，一些大的顆粒也很容易被水流帶走，導致土體內形成水土流失的現象，從而造成土地的坍塌。

2.4 洞室圍巖失去穩定性

在工程施工的過程中勢必會對周圍的巖土造成影響，一旦巖土穩定性受到影響，出現重大的事故的概率將提升。此外，在巖土重力作用的影響下，工程開挖期間也不能保證穩定性。在建設的過程中還經常出現圍巖失去穩定性的問題。地下工程洞室開挖之后，地下形成了自由的空間，而之前處于積壓狀態的圍巖因為解除束縛可能會向其他的空間膨脹變形，當圍巖的應力超過了巖土強度的話就就會失去穩定性，從而被破壞。圍巖的變形和破壞具有一定的連續性，肉眼不易察覺，一旦失去穩定性的話破壞性比較大。

3 工程地質環境問題產生的原因

3.1 地下工程施工

在地下工程施工的過程中勢必會對巖土層造成破壞，巖土層的破壞會造成對力學平衡的干擾，如果地下工程的埋深比較淺的話，對地上的建筑物會造成不同程度的影響，可能出現沉降和變形的問題，如果出現沉降也可能導致地面塌陷，從而損壞地下管道。

3.2 地下工程建設造成地下水污染

地下工程施工的過程中對水資源的污染也是一個需要重視的問題。污水的不斷排放會使地下局部地區的水動力環境受到影響，這也加劇了地下水資源被污染。工程開發的過程中，因為一些因素的影響，很容易使地下水出現徑流的現象，之后導致水位的上升，對工程施工進度造成影響，同時威脅工程的質量。

3.3 地下工程排水

地下工程建設的過程中，因為地下的水位比較高，很容易出現突水問題。地下工程建設中排出的污水很容易影響地下水資源，嚴重的話將改變整個施工區域的水環境。

3.4 地面沉降

因為外界環境的因素引起地表沉降，地下工程開挖主要影響地層，在開挖過程中可能會引起地層應力的改變，這種情況被稱為二次應力場。引起地表沉降的主要原因是開挖面的應力釋放和附加應力造成，主要原因如下所述，首先，工程開挖引起的附加應力。其次，地下工程在施工的過程當中對地層的損壞。最后，地下水滲流引起的地下水位變化。土體的固結沉降如下所述：調查研究顯示，地下工程施工中引起的地表沉陷和時間有一定的關系。施工過程中土體內部含水滲出，導致體積不斷的減少，從而造成了土的固結。土體在固結過程中也造成了土體的壓縮變形和強力的增加。土體的固結是造成地下工程地面沉降的重要原因之一。結合地下工程的實際特點可以總結出土體固結的主要原因。首先，土體中的空隙水壓力發生變化，從而引起土體的固結沉降。其次，地下水位的變化引起的固結沉降。再次，破壞之后造成的沉降。最后，土體的流變造成的沉降。

3.5 斜坡破壞

斜坡破壞主要發生在山區城市，不僅造成嚴重的經濟損失，嚴重的話可能造成人員的傷亡。斜坡破壞的主要原因是地質的作用和工程地質作用共同引發的，其中工程地質作用所造成的斜坡破壞概率比較大。需要注意的是，并不是所有的破壞都能被稱為地質災害，但是斜坡破壞確實是地質災害類型之一。滑坡是其破壞的主要形式之一，造成滑坡的主要因素有地震、降雨和人類的活動等，其中最主要的原因是地下工程活動所引起的，地下工程在開挖的過程當中可能會對地上的土體造成影響，引起巖體的開裂和地面的傾斜，在外界環境的影響下導致山體形成滑坡。在隧道建設的過程中，滑坡的現象也是比較普遍的，危害也比較嚴重。為了更好的提高斜坡沿途的穩定性，降低斜坡破壞的嚴重性，應該科學的認識到斜坡破壞的內在原因和外部條件之間的關系，掌握兩者之間的規律之后再進行科學的預防。特別是現在人類的活動比較繁多，往往會形成密集區，一旦出現斜坡破壞的話，造成的經濟損失和人員傷亡是無法估量的，因此在地下工程施工的過程當中尤其要注意斜坡破壞問題。

4 城市地下工程建設環境工程地質研究應解決的關鍵問題

4.1 城市三維空間的工程地質環境質量評價與分區

地下工程和地上工程存在著嚴格的差異性，在對地下工程建設評價的過程中應該采取嚴格的地下三維空間工程地質環境評價，在施工的過程中應該充分的考慮地貌地形、巖土性狀和水文地質條件等因素。此外，為了保證地下工程的順利進行還應該對地下工此外程地質環境質量進行立體分區。

4.2 城市巖土立體結構特征及區劃

在工程施工中還應該對城市巖土體立體結構進行研究，分析城市各種類型的地域分布，制定科學的規劃措施，更好為城市地下空間的規劃和建設提供意見和實用價值。

4.3 區域穩定性的分析與評價

為了更好的提高城市地下工程的質量，應該做好區域穩定性的分析與評價。只有確定規劃區域內的結構穩定性，才能提出更加合理的技術設計和可行性的方案。在進行工程選址規劃的過程中，應該考慮區域內的地殼穩定性，避免在施工的后期階段出現問題，從而影響施工的進度。

4.4 施工階段的工程地質勘查

在地下工程建設中，不同的階段需要不同的工程地質勘查手段，勘查的主要內容有地質構造、水文地質、地層巖性等，準確和及時的地質能夠為施工的順利進行奠定基礎。

4.5 典型工程地質問題的詳細研究

在地下工程建設的過程中會面臨許多的問題，尤其實地質方面的問題，如地面沉降和圍巖失去穩等就是典型的地質問題，地質問題的出現將嚴重影響工程的規劃和建設，必須對可能遇到的地質問題進行事先的規劃和詳細的研究，這樣才能更好的保證地下工程建設的順利進行，也能將地下工程建設中存在的影響因素降到最低。

5 防治對策研究

5.1 采取全面性的地質勘查

全面性的地質勘查對防治城市地下工程建設中的環境問題和地質問題具有一定的意義。在城市地下工程建設之前，相關的施工單位應該做好一些準備，如對施工現場的周邊環境以及相關的情況進行勘察，同時科學的記錄勘察的資料，保證資料的完整性和真實性，勘查的資料可以作為城市地下工程建設的重要依據。地下工程挖掘的過程中，可以結合四周地質環境采取不同的挖掘策略，盡可能將對土層的破壞降到最低。可以說勘察工作對城市地下工程建設至關重要，保證勘察數據的完整性對降低城市地下工程項目的施工安全意義重大，在降低城市工程對環境造成不利影響的同時也防止了地質問題的出現。

5.2 重視先進施工技術的引進

先進的技術對防治城市地下工程項目建設對環境的影響具有一定的作用。舉例而言，在地下工程項目建設初期階段采用BIM 技術實現對勘察數據的整理，同時還能建立工程建設模型采取科學的手段建立可行性的方案，及時對方案就行修改和完善。

5.3 合理進行降水設計

在地下工程施工的過程中，因為對地下水造成的基坑事故經常發生，因此應該充分的考慮地下水的影響，應該對地下水位和人工降水進行科學的設置。為了保證地下水的可靠性，應該采取科學合理的降水政策，降低降水原因而造成的事故。

5.4 對施工現場的實時監測

地下工程建設勢必會對四周的環境造成嚴重影響，為了保證施工的穩定性，必須對施工現場進行實時監測。通過科學的監測能夠及時的獲得地下工程的降水信息，對施工的過程進行監督管理，一旦發現問題就可以采取科學的措施，為推進工程的穩定進行奠定基礎。在進行地下工程設計過程中，借助計算機輔助軟件和計算機制圖計算工具等，這些輔助手段來預測可能發生的地質環境問題，從而最大程度的降低工程施工對周圍環境的影響。

5.5 城市三維空間地質環境質量評價

工程施工過程中的地質環境評價很關鍵，主要的地質評價有水文要素、地貌情況等，還包括對巖土層的抗震性的測定，科學的地質環境測定能夠為工程建設的順利進行奠定基礎。

5.6 區域地層穩定性的分析

在進行地下工程建設計和規劃之前應該考慮地層的穩定性，其能夠科學的預測在施工的過程當中可能出現的地質環境問題，并且能夠制定相應的防治預案。

5.7 做好現場的監測工作，開展信息化施工技術

工程的建設具有一定的特點，即復雜性，同時土體與圍護結構體相互作用形成一個動態的變化系統，工程施工的過程中，如果僅僅依靠理論分析和經驗是很難把握復雜的施工條件，同時也不可能制定科學的開發方案。在施工的過程中對整個工程進行監測的話能夠得了解工程變化的態勢，對監測的信息數據進行分析，能夠得出地下工程的變化趨勢。在監測的過程當中如果發現險情要出現的話，可以做及時的預警，采取必要的防護措施，為施工的安全和環境的安全奠定基礎。如果發現在施工的過程中存在安全因素的話，應該及時的對施工進行修改設計。

5.8 積極推行地下工程建設系統管理與防御技術

地下工程建設中的防御技術對其順利施工有一定的影響，為了更好的完成地下工程建設必須要進行勘察、設計、施工、監測。在勘察設計階段，為了保證施工的安全性，必須對施工地區的地質條件進行仔細的勘察，查明施工地區的地下管線和周圍建筑物的具體情況，在方案設計的過程當中綜合考慮多方面的因素，要對可能出現的問題進行預見性分析，將施工過程中可能出現的問題進行整理，將相關的建筑和管線的保護納入到施工設計方案中。此外，應該嚴格的按照施工的方案進行，對施工過程中存在的問題及時的反饋，對施工過程也需要進行嚴格的監測，從而施工過程的安全性。此外，在施工的過程當中還應該運用現代的科學技術手段，為工作順利進行奠定基礎。

5.9 推行時空效應的工程技術

經過多年的研究發現，在施工的過程當中應該重視控制基坑的變形問題，用時空效應的工程技術是一條安全經濟的途徑，該技術能夠利用土體自身的基坑開挖過程來控制土體位移的潛力，從而實現保護環境的目的。基坑開挖的過程中應該適當的減少開挖土方的空間尺寸，同時減少暴露的面積。通過時空效應的工程技術來解決軟土深基坑穩定和變形的問題。

5.10 做好開挖工作的優化選擇

工程的開發方式有很多，舉例而言，在基坑工程中，開挖的方式有分層全開挖和中心島式開挖，不同的開挖的開發方式順序是不同的。中心島式開發是從一個方向按照順序向著另外一個方向開挖的方式，該種方式對基底隆起的地面沉降有一定的緩解作用。因此，為了降低沉降發生的可能性，應該結合地區的實際情況和建筑物周圍的情況選擇具體的開挖方案。

6 結束語

經濟的發展和社會的進步促進了城市化進程的加快，這也使一些地下工程被開發和利用，典型的地下工程有地鐵、地下室、地下車庫等，同時地下工程和人們的生活密切相關，已經成為我們生活中不可缺少的組成部分，為城市的發展和建設起著重要的作用。地下工程一般都在市區內進行，對市區內的一些基礎設施和建筑物等都會造成影響，尤其是施工不當的話，還可能引起地層的位移、變形、沉降和塌陷等，從而對城市的基礎設施和道路等造成不同程度的損害。為了更好的提高城市工程建設的效果，避免在建設的過程中出現地質問題和環境問題，需要采取系統和科學的地質環境研究方法，從而提出切實有行的防治措施，降低地下工程施工問題的同時更好保護地下環境。本文主要闡述了城市地下工程建設中的環境地質問題，同時分析了出現問題的原因以及采取科學的防治措施，希望為相關的工作人員提供參考。