高层建筑基坑施工中环境效应(保护)及防治措施探讨

吴建春

摘 要:高层建筑基坑工程施工对周围环境的影响很大,需要采取合理措施对其进行保护。现就某高层建筑深基坑工程施工中出现的地面沉降、坑边坍塌、基坑突涌以及围护结构变形等施工引起的环境问题进行讨论,并提出环境保护的防治对策和措施。

关键词:基坑开挖;环境效应;环境保护

随着城市建设的现代化,建筑物不断朝着高层空间和地下空间方向发展。地下空间被广泛应用,桩基和基坑的设计和施工成为基本建设中日益突出的问题。本文结合某高层建筑基坑围护和沉桩工程所引起的环境效应,从工程地质条件、周边环境条件、施工条件、围护设计、事故原因、处理方法和处理效果等方面进行分析,以引起工程技术人员对环境效应的重视。

1 基坑开挖引起的环境效应

1.1 地下水方面

降低地下水位,引起地面沉降。地下水位较高地区,基坑开挖时,土的含水层切断,地下水就会不断地渗人基坑内。为了保证正常的施工,就需要降低地下水位,地下水位降低后,在抽水影响半径范围内土壤会产生新的固结,从而引起地面沉降。地下水渗透破坏,引起坑边土坍塌。 在开挖基坑时,基坑内外地下水位存在一定的水压差,在动水压力作用下,基坑会发生流土、潜蚀现象,导致岩土结构松动和破坏,从而引起坑边土坍塌。基坑突涌,导致基土开裂。软土地区基坑经常有承压水的存在,当开挖基坑达到一定深度时,承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板,造成突涌现象,导致基土开裂。

1.2 围护结构变形方面

基坑开挖时为了防止边坡失稳一般进行围护,但由于复杂的地质条件及经验不足或不够重视,表现在围护结构方面主要有围护体破坏和发生较大变形。围护结构自身破坏,导致边坡失稳。由于支撑物受弯破坏或锚杆体系抗拔力不足,拉杆自身断裂或拉杆及锚座的连接不牢所致。尤其在锚杆体系中最易发生。围护结构整体破坏,基坑隆起。由于围护结构嵌入深度不足所致,这种类型的破坏都会引起基坑隆起,并使地基土强度降低或失效。多发生在内撑及锚锭式围护结构中,且坑底土为软土至中等强度的粘性土(不排水剪Cu=12-50KPa)。围护结构发生较大变形和位移,引起邻近建筑设施的破坏。由于挡土结构某一部分过大变形造成其它部分和邻近建筑设施的过大变形或结构性破坏。

2 防治对策

合理选用排水、降水方案。 基坑开挖时排降地下水方法很多,如明沟排水、井点降水、大口径井群降水、其它排降水等。这些方法各有各的技术经济优势,但也有一定的适用条件,就是同一种方法,也存在着布设密度、深度、排量等因素的影响。因此,必须进行方案比选,选择合理而可靠的方法,配以一定的辅助措施,才能预防地下水带来的不良影响。

基坑开挖的围护结构宜结合防渗、截渗要求综合考虑。基坑开挖时为了改善岩土的性质及渗透水流的水动力条件,就需对坑壁进行围护,且考虑应如何做好防渗、截渗措施。围护结构很多,主要分加固型及支挡型,它们有各自的适用条件,要根据工程地质及水文地质条件、结合工程性质、规模等进行方案比选。选择既可挡土,又能防渗的围护结构以节约工程造价。基坑开挖降水及围护结构要精心设计、精心施工和严密监测,这是保证工程顺利施工的两个基本条件。应做好基坑周围地表水的隔离和疏排及堆土对围护结构造成水平超载等问题。

3 基坑工程中的环境保护措施

对于基坑周围环境的保护,人们积累了许多的保护经验,如选用刚度大的围护结构、进行基坑内外的地基加固以提高土体的抗变形能力、对基坑近旁的建筑物和构筑物进行地基加固或地基处理、在基坑与建筑物间设置隔断桩或隔断墙以及注浆保护、通过少量注浆影响变形传播的途径等措施;尽管保护方法千差万别,但其作用的机理不外乎是减少基坑开挖的影响、提高围护环境的抗变形能力、切断影响途径等3种。

3.1 精心设计基坑开挖和支护方案

时空效应法是为解决深基坑整体稳定和坑周地层位移控制问题、参考新奥法隧道施工中的时空效应理论和大量软土基坑实践而提出的一种计算和控制基坑结构变形及周围地层位移的方法。通过大量的软土基坑实践,人们已经意识到:在基坑施工过程中, 每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变形具有明显的相关性。考虑时空效应的施工步骤的主要特点是:根据基坑规模、几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置、基坑地基加固和施工条件,按照“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则确定施工方案。时空效应法强调设计与施工密切配合,一改以往设计与施工不符的现状,实践证明, 科学地制定考虑时空效应的开挖和支撑的施工设计方案,能可靠、合理地利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力,达到控制坑周地层位移以及保护环境的目的。从工程实用性和可靠性出发,在基坑支护结构(挡墙、支撑及挡墙被动区加固土体)的内力及变形计算中,采用弹性计算法所用的较简单的力学模型和设计参数项目,但对其中反映基坑变形总体效应的最主要的综合参数——基坑挡墙被动区的水平抗力系数,按一定的地质和施工条件,做出经验性的修正。此综合参数是土的力学性指标和每一步基坑挖土的空间尺寸及暴露时间的函数,其数值是根据在一定施工条件下基坑开挖中所测出的基坑变形数据,经反分析而得出的控制标准及设计外荷等依据的同时,合理地选定施工程序及施工参数,以完善设计依据并提供实施设计的保证,从而有效地解决流变性地层中深大基坑的控制变形设计不符合实际的问题。

根据基坑工程设计所选定的主要施工参数,按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件,提出详细的可操作的开挖和支撑的施工程序及施工参数。开挖和支撑的施工工序基本是按“分层、分步、对称、平衡”的原则而制定的,最主要的施工参数是分层开挖的层数。每层开挖深度以及基坑挡墙被动区土体在基坑中间部分地层先开挖的工程中保留成支撑挡墙的土堤,此土堤断面尺寸按其能抵住挡墙的要求而定,亦为主要设计参数;严格按选定的施工程序和施工参数施工,就使复杂多变的施工因素变为较明确而有规律性的施工因素,其引发的时空效应也能较好地符合设计预期的要求。在长方形基坑中,基坑开挖和支撑的施工技术要点是,按一定长度分段开挖和浇筑结构,在每段开挖中再分层。每层分小段开挖和支撑,随挖随撑,施加预应力,每小段的开挖和支撑的施工时间限制在一定限值之内。在不规则的基坑施工中,采用分层盆式开挖法,在每一层开挖中间部分并安装或浇注此范围的支撑,而后将各根支撑两端支承挡墙的土堤,分步、对称拆除并即时安装或浇注其间顶住挡墙的部分支撑。每个分步的开挖和支撑施工时间,根据支撑方式等具体情况,给定明确的控制值。

3.2 基坑降水

为减少井点降水对周围建(构)筑物造成的影响和危害,通常采取下列措施:采用全封闭形的挡土墙或其它的密封措施,如地下连续墙、锁口钢板桩、灌注桩、旋喷桩、水泥土搅拌桩等,将井点设置在坑内,井管深度不超过挡土墙的深度,仅将坑内水位降低,而坑外的水位将维持在原来的水位;根据工程实际情况,适当地调整井点管的埋置深度;一般情况下,井点管的埋设深度应该使基坑内的降水曲面在坑底下0.5～1.0m;如在没有密封形挡土墙的情况下,基坑降水不仅使坑内水位下降,也使坑外水位下降。如果在降水影响区范围内有建(构)筑物、管线等需要保护时,可在确保基坑不发生流砂和地下水不从坑壁渗入的条件下,适当地提高井点管设计标高; 井点降水区域随着降水时间的延长,向外、向下扩张,若在两排井点的当中,基坑很快形成降水曲面,坑外降水曲面扩张较慢。因此,当井点设置较深时,随着降水时间的延长,可以适当地控制抽水量和抽吸设备真空度。当水位观察井的水位达到设计控制值时,调整设备使抽水量和抽吸真空度降低,达到控制坑外降水曲面的目的; 采用井点降水与回灌相结合的技术,在井点降水管井与需要保护的建筑、管线间设置回灌井点、回灌砂井或回灌砂沟,持续不断地用清洁水冲洗,(以免土体发生孔隙堵塞,降低土地渗透性能而影响回灌效果)回灌,形成一道水幕,以减少沉降;井点应连续运转,尽量避免间隙和反复抽水,因为每次降水都会产生沉降,增加反复抽水地次数,使总的沉降量积累到相当可观的程度;为减少坑内井点降水,减少降水曲面向外扩张,防止邻近建筑物基础下地基土因水位下降、水土流失而产生的沉降,在井点降水前,在需要控制沉降的建筑物基础周边,布置注浆孔,控制注浆压力。

3.3 控制基坑变形的措施

在基坑工程设计时,应考虑有关的影响因素:设计时,应根据环境要求选择基坑位移的控制等级;基坑的最大的水平位移值,与基坑开挖深度、地质条件及支护结构类型等有关,在基坑支护结构体系的设计满足要求时,支护结构水平位移最大值与基坑底土层的隆起抗力系数存在一定的统计关系;围护体系的平面形状与变形有一定的关系,从受力分析可知,圆形、弧形、拱形比直线形要好;工程实践经验表明,在最不利的转角位置、墙后地面和墙面容易出现裂缝,因此,围护桩体系的平面形状不一定非得与底板形状一致。

基坑施工时,应考虑相关影响因素:基坑围护体系规律 ,其变形可以分为两个阶段,一是开挖到设计标高时的变形,二是到底板结束时的位移。而第二阶段的变形与基坑暴露时间有关,暴露时间越长,风险性越大;基坑工程的受力特点是大面积卸载,坑周围和坑底应力场从原始条件逐渐降低。基坑暴露后,及时铺设混凝土垫层对保护坑底土体不受施工扰动、土体应力松弛具有重要作用;基坑周边超载,增加墙后土体压力及滑动力矩,降低围护体系的安全度;由于大量卸荷,坑周围应力场变化,地面或多或少会产生许多裂纹,降雨或施工用水进入土体会降低土体的强度,并增加土压力。

结束语

高层建筑深基坑开挖引起的环境效应是一个复杂的动态系统,土的特性决定了基坑降水、开挖施工过程中坑内、外土体必定发生变形,但是其变形大小和规律受多种不确定因素影响,因此采用“时空效应法”并根据施工过程中的监测信息反馈不断修正设计和调整施工方法是比较值得推广的一种方法。而仅靠理论分析和经验估计是难以保证工程安全施工的,如何对深基坑开挖引起的环境效应作出一个定量的分析,有待设计及施工人员不断地探索。

参考文献

[1]龚晓南.深基坑设计与施工手册(第1版)[M]. 中国 建筑 工业 出版社.

[2]基坑支护规范[S].中国建筑工业出版社,1999.