呂扶君  趙云剛  寇楊軍  任秀芳  陳雅斌

（西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，西安 710003）

 

    隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人類工程活動(dòng)的頻繁，從巖土工程的角度出發(fā)，為改善環(huán)境而探討與巖土工程相關(guān)的環(huán)境問題，從而改善人與環(huán)境的關(guān)系，解決人類巖土工程活動(dòng)所產(chǎn)生的環(huán)境問題。隨著西安城市向國際化邁進(jìn)，西安北郊城市建設(shè)規(guī)模和密度在不斷增大，高層建筑鱗次櫛比，地下商場、地下鐵道、地下倉庫、地下車站等地下工程項(xiàng)目的增多，其深基坑越來越多且向大深度、大跨度發(fā)展，與此同時(shí)開挖形成的深基坑工程不僅受周圍環(huán)境的限制，也對(duì)周圍環(huán)境會(huì)造成不同程度的影響。因此探討和研究深基坑開挖中環(huán)境巖土工程問題有著很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

 

    2.1環(huán)境巖土工程和基本觀點(diǎn)

    環(huán)境巖土工程（Environmental Geotechnology）是一門新興的交叉學(xué)科，主要為巖土工程學(xué)和環(huán)境科學(xué)兩大學(xué)科的相互滲透交叉，涵蓋氣象、水文、地質(zhì)、環(huán)境、自然、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等等。它研究的主要內(nèi)容是巖土工程活動(dòng)中所涉及的環(huán)境問題以及環(huán)境變化所帶來的工程問題。一些基本觀點(diǎn)如下：

 

    ⑴ 巖土實(shí)踐的范圍是地球表層，而地球?qū)τ谟钪鎭碇v是一個(gè)子系統(tǒng)，它的變化受其他子系統(tǒng)的影響，它們之間有物質(zhì)和能量的交換，是一個(gè)開放的系統(tǒng)；

    ⑵ 可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)：提高人們的環(huán)境意識(shí)，樹立正確的生態(tài)觀、社會(huì)觀和技術(shù)觀。發(fā)展要滿足當(dāng)代需要，同時(shí)必須要保持子孫后代發(fā)展的潛力。資源是有限的，在我們賴以生存的地球上，隨著人口的增長和經(jīng)社會(huì)濟(jì)發(fā)展的占有，資源愈來愈短缺，所以要實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)，而不能盲目地、過度地、掠奪式地利用資源，以防止對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響和無法恢復(fù)的后；

    ⑶ 環(huán)境巖土問題是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要用系統(tǒng)工程的理論、觀點(diǎn)和方法去解決環(huán)境問題；

    ⑷ 自然和社會(huì)是在變化的，自然地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境衛(wèi)生、人類工程活動(dòng)等環(huán)境巖土問題，有一些勢必將直接危害人類及其正常活動(dòng)，為了要避開或消除它就需采取治理措施；

    ⑸ 應(yīng)該把巖土環(huán)境的保護(hù)放在第一位，防治放在第二位。因此，巖土環(huán)境的監(jiān)測與保護(hù)應(yīng)成為環(huán)境巖土的重要研究對(duì)象。不能一再的因人為的因素出現(xiàn)環(huán)境巖土問題后再來談治理巖土工程的環(huán)境問題。

 

    2.2西安北郊地質(zhì)環(huán)境條件概述

    西安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱，夏季炎熱，秋季潮濕多雨，冬季寒冷干燥。年最大降水量903.2mm（1983年），月最大降水量344.4mm（1957年7月），日最大降水量110.7mm（1991年7月28日），雨季起訖時(shí)間5～10月。

 

    西安北郊地貌主要為渭河右岸一級(jí)階地和二級(jí)階地區(qū)，地形總體平緩、開闊，略向北部的渭河傾斜，高程介于370～394m之間。其發(fā)育地層主要有：低階地上地層為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q₄^ml），第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q₄^al+pl）的黃土狀土、砂層、粉質(zhì)黏土及粉土；高階地上部地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q₃^eol）及殘積（Q₃^el）古土壤，下部為中、上更新統(tǒng)沖積（Q₃^al、Q₂^al）粉質(zhì)黏土及砂類土。地下水屬于潛水，埋深在3～15m之間。

 

    2.3深基坑開挖引起的環(huán)境巖土問題及其影響因素

    基坑開挖是土力學(xué)與基礎(chǔ)工程施工中的一個(gè)古老的傳統(tǒng)課題，它涉及到土力學(xué)中典型的強(qiáng)度與穩(wěn)定問題，又涉及變形問題，還涉及土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用問題。是一項(xiàng)綜合性的巖土工程難題。加之基坑深度愈來愈深，基坑開挖面積大，更突出了這一問題的難度。尤其在城市大規(guī)模的建設(shè)中，周邊既有建筑物、地下管道及道路遍布，這對(duì)基坑開挖技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求，不僅要確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求和邊坡穩(wěn)定，還有滿足變形、位移控制的要求。在這種情況下，深基坑工程對(duì)周邊產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)問題就更突出，不可忽視。因此分析評(píng)價(jià)深基坑工程中所帶來的環(huán)境巖土問題是很必要的。西安北郊深基坑開挖均面臨上述種種問題，經(jīng)分析總結(jié)，所引起的環(huán)境巖土問題主要體現(xiàn)在對(duì)外部環(huán)境的影響和對(duì)內(nèi)部環(huán)境的變形破壞影響。具體分述如下：

 

    2.3.1深基坑開挖引起的外部環(huán)境巖土問題及其影響因素

    由于基坑開挖、降水施工涉及的施工場地內(nèi)設(shè)備、車輛、人員等數(shù)量多、施工規(guī)模大，場地內(nèi)挖土、運(yùn)土、成孔、澆筑混凝土樁、大型機(jī)械、車輛及人員進(jìn)出等活動(dòng)，形成大量的堆渣、粉塵等，對(duì)周圍帶來空氣污染、噪音污染、廢水污染及廢渣污染。

 

    2.3.2深基坑開挖引起的內(nèi)部環(huán)境巖土問題及其影響因素

    （1）基坑頂部及周邊地表變形問題

    基坑開挖進(jìn)程中所產(chǎn)生的地面變形沉降主要有三點(diǎn)原因：第一是地下水疏干產(chǎn)生的不均衡地面變形或沉降。為保證基坑順利開挖需降水，在降水影響半徑范圍內(nèi)隨著水量的排出，形成水位不等的降水漏斗，水位降深處將會(huì)增加土的自重應(yīng)力，于此同時(shí)排出的水流也會(huì)帶走土層中部分細(xì)微土粒，擾動(dòng)土體產(chǎn)生松脫，從而引起地面沉降。若有較大的不均勻沉降將會(huì)引起鄰近建筑物的傾斜、墻體開裂，甚至倒塌現(xiàn)象。第二是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移變形引起的地面?zhèn)认蜃冃危ㄖ饕�集中在基坑四周）。第三是潛在黃土濕陷變形影響，西安北郊濕陷性黃土一般分布深度在6～15m（一級(jí)階地稍淺），多具中等～強(qiáng)烈濕陷性，屬非自重或自重濕陷性黃土場地，當(dāng)基坑頂部的防水、排水措施不當(dāng)，受到水的排泄、下滲、水浸影響，黃土發(fā)生濕陷變形，往往會(huì)在短期內(nèi)（1～2天內(nèi)）就可能產(chǎn)生20～30cm的變形量，這種量大、速率快而又不均勻的變形將會(huì)使邊坡和建筑物發(fā)生嚴(yán)重變形甚至破壞。

    據(jù)西安相關(guān)深基坑工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在基坑周邊的地面變形往往是上述三種情況相互作用、綜合影響加的結(jié)果，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的地面變形對(duì)基坑周邊產(chǎn)生的影響經(jīng)常為主要表現(xiàn)。

 

    （2）護(hù)坡支擋結(jié)構(gòu)的變形問題

    當(dāng)基坑開挖較淺時(shí)，支擋結(jié)構(gòu)主要為向基坑方向的水平變位，地表也開始變形；隨著開挖深度的增加，土壓力也隨之增大，支護(hù)墻體變位逐漸回復(fù)，此時(shí)，地表變形的范圍也在增大，其變形量也相應(yīng)在增大；當(dāng)基坑開挖深度進(jìn)一步增大時(shí)，基坑應(yīng)力釋放量增大，多會(huì)造成支護(hù)結(jié)構(gòu)向上變位。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)受彎破壞或樁體和錨桿體系抗拔力不夠，嵌固深度不足，支護(hù)體系自我連接差等都會(huì)導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身破壞，進(jìn)而引起基坑失穩(wěn)崩塌、垮塌等不良現(xiàn)象。當(dāng)護(hù)坡支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞后，從而勢必引起鄰近建筑設(shè)施的變形破壞。

 

    （3）基坑隆起變形問題

    基坑隆起變形將會(huì)破壞坑底穩(wěn)定，影響坑壁安全，引起基坑失穩(wěn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境巖土破壞問題。針對(duì)基坑開挖后可能發(fā)生的隆起變形問題，究其原因主要是，基坑開挖土體被卸載，自重應(yīng)力釋放，坑底土發(fā)生回彈變形。基底土體回彈后，土體松弛伴隨蠕變使土向上隆起。與此同時(shí)，在基坑開挖后，基坑的支擋結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生向坑壁外側(cè)的變形（尤其是靠近基坑底部的支擋結(jié)構(gòu)的變形影響大），擠推土體，造成基底隆起。此外，根據(jù)相關(guān)基坑實(shí)測資料和研究表明，基坑的隆起量與基坑開挖后放置時(shí)間長短有關(guān)，當(dāng)開挖深度較小時(shí)，土體蠕變引起的增加量不顯著，但隨著開挖深度的增加，這種增加量將就會(huì)變大。故基坑開挖后應(yīng)盡量減少基坑的放置時(shí)間。

 

    （4）流砂問題

    主要針對(duì)西安北郊一級(jí)階地區(qū)。因其上覆黃土狀土較薄，下伏大厚層砂土（主要為中粗砂層），且水位較淺（多小于5m）。當(dāng)基坑開挖深度大于地下水位，這時(shí)基坑底部以下分布為砂土層且受到豎向的滲透水壓時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤�突破臨界水力梯度，在滲透力作用下，砂土將會(huì)向上涌出產(chǎn)生流砂，致使基坑底部破壞，進(jìn)而造成基坑失穩(wěn)，形成環(huán)境巖土問題。

 

    對(duì)西安北郊深基坑開挖中所出現(xiàn)的環(huán)境巖土問題，采取的防治原則和措施建議如下：

    3.1防治目標(biāo)原則

    ⑴ 基坑工程是集巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及環(huán)境工程等專業(yè)于一體的系統(tǒng)工程，是將擋土、支護(hù)、防水、降水、挖土、監(jiān)測和信息施工等作為一個(gè)系統(tǒng)工程，針對(duì)工程安全、環(huán)境保護(hù)、施工隊(duì)伍與作業(yè)時(shí)空關(guān)系進(jìn)行周密的施工組織管理與設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，要做到系統(tǒng)的綜合防治，不留后患；

    ⑵ 防治措施應(yīng)充分吸取當(dāng)?shù)爻晒Φ闹卫斫?jīng)驗(yàn)，做到方案可行，安全可靠，技術(shù)合理，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；

    ⑶ 防治工程結(jié)合地下空間特點(diǎn)、上部建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊環(huán)境條件綜合進(jìn)行。

 

    3.2防治措施建議

    （1）按相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行巖土工程勘察

    按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，基坑工程的巖土工程勘察不僅必要，而且非常重要，也只有通過勘察清楚掌握場地及周邊的巖土工程條件水文條件及環(huán)境條件，才能對(duì)癥下藥，為下一步的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工提供真實(shí)、可靠的第一手資料。原來因?qū)�基坑工程多屬于臨時(shí)設(shè)施，重視度不夠，對(duì)其勘察的認(rèn)識(shí)也不夠，導(dǎo)致很多基坑工程因不十分清楚場地的巖土工程條件且采用的巖土參數(shù)不能代表實(shí)際而發(fā)生基坑變形破壞事故，因此，準(zhǔn)確的基坑巖土工程勘察成果是設(shè)計(jì)、施工的前提，也是消除基坑隱患的必要步驟。

 

    （2）采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行基坑穩(wěn)定性分析與驗(yàn)算方法

    選擇合適、合理安全的基坑支護(hù)方案和開挖方法很關(guān)鍵。首先采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，根據(jù)勘察結(jié)果和實(shí)際信息施工法中反饋的資料，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證、修正。針對(duì)西安北郊地層特點(diǎn)和成熟的支護(hù)工藝，主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)有坡率法、水泥攪拌法、高壓旋噴樁、樁排、復(fù)合土釘墻、地下連續(xù)墻、沉井等。它們要根據(jù)各自的適用條件應(yīng)根據(jù)勘察結(jié)果、基坑性質(zhì)和規(guī)模等，結(jié)合周邊建構(gòu)筑物狀況、變形位移許可條件及防滲要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、比選。然后再確定開挖方法，如自上而下的分層開挖法、中心島式法開挖法、逆作法等，開挖順序不同，引起的位移不同，因此，基坑開挖方案的也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化、比選，動(dòng)態(tài)修正。

    

    針對(duì)黃土地區(qū)西安北郊具體的工程實(shí)踐，在充分掌握對(duì)巖土體的變形條件、應(yīng)力松弛特性、支擋結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理、基底隆起規(guī)律、基坑的失穩(wěn)可能模式以及與周邊建構(gòu)筑物的影響關(guān)系之下，進(jìn)而確定穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算方法，確保基坑穩(wěn)定和安全施工。

 

    （3）進(jìn)行信息化施工

    基坑工程是土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)體相互作用的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜過程，由于理論分析的限制和變形機(jī)理的復(fù)雜，目前使用的基坑穩(wěn)定性分析驗(yàn)算難以完全掌握復(fù)雜條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的變形破壞。因此，基坑工程從開始到結(jié)束需進(jìn)行過程跟蹤、檢測及監(jiān)測，了解其變化的態(tài)勢，利用最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況進(jìn)行信息反饋分析，對(duì)地質(zhì)結(jié)論、設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)施工安全性進(jìn)行判斷并及時(shí)修正施工方案，采取有效措施保證施工安全和環(huán)境的保護(hù)。

 

    （4）防止水的不利影響

    基坑工程穩(wěn)定性問題與地表水和地下水的關(guān)系甚大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，60～80%的基坑事故都與水的作用息息相關(guān)。因此，基坑工程建設(shè)中尤其要處理好地下水的不利影響。針對(duì)西安北郊地下水分布特點(diǎn)，大部分深基坑開挖工程都需要進(jìn)行人工降水，根據(jù)場地巖土工程條件和周邊環(huán)境條件合理確定降水方法（主要包括集水明排、井點(diǎn)降水、截水、回灌等）是預(yù)防地下水帶來的對(duì)基坑不利影響和對(duì)環(huán)境的危害。

 

    （5）堅(jiān)持精細(xì)化施工組織設(shè)計(jì)與管理

    基坑工程建設(shè)是一系統(tǒng)工程，堅(jiān)持先勘察、后設(shè)計(jì)、在施工的原則進(jìn)行，同時(shí)在施工中進(jìn)行全方位地檢測與監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)勘察、設(shè)計(jì)具體結(jié)果和現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，編制好精細(xì)的施工組織管理文件，然后進(jìn)行規(guī)范、有序施工。同時(shí)對(duì)施工中出現(xiàn)的各類問題要有預(yù)見性，對(duì)于在臨近建筑物地段施工時(shí)，必須采取有效措施。施工過程中的監(jiān)測尤為重要，是及時(shí)指導(dǎo)正確施工、修正設(shè)計(jì)，避免事故發(fā)生的實(shí)測資料和有力依據(jù)。

 

    環(huán)境問題是人類社會(huì)發(fā)展活動(dòng)引發(fā)環(huán)境產(chǎn)生的不利于人類生存的變化，解決和處理好工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)問題已是當(dāng)務(wù)之急。隨著西安向國際化大都市建設(shè)的進(jìn)發(fā)，城市地下空間的開發(fā)利用是保證城市可持續(xù)發(fā)展的重要措施，而由此帶來的環(huán)境巖土工程問題更是城市化建設(shè)的必然結(jié)果。這些問題都在不同程度上影響著人類社會(huì)的發(fā)展和人們的安定生活。因此，我們必須努力研究、探索，深入認(rèn)識(shí)環(huán)境巖土問題的發(fā)生機(jī)理和對(duì)社會(huì)的嚴(yán)重性與緊迫感，樹立良好的巖土環(huán)境意識(shí)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展觀，進(jìn)一步加強(qiáng)規(guī)劃先行，預(yù)警預(yù)防，動(dòng)態(tài)監(jiān)測，采取可靠有效的治理措施，做好巖土環(huán)境的保護(hù)和防治工作。

 

[1]  羅國煜，陳新民等.城市環(huán)境巖土工程[M].南京:南京大學(xué)出版社,2000.

[2]  李秉成,孫建中著.中國黃土與環(huán)境[M].

[3]  李金湘,蘇文聰等.深基坑開挖工程引發(fā)的環(huán)境巖土工程問題探討[J].西部探礦工程，2007 19(10).

[4]  方曉陽.21世紀(jì)環(huán)境巖土工程展望[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2000 22(1).

[5]  李于輝,張季超等.廣州地下空間開發(fā)利用的環(huán)境巖土工程問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009 5(z2).

[6]  張?jiān)诿?對(duì)發(fā)展環(huán)境巖土工程的初步探討[J].土木工程學(xué)報(bào),2001 34(2).

[7]  王朝陽,范敏等.濕陷性黃土的環(huán)境巖土工程問題及防治對(duì)策[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005 1(z2).

[8]  吳斌.基礎(chǔ)工程建設(shè)中存在的環(huán)境巖土問題及其對(duì)策[J].煤炭工程,2004(10).

 

作者簡介:呂扶君（1962年—），男，漢族，陜西米脂人，專科，西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院工程師，主要從事巖土工程勘察、工程物探及地質(zhì)災(zāi)害治理工作與研究。Email:lufujun99@163.com.

通信地址：陜西省西安市蓮湖區(qū)習(xí)武園9號(hào)西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，710003，13991774469。

作者簡介:趙云剛（1977年—），男，漢族，貴州威寧人，本科，西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及地質(zhì)災(zāi)害治理工作與研究。Email:eastyun@163.com.

通信地址：陜西省西安市蓮湖區(qū)習(xí)武園9號(hào)西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，710003，13991988945。