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(wèn)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(wèn)題。隨著西安城市向國(guó)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(chǎng)、地下鐵道、地下倉(cāng)庫(kù)、地下車站等地下工程項(xiàng)目的增多，其深基坑越來(lái)越多且向大深度、大跨度發(fā)展，與此同時(shí)開(kāi)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(kāi)挖中環(huán)境巖土工程問(wèn)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(wèn)題以及環(huán)境變化所帶來(lái)的工程問(wèn)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?lái)講是一個(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(kāi)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(shù)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(zhǎng)和經(jīng)社會(huì)濟(jì)發(fā)展的占有，資源愈來(lái)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(guò)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(wú)法恢復(fù)的后；

    ⑶ 環(huán)境巖土問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，有一些勢(shì)必將直接危害人類及其正常活動(dòng)，為了要避開(kāi)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(cè)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(wèn)題后再來(lái)談治理巖土工程的環(huán)境問(wèn)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(rùn)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(kāi)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(kāi)挖引起的環(huán)境巖土問(wèn)題及其影響因素

    基坑開(kāi)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(wèn)題，又涉及變形問(wèn)題，還涉及土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用問(wèn)題。是一項(xiàng)綜合性的巖土工程難題。加之基坑深度愈來(lái)愈深，基坑開(kāi)挖面積大，更突出了這一問(wèn)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(kāi)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(wèn)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(lái)的環(huán)境巖土問(wèn)題是很必要的。西安北郊深基坑開(kāi)挖均面臨上述種種問(wèn)題，經(jīng)分析總結(jié)，所引起的環(huán)境巖土問(wèn)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(kāi)挖引起的外部環(huán)境巖土問(wèn)題及其影響因素

    由于基坑開(kāi)挖、降水施工涉及的施工場(chǎng)地內(nèi)設(shè)備、車輛、人員等數(shù)量多、施工規(guī)模大，場(chǎng)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(lái)空氣污染、噪音污染、廢水污染及廢渣污染。

 

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

    （1）基坑頂部及周邊地表變形問(wèn)題

    基坑開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)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(wèn)題

    當(dāng)基坑開(kāi)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(kāi)始變形；隨著開(kāi)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(kāi)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(shì)必引起鄰近建筑設(shè)施的變形破壞。

 

    （3）基坑隆起變形問(wèn)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(wèn)題。針對(duì)基坑開(kāi)挖后可能發(fā)生的隆起變形問(wèn)題，究其原因主要是，基坑開(kāi)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(kāi)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(cè)資料和研究表明，基坑的隆起量與基坑開(kāi)挖后放置時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，當(dāng)開(kāi)挖深度較小時(shí)，土體蠕變引起的增加量不顯著，但隨著開(kāi)挖深度的增加，這種增加量將就會(huì)變大。故基坑開(kāi)挖后應(yīng)盡量減少基坑的放置時(shí)間。

 

    （4）流砂問(wèn)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(kāi)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(wèn)題。

 

    對(duì)西安北郊深基坑開(kāi)挖中所出現(xiàn)的環(huán)境巖土問(wèn)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(cè)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(guò)勘察清楚掌握?qǐng)龅丶爸苓叺膸r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(lái)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)挖方法，如自上而下的分層開(kāi)挖法、中心島式法開(kāi)挖法、逆作法等，開(kāi)挖順序不同，引起的位移不同，因此，基坑開(kāi)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(guò)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(kāi)始到結(jié)束需進(jìn)行過(guò)程跟蹤、檢測(cè)及監(jiān)測(cè)，了解其變化的態(tài)勢(shì)，利用最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)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(kāi)挖工程都需要進(jìn)行人工降水，根據(jù)場(chǎng)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(lái)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(cè)與監(jiān)測(cè)，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(wèn)題要有預(yù)見(jiàn)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(guò)程中的監(jiān)測(cè)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(cè)資料和有力依據(jù)。

 

    環(huán)境問(wèn)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(wèn)題已是當(dāng)務(wù)之急。隨著西安向國(guó)際化大都市建設(shè)的進(jìn)發(fā)，城市地下空間的開(kāi)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(lái)的環(huán)境巖土工程問(wèn)題更是城市化建設(shè)的必然結(jié)果。這些問(wèn)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(wèn)題的發(fā)生機(jī)理和對(duì)社會(huì)的嚴(yán)重性與緊迫感，樹(shù)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(cè)，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(guó)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(guó)黃土與環(huán)境[M].

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

[4]  方曉陽(yáng).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(kāi)發(fā)利用的環(huán)境巖土工程問(wèn)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(yáng),范敏等.濕陷性黃土的環(huán)境巖土工程問(wèn)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(wèn)題及其對(duì)策[J].煤炭工程,2004(10).

 

作者簡(jiǎn)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(jiǎn)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。