1、前言
城市地下建设工程的环境地质效应随着城市地下空间的建设开发,必然会引起社会的广泛关注,同时也会影响城市的开发建设,因此,研究地下工程的环境地质效应及其防治技术,有助于进一步开发地下空间资源,大力推进现代化的城市建设。
2、环境地质效应的表现形式分析
地下工程主要有隧道工程、沉井工程、基坑工程等,施工工法主要有盾构法、沉井法、顶管法、沉管法、地下连续墙法、矿山法、新奥法等,地下工程在施工中或施工后都会对地质环境产生影响。
2.1 基坑开挖引起的变形与失稳
地下工程建设中,高层建筑的地下室、地下商场和车库、地下蓄水库、地下电站和水泵房等,常常要进行深大基坑开挖,开挖深度常常达到12~18m或以上。在开挖基坑过程中,改变了原土体的应力场,必然会导致周围地层的移动,引起周围支挡结构的变形破坏、基坑周围地表沉降、基坑夫稳和基底隆起等问题。
2.2 地下水环境变异
地下工程建设不可避免的会对地下水环境造成一定的影响,一般来说,地铁、水底交通隧道等大跨度的地下工程对地下水环境的影响形式有两个方面,一是隧道施工期间产生的影响,一是隧道建成后潜在的影响。
地下工程施工中,为保证开挖面的稳定,往往需要人工降水,如在地下水较浅的地区进行深基坑开挖,用盾构法在饱和土体中进行隧道施工,都需要进行大面积的人工降水,将导致地下水漏斗式下沉,使地下水的动力场和化学场发生变化,引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量的变化,可能导致地下水的污染逐步加剧。
2.3 洞室围岩失稳
地下工程洞室开挖后,地下形成了自由空间,原来处于积压状态的围岩,由于解除束缚,而向洞室空间松胀变形。当围岩应力超过了岩土体强度时,便失稳破坏,有的显著而突然,有的变形和破坏不易划分。洞室围岩的变形与破坏,是发展的连续过程。
2.4 地质生态环境恶化
地下施工往往要挖出大量的岩石和土体堆积于隧道顶部或门口附近,有的可高达6m、7m,不仅对周围环境有影响,而且若弃土超荷,还可能引起隧道下沉。基坑开挖使大量地面裸露,在开挖或运输过程中,如不及时围护和车辆密闭运输,容易造成城市的扬尘污染。
3、环境地质效应的机理分析
3.1 基坑开挖对地下水状态的改变
基坑开挖过程中,为保证土方开挖及基础施工处于适宜的工作条件下进行,大多数都要采用人工降低地下水,这样就会引起基坑内外产生地下水渗透,地下水状态也随之改变。
3.2 地下水渗透对土压力的影响
基坑开挖过程中,为了保证基底干燥,便于施工,要采用―些降水措施。基坑降水会引起地下水渗透,地下水状态随之改变。
3.3 基坑开挖中水、土压力变异与地质环境效应关系
基坑开挖时,在解除竖向自重应力的同时,水平向自重应力亦相应有所解除。坑底以上的土体,因受到具有较大水平压力的外侧土体的挤压,便产生水平压缩,于是板桩内移,并伴随出现坑外地面沉降;另一方面,人工降低地下水位,会增大坑外土体内的竖向和水平向自重应力,造成更大的坑外地面沉降和板桩内移。
3.4 基坑开挖的实际应力状态对土压力的影响
由于基坑开挖,在基坑的外侧,如果不考虑地下水位的变化,铅垂方向的自重应力保持不变,水平方向的地基内应力减少。随着挖掘深度的增加,坑壁的水平位移也不断增加,当水平方向的内应力达到最小值的时候,土体达到主动土压力状态。在基坑底部以下的地基,如果不考虑地下水位的变化,铅垂方向自重应力减少,开挖面以下的支扩结构挤压基底下部地基,使下部地基水平受压。
4、环境地质效应的系统防治分析
4.1 开展有效的工程地质勘察
通过详细的勘察为设计施工提供相关的参数和指标,确定合理的开挖方案、步骤。如果勘察工作所提供的数据不详细,势必给支护工作留下隐患。
4.2 优化开挖方案
地下工程的开挖方法很多,大型地下工程施工不可能全断面一次成洞,实际上是根据出渣运输洞不同、施工机械类别和岩石特性等条件,选择开挖施工方法。这样就决定了大型地下洞室是分层分块开挖,逐步形成洞室设计体系的特点。在开挖的时间上,存在分期开挖,每一个分期对应一种施工短期洞型和不同的开挖顺序。也就是说,施工期间围岩的应力分布、破损区范围、洞周位移状况都在不断的变化中。
4.3 科学的降水设计方案
要降低地下水位,就要合理的选择降水方法,并在此基础上进行人工降水的方案设计。人工降水方法的选择是人工降水成败的关键,在降水技术方法的选择时,应注意考虑以下几点:降水场地的水文地质条件;含水层的透水性;地下工程开挖的深度及技术要求;降水场地的施工条件和施工设备的能力范围;选用的方法是否经济合理便于施工;可根据条件将多种方法组合使用,充分发挥不同方法之间的互补性。
4.4 推行地下工程建设系统管理与防御技术
地下工程的建设是一项系统工程,必须从勘察、设计、施工、监测全方位实施工程防御体系。勘察设计方面,首先了解地质情况,查明周围各种地下管线和建筑物的要求,设计时要对地质资料了解清楚,精心设计并做到优化:施工方面,必须严格按照设计进行施工,对于有支撑的围护结构,必须遵守先撑后挖,严禁超挖,尽量缩短墙体暴露时间以及分层开挖,而高差不宜过大的原则,对施工中出现的问题要有预见性,对于毗邻建筑物施工时,必须做好保护措施:监测方面,一定要在整个施工与运营期间,实施严格的现场检验与监测,以正确指导施工,避免事故发生。
4.5 加强对临近建筑物的保护
在已有建筑物或构筑物附近设置新的基础和开挖基坑时,应考虑对已有建筑物的影响。在设计和施工前,应对以下情况进行调查:土质、原有建筑物基础、上部结构可靠度和地基基础变形的要求。根据情况制定以下对策:①对已有建筑物进行变形和裂缝的观测,不需要采取特殊的施工方法;②设计方面不需要特殊考虑,但施工方法要采取有效对策:③设计和施工都要采取有效的特殊对策,从工程计划开始就要采取对已有建筑物不产生有害影响的对策和防护工程,同时要进行变形和裂缝观测。
4.6 加强岩土体变形的理论研究
由于地下工程建设的复杂性,实践中有超出理论的现象,也有现有理论不能有效指导工程实践的现象。
5、结束语
随着经济建设的发展,我国城市化进程的加快,人们开始致力于地下空间的大规模开发利用。地下空间资源正越来越多被开发利用于各种领域,如地铁、地下街、地下室、地下车库、等各类地下工程,已经成为现代城市功能转入地下的重要载体。但是,地下工程建设一般都在市区内,在其施工过程中常常会引起周围地层的位移、变形、沉降与塌陷等环境地质效应,对周围地面建筑物及基础、地下早期人防和其他构筑物、公共地下管线和各种地下设施以及城市道路的路基、路面等都可能构成不同程度的危害。