呂扶君  趙云剛  寇楊軍  任秀芳  陳雅斌

（西北綜合勘察設計研究院，西安 710003）

 

    隨著城市規(guī)模的不斷擴大和人類工程活動的頻繁，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的環(huán)境問題，從而改善人與環(huán)境的關系，解決人類巖土工程活動所產生的環(huán)境問題。隨著西安城市向國際化邁進，西安北郊城市建設規(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，與此同時開挖形成的深基坑工程不僅受周圍環(huán)境的限制，也對周圍環(huán)境會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的實踐指導意義。

 

    2.1環(huán)境巖土工程和基本觀點

    環(huán)境巖土工程（Environmental Geotechnology）是一門新興的交叉學科，主要為巖土工程學和環(huán)境科學兩大學科的相互滲透交叉，涵蓋氣象、水文、地質、環(huán)境、自然、農業(yè)、化學、醫(yī)學、工程學等等。它研究的主要內容是巖土工程活動中所涉及的環(huán)境問題以及環(huán)境變化所帶來的工程問題。一些基本觀點如下：

 

    ⑴ 巖土實踐的范圍是地球表層，而地球對于宇宙來講是一個子系統(tǒng)，它的變化受其他子系統(tǒng)的影響，它們之間有物質和能量的交換，是一個開放的系統(tǒng)；

    ⑵ 可持續(xù)發(fā)展的觀點：提高人們的環(huán)境意識，樹立正確的生態(tài)觀、社會觀和技術觀。發(fā)展要滿足當代需要，同時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社會濟發(fā)展的占有，資源愈來愈短缺，所以要實施可持續(xù)發(fā)展的觀點，而不能盲目地、過度地、掠奪式地利用資源，以防止對環(huán)境造成嚴重影響和無法恢復的后；

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

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

    ⑸ 應該把巖土環(huán)境的保護放在第一位，防治放在第二位。因此，巖土環(huán)境的監(jiān)測與保護應成為環(huán)境巖土的重要研究對象。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西安北郊地質環(huán)境條件概述

    西安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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），雨季起訖時間5～10月。

 

    西安北郊地貌主要為渭河右岸一級階地和二級階地區(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、粉質黏土及粉土；高階地上部地層主要為第四系上更新統(tǒng)風積黃土（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

    基坑開挖是土力學與基礎工程施工中的一個古老的傳統(tǒng)課題，它涉及到土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題，又涉及變形問題，還涉及土體與支擋結構的共同作用問題。是一項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)模的建設中，周邊既有建筑物、地下管道及道路遍布，這對基坑開挖技術提出了更嚴格的要求，不僅要確保圍護結構的強度要求和邊坡穩(wěn)定，還有滿足變形、位移控制的要求。在這種情況下，深基坑工程對周邊產生的環(huán)境效應問題就更突出，不可忽視。因此分析評價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，經分析總結，所引起的環(huán)境巖土問題主要體現(xiàn)在對外部環(huán)境的影響和對內部環(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設備、車輛、人員等數(shù)量多、施工規(guī)模大，場地內挖土、運土、成孔、澆筑混凝土樁、大型機械、車輛及人員進出等活動，形成大量的堆渣、粉塵等，對周圍帶來空氣污染、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

    基坑開挖進程中所產生的地面變形沉降主要有三點原因：第一是地下水疏干產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，水位降深處將會增加土的自重應力，于此同時排出的水流也會帶走土層中部分細微土粒，擾動土體產生松脫，從而引起地面沉降。若有較大的不均勻沉降將會引起鄰近建筑物的傾斜、墻體開裂，甚至倒塌現(xiàn)象。第二是由于支護結構的側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（一級階地稍淺），多具中等～強烈濕陷性，屬非自重或自重濕陷性黃土場地，當基坑頂部的防水、排水措施不當，受到水的排泄、下滲、水浸影響，黃土發(fā)生濕陷變形，往往會在短期內（1～2天內）就可能產生20～30cm的變形量，這種量大、速率快而又不均勻的變形將會使邊坡和建筑物發(fā)生嚴重變形甚至破壞。

    據西安相關深基坑工程實踐經驗，在基坑周邊的地面變形往往是上述三種情況相互作用、綜合影響加的結果，支護結構變形產生的地面變形對基坑周邊產生的影響經常為主要表現(xiàn)。

 

    （2）護坡支擋結構的變形問題

    當基坑開挖較淺時，支擋結構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，支護墻體變位逐漸回復，此時，地表變形的范圍也在增大，其變形量也相應在增大；當基坑開挖深度進一步增大時，基坑應力釋放量增大，多會造成支護結構向上變位。當支護結構受彎破壞或樁體和錨桿體系抗拔力不夠，嵌固深度不足，支護體系自我連接差等都會導致基坑圍護結構自身破壞，進而引起基坑失穩(wěn)崩塌、垮塌等不良現(xiàn)象。當護坡支護結構變形破壞后，從而勢必引起鄰近建筑設施的變形破壞。

 

    （3）基坑隆起變形問題

    基坑隆起變形將會破壞坑底穩(wěn)定，影響坑壁安全，引起基坑失穩(wěn)，產生嚴重的環(huán)境巖土破壞問題。針對基坑開挖后可能發(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，在基坑開挖后，基坑的支擋結構也逐漸發(fā)生向坑壁外側的變形（尤其是靠近基坑底部的支擋結構的變形影響大），擠推土體，造成基底隆起。此外，根據相關基坑實測資料和研究表明，基坑的隆起量與基坑開挖后放置時間長短有關，當開挖深度較小時，土體蠕變引起的增加量不顯著，但隨著開挖深度的增加，這種增加量將就會變大。故基坑開挖后應盡量減少基坑的放置時間。

 

    （4）流砂問題

    主要針對西安北郊一級階地區(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）。當基坑開挖深度大于地下水位，這時基坑底部以下分布為砂土層且受到豎向的滲透水壓時，當?shù)叵滤�突破臨界水力梯度，在滲透力作用下，砂土將會向上涌出產生流砂，致使基坑底部破壞，進而造成基坑失穩(wěn)，形成環(huán)境巖土問題。

 

    對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防治目標原則

    ⑴ 基坑工程是集巖土工程、結構工程及環(huán)境工程等專業(yè)于一體的系統(tǒng)工程，是將擋土、支護、防水、降水、挖土、監(jiān)測和信息施工等作為一個系統(tǒng)工程，針對工程安全、環(huán)境保護、施工隊伍與作業(yè)時空關系進行周密的施工組織管理與設計、動態(tài)監(jiān)控，要做到系統(tǒng)的綜合防治，不留后患；

    ⑵ 防治措施應充分吸取當?shù)爻晒Φ闹卫斫涷灒�做到方案可行，安全可靠，技術合理，經濟環(huán)保；

    ⑶ 防治工程結合地下空間特點、上部建構筑物結構特點及周邊環(huán)境條件綜合進行。

 

    3.2防治措施建議

    （1）按相應規(guī)范進行巖土工程勘察

    按現(xiàn)行相關規(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，才能對癥下藥，為下一步的基坑支護設計、施工提供真實、可靠的第一手資料。原來因對基坑工程多屬于臨時設施，重視度不夠，對其勘察的認識也不夠，導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)不能代表實際而發(fā)生基坑變形破壞事故，因此，準確的基坑巖土工程勘察成果是設計、施工的前提，也是消除基坑隱患的必要步驟。

 

    （2）采用動態(tài)設計法進行基坑穩(wěn)定性分析與驗算方法

    選擇合適、合理安全的基坑支護方案和開挖方法很關鍵。首先采用動態(tài)設計法，根據勘察結果和實際信息施工法中反饋的資料，對設計參數(shù)及設計方案進行驗證、修正。針對西安北郊地層特點和成熟的支護工藝，主要的支護結構有坡率法、水泥攪拌法、高壓旋噴樁、樁排、復合土釘墻、地下連續(xù)墻、沉井等。它們要根據各自的適用條件應根據勘察結果、基坑性質和規(guī)模等，結合周邊建構筑物狀況、變形位移許可條件及防滲要求，進行設計優(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進行優(yōu)化、比選，動態(tài)修正。

    

    針對黃土地區(qū)西安北郊具體的工程實踐，在充分掌握對巖土體的變形條件、應力松弛特性、支擋結構的變形機理、基底隆起規(guī)律、基坑的失穩(wěn)可能模式以及與周邊建構筑物的影響關系之下，進而確定穩(wěn)定性分析和驗算方法，確保基坑穩(wěn)定和安全施工。

 

    （3）進行信息化施工

    基坑工程是土體與圍護結構體相互作用的一個動態(tài)變化的復雜過程，由于理論分析的限制和變形機理的復雜，目前使用的基坑穩(wěn)定性分析驗算難以完全掌握復雜條件下的支護結構與土體的變形破壞。因此，基坑工程從開始到結束需進行過程跟蹤、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)據和施工現(xiàn)場的地質情況進行信息反饋分析，對地質結論、設計參數(shù)進行驗證，對施工安全性進行判斷并及時修正施工方案，采取有效措施保證施工安全和環(huán)境的保護。

 

    （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系甚大，據不完全統(tǒng)計，60～80%的基坑事故都與水的作用息息相關。因此，基坑工程建設中尤其要處理好地下水的不利影響。針對西安北郊地下水分布特點，大部分深基坑開挖工程都需要進行人工降水，根據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、井點降水、截水、回灌等）是預防地下水帶來的對基坑不利影響和對環(huán)境的危害。

 

    （5）堅持精細化施工組織設計與管理

    基坑工程建設是一系統(tǒng)工程，堅持先勘察、后設計、在施工的原則進行，同時在施工中進行全方位地檢測與監(jiān)測，實時監(jiān)控。根據勘察、設計具體結果和現(xiàn)行相關規(guī)范，編制好精細的施工組織管理文件，然后進行規(guī)范、有序施工。同時對施工中出現(xiàn)的各類問題要有預見性，對于在臨近建筑物地段施工時，必須采取有效措施。施工過程中的監(jiān)測尤為重要，是及時指導正確施工、修正設計，避免事故發(fā)生的實測資料和有力依據。

 

    環(huán)境問題是人類社會發(fā)展活動引發(fā)環(huán)境產生的不利于人類生存的變化，解決和處理好工程建設與環(huán)境保護問題已是當務之急。隨著西安向國際化大都市建設的進發(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的必然結果。這些問題都在不同程度上影響著人類社會的發(fā)展和人們的安定生活。因此，我們必須努力研究、探索，深入認識環(huán)境巖土問題的發(fā)生機理和對社會的嚴重性與緊迫感，樹立良好的巖土環(huán)境意識，堅持可持續(xù)發(fā)展觀，進一步加強規(guī)劃先行，預警預防，動態(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世紀環(huán)境巖土工程展望[J]. 巖土工程學報, 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].地下空間與工程學報,2009 5(z2).

[6]  張在明.對發(fā)展環(huán)境巖土工程的初步探討[J].土木工程學報,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策[J].地下空間與工程學報,2005 1(z2).

[8]  吳斌.基礎工程建設中存在的環(huán)境巖土問題及其對策[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，西北綜合勘察設計研究院工程師，主要從事巖土工程勘察、工程物探及地質災害治理工作與研究。Email:lufujun99@163.com.

通信地址：陜西省西安市蓮湖區(qū)習武園9號西北綜合勘察設計研究院，710003，13991774469。

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

通信地址：陜西省西安市蓮湖區(qū)習武園9號西北綜合勘察設計研究院，710003，13991988945。