工程地质调研
城市地下工程建设出现的
环境地质问题及其预防
201130490413 11土木四班李日光
摘要: 结合地下工程的特点, 分析了城市地下工程建设中引起或遇到的地下水环境变异、邻近建筑物损坏、洞室围岩失稳等环境工程地质问题, 研究了城市地下工程建设环境工程地质研究应解决的关键问题, 提出了城市地下工程建设环境工程地质问题的预防途径和措施。
关键词: 地下工程; 环境工程地质; 预防措施
1 环境地质问题的类型
1.1 地下水环境变异
地下工程施工常需要采用水泵将施工区的地下水位降低，以疏干工作面，改变着施工区周围的地下水的分布。同时岩土体的变形对地下水也产生影响。岩土体是地下水渗流的介质, 岩土体的孔隙结构限定地下水的活动场所和运行途径, 控制着地下水的补给、径流和排泄条件。岩土体处在一定的地质环境中, 存在着地应力、地下水及温度等。岩土体中地应力的改变引起岩土体结构的变化,从而影响岩土体的渗流特性。岩土体中温度场的改变也引起地下水流速和渗透压力的改变。地下水与岩土体同处于地质环境中, 在时间和空间域内发生相互的改造作用, 使地质环境经受着不断地调整状态, 当这种调节处于极限状态时, 地质灾害将会发生。
1.2 邻近建筑物损坏
工程降水造成地层的沉降, 其影响范围很大。地层沉降可能造成周围建筑及管线的剪应力增大, 致使建筑或管线断裂。另外由于地质条件的区别或者排水量的不同还可能会造成地层的不均匀沉降, 而地层的不均匀沉降亦会造成建筑物的倾斜, 影响其正常使用。同时, 工程降水造成降水漏斗内外的水头差, 在高水头差的作用下易于出现渗透变形问题。在渗透水流作用下, 土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动, 以致流失; 随着土的孔隙不断扩大, 渗透速度不断增加, 较的颗粒也相继被水流逐渐带走, 最终导致土体内形成贯通的渗流管道, 造成土体塌陷。上述情况中, 当地下水的补给遇到建筑物基础的阻拦时,就会绕过基础, 从而加强了基础周边的地下水流量,加快土颗粒的流失速度。基础周围土的流失, 必将影响基础及上部建筑物的稳定。
1.3 洞室围岩失稳
地下工程施工影响范围内的岩土体称为围岩。围岩稳定指一定时间内, 在地质力或工程荷载作用下,岩土体不产生破裂或失稳。自稳性较好的围岩, 开挖过程中可以无需支护; 自稳性较差的围岩, 施工中会出现坍塌, 必须修筑衬砌加以支护。一般情况下, 岩土体在自重及残余地应力作用下, 处于初始应力平衡状态, 开挖洞室将会破坏岩体的这种初始平衡, 引起围岩失稳。如顶围的悬垂与塌落、侧围
的突出与滑塌、底围的鼓胀与隆破、围岩的缩径与岩爆等。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。弹脆性岩石构成的围岩, 变形尺寸小, 发展速度快, 肉眼不易察觉, 而一旦失稳, 突然破坏, 其强度、规模和影响都极显著。弹塑性岩石和塑性土构成的围岩,变形尺寸大, 甚至堵塞整个洞室空间, 但其发展速度缓慢。
2 环境地质问题产生原因分析
2.1 地面沉降
( 1) 地层初始应力状态的改变引起的地表沉降:
地下工程开挖是在存在初始应力场的地层中进行的,开挖引起地层初始应力状态的改变, 即二次应力场,它是由地层初始应力场与开挖引起的附加应力场的叠加应力场, 对应二次应力场开挖的位移场仅是由开挖引起的附加应力场。地表沉降的主要机理是由开挖面的应力释放, 附加应力等引起地层的弹塑性变形。引起初始地应力状态改变的主要原因有:地下工程开挖引起的附加应力;地下工程施工对地层的扰动和地层损;地下水渗流引起的地下水位的变化。
( 2) 土体的固结沉降:
地下工程施工引起的地表沉降与时间有关。土体内部含水渗出, 体积逐渐减少, 这一现象成为土的固结。随着土体的固结,土体的压缩变形和强度逐渐增长。因此, 土的固结所产生的沉降是城市地下工程施工中最值得注意的问题之一。根据地下工程施工的特点总结固结沉降的主要原因有:地下水位下降引起的固结沉降;土体孔隙水压力变化, 引起土体的固结沉降;土体扰动后, 重新固结后产生沉降; 土体的次固结和流变。
2.2 洞室围岩失稳
地下开挖后, 洞壁围岩由于失去了原有的岩体的支持而向洞内产生松胀变形, 如果变形超过了围岩所能承受的能力, 围岩就会被破坏。围岩的变形破坏程度常取决于围岩的应力状态、岩体结构和洞室的断面形状等。洞室开挖使地下原来的应力状态被破坏, 围岩应力重分布, 产生变形位移。均质岩土体中应力未达到或未超过其强度以前,在开挖过程中的变形, 以弹性变形为主, 变形速度快, 变量小, 瞬时完成, 一般不宜察觉; 当应力达到或超过岩土体强度时, 塑性变形十分明显, 发生压碎、拉裂或剪破。当岩体强度主要由结构面控制时,与上述情况基本一样, 但当结构面组合构成围岩不稳定条件时, 岩体除了弹性变形外, 塑性变形也比较明显, 它表现为围岩分离体(岩块) 的相互错动, 围岩松动时围岩稳定性降低, 为进一步松动创造了条件。
3 预防途径与措施
3.1 开展详尽的工程地质勘察
工程地质勘察资料是地下工程施工的重要依据,通过详细的工程地质勘察, 为设计施工提供需要的参数和指标, 确定合理的开挖方案、开挖步骤, 如果地
下工程建设所涉及勘察资料不详细、不准确, 势必给支护工程带来事故隐患。
3.2 做好开挖方案的优化选择
地下工程的开挖方法很多, 以基坑工程为例, 有分层全开挖、中心岛式开挖等等。开挖顺序不同, 引起的位移不同, 中心岛法的开挖顺序就比从一个方向按顺序向另一个方向的开挖方法, 对基底隆起和桩后地面沉降有一定程度地减少。因此, 基坑开挖时应做好开挖方案的优化选择。
3.3 实行科学的降水设计
水是影响基坑工程稳定的重要因素之一, 从实际统计资料来看, 约有70% 的基坑事故与地下水有关,因此, 地下工程建设中应特别注意地下水的影响。地
下工程建设绝大多数都需要进行人工降低地下水。要降低地下水位, 就要合理地选择降水方法, 在此基础上进行人工降水的方案设计, 以及进行降水方案的水
位预测, 通过预测进行降水方案的优化, 从而达到最佳的降水方案。
3.4 推行考虑时空效应的工程技术
近年来有许多岩土工程专家认为, 要接受过去几年深基坑周围地层移动引起附近建筑和设施破坏的经验教训, 在技术规程中, 要重视控制基坑变形问题,而运用时空效应规律在软土地区是一条安全、经济的技术途径。实践证明, 运用时空效应规律, 能可靠而合理地利用土体自身在基坑开挖过程中控制土体位移的潜力而达到保护环境的目的。在软土基坑开挖中,当减少每步开挖土方的空间尺寸, 并减少每步开挖所暴露的部分基坑挡墙的未支撑前的暴露时间, 是考虑时空效应、科学地利用土体自身的控制地层位移的力, 以解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策。
4 结语
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。因此, 研究城市地下建设工程的环境地质问题及其防治技术具有相当重要的现实意义。
参考文献
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[ 2] 李名淦城市地下工程施工对环境的影响[ J] ，山西建筑，2004. 8
[ 2] 温秀峰浅析城市地下工程的围岩稳定性[ J] ，山西焦煤科计，2004.1