基坑工程的环境效应及对策分析

吴玉光,李 悦 ,孔范龙,稀 敏 ,杨儒石

(青岛大学化学化工与环境学院,山东青岛266071)

1 引言

随着城市化进程的不断推进,越来越多的高层、超高层建筑拔地而起。日益加大的开挖深度和复杂的施工条件以及众多的工程事故使得人们不得不重视基坑问题。近年来,基坑工程呈现出开挖越来越深、工程地质条件和周围环境越来越复杂的趋势,同时由于基坑围护结构属临时性工程,人们不愿注入过多资金,更使得事故经常发生,对环境产生的负面影响也比较严重。基坑工程对环境效应的作用成为工程界比较热门的话题。

2 基坑工程的环境效应

2.1 地下水位下降引起的地质环境效应

基坑开挖对地下水的处理有两条途径,包括基坑降水和基坑止水。为保证施工作业面的需要,对基坑直接进行坑内降水或坑外降水,或设置止水帷幕,隔断坑外地下水,形成水头差,锚杆施工可能发生漏水漏砂,均可发生水位下降。降低地下水引起的环境效应表现形式为：地面沉降、基坑坍塌、基土开裂。

2.2 支护结构变形和位移引起的地质环境效应

支护结构的变形主要表现为水平和竖向变形,当基坑开挖较浅时,支护结构主要为水平变位,随着开挖深度的增加,土压力增大,支护结构变位逐渐回复,地表变形范围增大,最大变位量也增大,基坑深度再加深时,基坑应力释放量增大,往往会造成地下支护墙体向上变位,支护桩体的入土深度减少。支护结构发生变形和位移引起的环境效应表现形式为：基坑失稳、基坑隆起和邻近建筑设施破坏。

2.3 支护结构施工引起的地质环境效应

支护结构施工的过程,一方面是对基坑采取安全防护的过程,另一方面是对基坑侧壁和地质环境进行破坏的过程。支护结构施工引起的环境效应主要表现为：挤土效应、振动效应、环境化学效应。

3 基坑工程环境效应的作用机理

基坑开挖引起的地质环境效应,主要是基坑开挖改变了地下水的渗流途径,破坏了土体的原始平衡状态,产生一系列新的变化。基坑开挖水、土压力变异与地质环境效应的关系分析如图1所示。

图1 基坑开挖水、土压力变异与地质环境效应的关系

基坑变形的影响因素很多,基坑深度、形状、地下水位的高低、土质特性、土压力、支挡结构形式与布置形式、支撑布置与预加应力情况、基坑地基加固情况、开挖工况及地面附加荷载的大小都将对变形起着或多或少的作用。由于基坑变形影响因素的多样性,导致了基坑变形机理的复杂性。

3.1 地下水位下降引起的地质环境效应的作用机理

3.1.1 地面沉降

水位降低,软弱土层压缩沉降;水位下降,孔隙水从土中排出,土体发生固结变形而压缩沉降;降水带出细小土颗粒,土骨架颗粒重新排列,引起地面沉降。

3.1.2 基坑坍塌

基坑开挖时,基坑内外地下水位存在一定的水头差,在动水压力作用下,基坑土发生流失、潜蚀等渗透破坏现象,导致岩土体结构松动和破坏,引起基坑坍塌。

3.1.3 基土开裂

当基坑内外水头差较大,或基坑下部有承压水存在,开挖基坑使原有土压力减少到一定程度时,承压水的水头压力大于基坑底土体浮重力,形成管涌、流砂等基坑突涌现象,导致地基土开裂。

3.2 支护结构变形和位移引起的地质环境效应的作用机理

3.2.1 基坑失稳

传统粉彩人物是现代粉彩人物的根，现代粉彩人物瓷画正是建立在传统粉彩人物瓷画的基础之上，逐渐形成。而传统粉彩人物瓷画源流有两大类，其一是民国时期的新粉彩人物，其二则是清代的古典粉彩人物。

支护结构自身破坏,导致基坑失稳,表现为大面积的滑坡;支撑物受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等引起支护结构体系承载力丧失;支护结构位移过大;地基土强度不够,桩侧土的滑动力作用形成整体滑动;基底水平面两侧荷载不均,坑底产生过量隆起。

3.2.2 基坑隆起

基坑开挖卸载改变坑底原始应力状态,土体中自重压力减少,土体的弹性效应使基坑底面产生一定的弹性隆起,随着开挖深度的增大,坑内外高差所形成的加载和地面各种超载的作用,使围护墙体外侧土体向坑内移动,坑底产生向上的塑性变形,支护结构整体破坏,导致基坑隆起。

3.2.3 邻近建筑设施破坏

基坑开挖卸载,基底隆起,支护结构变形,基坑周围产生较大的塑性区,引起地面沉降;基底暴露时间过长,或基坑积水,使粘性土吸水体积增大,抗剪强度降低,回弹变形增大,由于粘性土的流变性,将增大被动压力区的土体位移和坑外土体向坑内的位移,引起支护结构位移,从而增加地表沉降;支护结构嵌入深度不足,引起基坑隆起,使地基土强度降低或丧失,支护结构位移,地面沉降开裂;基坑流砂和管涌在基坑外侧形成空洞,地面沉陷坍塌。地面沉降、开裂和坍塌导致基坑周边建筑物、管线和道路等设施的变形、位移或破坏。

3.3 支护结构施工引起的地质环境效应的作用机理

3.3.1 挤土效应

当基坑围护结构或止水帷幕采用挤密型桩时,可能会引起桩周土发生一定的竖向和水平位移,导致支护桩的上浮、倾斜、变位,诱发周边管线、建筑设施等位移,地面开裂。

在邻近基坑侧壁,由于车辆或机械施工振动等引起机械振动次数频繁,对周围一些较脆弱的建筑物,往往会引起疲劳破坏;砂土由于振动液化而引起土体抗剪强度降低,地面沉降。

3.3.3 环境化学效应

基坑施工过程中,会产生大量废弃物,如废弃泥浆、混凝土渣等。它们会侵占耕地、污染水源、影响土壤性质,造成周围环境的恶化;为防止管涌、流砂、基坑隆起或围护结构过大变形等问题,往往需要在坑底或围护结构后侧灌浆以形成加固区,而这些化学灌浆多具有不同程度的毒性,特别是有机高分子化合物,如环氧树脂、乙二胺、苯酚等,这些注浆进入土体后,通过溶滤、离子交换、分解沉淀、聚合等反应,从而不同程度地污染地下水,导致环境恶化。

4 基坑工程中环境效应的对策分析

(1)调查基坑周围重要建筑物、构造物和地下管线的分布情况,掌握它们对环境的要求,沉降的允许范围等。对工程资料作系统分析,提出采用回灌等措施保证基坑开挖的施工条件和安全,同时又满足周围环境要求的降水最优化问题。并采取必要的措施,控制建筑物沉降,特别是不均匀沉降的产生。

(2)为了保护环境、节约水资源,要尽量采用保护和利用地下水的支护结构和工程桩的施工工艺和施工方法。在实施降水工程的过程中进行降水监测和降水维护,对降水井和观测井的水位、水量、水质进行同步观测,并符合有关的规定和要求。

(3)在基坑边抽取地下水,同时在离基坑稍远处回灌抽取的地下水,在保持基坑内地下水位较低的情况下,保持基坑外较高的地下水位。尽快制定保护监测孔的制度或法规,加强工程环境影响监测,按有关规定建立时空监测系统,优化监测网。及时根据监测数据调整降水方案,直至在一定时期结束降水。在降水工程结束后,尚需对周围建筑物持续做一段时间沉降观测,至确认不会因基坑降水而产生的滞后地面沉降影响环境安全为止。

5 结语

基坑施工对周围环境影响的大小与许多因素有关,它与深基坑工程自身、勘察、设计、施工、工程监测及工程管理、自然条件等因素都有密切关系。由于基坑变形影响因素的多样性,导致了基坑变形机理的复杂性。基坑开挖前,应充分考虑各种因素对基坑开挖变形的影响程度,并应分析基坑变形值的大小及基坑监测措施的布置。基坑工程正确、科学的监测设计,配合切实有效的信息化施工管理,对确保基坑支护结构和环境安全、加快工程建设进度至关重要。

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