论文部分内容阅读
【摘 要】随着城市化进程的加快,城市建设快速发展,城市规模不断扩大,城市人口急剧膨胀,许多城市都不同程度地出现了建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施落后、生态失衡、环境恶化等城市病,给人们居住生活带来很大影响,也制约城市经济与社会的进一步发展,成为我国现代城市可持续发展的障碍。在这样的背景下,我国城市地下空间发展由九十年代前的人防工程建设转变到九十年代以“城市可持续发展”为目标的地下空间开发利用的发展战略上来。这时,地下工程的建设显得尤为重要,本文通过对地下工程的施工技术方法的简要论述,揭示了未来我国的地下工程的发展前景,以及未来的施工工艺。
【关键词】地下;工程;施工;展望
Concerning underground the construction of the engineering management technique and engineering cause of geology problem of discussion and analysisGuo Fang-hua
(Jiangsu yingzhou municipal services construction limited company Yancheng Jiangsu 224001)
【Abstract】Because the city turn progress of speed, city construction fast development, city scale continuously extension, city population sharply inflation, many city all dissimilarity the degree ground appeared building site strain, existence space hustle, the traffic jam, infrastructure fall behind, ecosystem disequalibrium, environment depravation etc. city disease, live life to bring to people very big influence, also check and supervision city economy and society of further development, become our country modern city can keep on develop of obstacle.Under the background that so, our country city underground space development from 90's ago of the person defend engineering construction change to 90's take“the city can keep on development” as a target of underground space development make use of of development strategy come up.At this time, underground engineering of construction seem to be is importance, this text pass to underground engineering of construction technique method of synopsis discuss, announced to public future our country of underground engineering of development foreground, and future of construction craft.
【Key words】Underground;Engineering;Construction;Outlook
1. 引言
在我国随着我国城市化进程的不断发展、进步,人民的物质生活水平的不断提高,城市出现了用房拥挤的情况,开发地下工程已成为城市发展壮大的必然,也是一个城市发展的亮点。
苔罗阿尼先生认为:所谓地下工程是指在开挖深度不到6m时,单凭经验施工也不会遭到失败,即使地基土质略差,用一般方法也能安全施工。在设计中过分保守是不经济的。另外,如果深度大于6m,需要涉及到土力学方面的一些问题。根据一些专家的建议,处理开挖时挡土墙周围地基的稳定问题,一般采用稳定系数Ns=γt•H/Cu,对Ns≤4为浅开挖,Ns≥7为深开挖,其中γt是湿土单位体积的质量(Kg/m3),H为开挖深度(m),Cu是土的不固结不排水剪切强度KN/m2。
2. 地下工程的关键技术
我国在地下空间开发过程中,发展了非常成熟的地下工程技术,其中具有代表性的是下列三项技术。
2.1 明挖技术(基坑技术)随着我国地下空间的发展,地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大,产生了大量的深基坑工程,并形成了种类齐全的多种基坑围护开挖技术。从支撑技术上形成并发展了重力式、支撑式、土锚式、土钉式等多种技术,从围护工法上形成并发展了简易围护墙法、木板桩法、钢板桩法、钢管桩法、灌注桩法、地下连续墙法、逆作法(又叫盖挖法)等多种工法。基坑工程的设计理论、计算方法也得到不断改进,基坑工程的设计规范也有一定的发展。
九十年代以来,基坑工程规模不断加大,深度不断加深,与建筑物等已有设施距离越来越近,推动了深基坑工程的设计向更高水平迈进,使我国基坑工程的设计施工进入环境设计阶段,促进了时空效应基坑工法的生产与应用,并达到国际领先水平。 该方法考虑时空效应,科学地利用土体自身控制地层位移的潜力,以解决软土深基坑稳定和变形问题。这种方法主要特点是设计与施工密切结合。在设计中,设计参数(如被动区水平抗力系数K)的取值从现场反应来确定;施工中,开挖与支撑的施工工序基本是按分块、分层、分步、对称、平衡的原则制定,并以科学的施工工艺,有效地控制基坑的变形。
2.2 暗挖技术(以隧道设计施工技术为代表)。在我国,大量的线形地下空间均是以暗挖法形成的。其中两项关键技术,适于软土(岩)地区的盾构法与适于硬土(岩)地区的新奥法(及矿山法)在我国均有较大的应用与发展。
2.2.1 盾构法。我国自六十年代研究开发盾构技术以来,已成功地采用盾构施工技术修建了几十条车行和水工隧道,盾构机械装备从早先的机械式盾构、网格挤压式盾构,在引进和消化国外技术的基础上,发展到今天的上压平衡盾构(EPB)、泥水加压式平衡盾构。隧道衬砌设计及计算机理论大致经历了起步阶段(主要是借鉴国外的设计原理进行刚性衬砌设计)、柔性衬砌阶段和目前正在进行的以地层移动理论研究为主的阶段,其集中在对隧道的纵向变形及隧道纵横向内力、变形的影响问题、衬砌厚度偏大问题、管片宽度偏小问题、纵向拼装错缝问题等方面的研究和开发。
2.2.2 从矿山法到新奥法。我国在硬岩中开发地下空间取得举世瞩目的成就,拥有世界上最多的山岭隧道。在近几年的成昆铁路、京九铁路及秦岭隧道建设与开发中,通过对国内外各种设计施工的招投标及研发,使得我国的硬岩地下空间开发技术达到世界先进水平,形成设计理论先进、施工技术完备的硬岩中地下空间开发技术。从设计方法上,从岩体松散压力控制设计的矿山法发展到岩体变形压力控制设计的新奥法,并且利用各种计算机数值法,对岩体中的变形受力机理能够进行比较准确的计算与预测。在施工技术上,由钻孔爆破法发展到TBM机法,施工机械化程度越来越高,喷锚与混凝土支护技术得到极大进步,开挖断面灵活多样,同时其他辅助技术,如岩爆预测技术、开挖面前方岩性与地下水探测技术等都有巨大进步。
2.2.3 托换技术。我国城市的密集与空间的紧张,在地下空间开发利用中,遇到大量的设施冲突、空间交叉及文物和环境等需要保护的情况,由此促进了托换技术的发展。托换技术是解决对原有建筑的地基需要处理和基础要加固的问题,和解决在原有建筑基础下需要修建地下工程以及邻近需要建造新工程而影响到原有建筑物的安全等问题的技术总称。
在我国大量的地下工程实践中,发展了基础扩大托换、坑式托换、预试桩托换、压入桩托换、打入桩或灌注桩托换、树根桩托换、锚杆静压桩托换、基础加压纠偏法托换、基础减压和加强刚度法托换、化学加固法托换、地下铁道穿越托换和结构物的迁移等门类齐全的多种托换技术,在城市建设和地下空间开发中发挥着不可替代的重大作用。
3. 地下空间开发利用展望
随着我国经济、科学技术水平发展、城市化水平的提高及城市可持续发展战略的贯彻,开发利用城市地下空间越来越表现出巨大效益和潜力,我国城市地下空间开发利用必将向现代化、国际化、科学化的方向发展。具体说来,我国城市地下空间开发利用事业将出现下述几个发展趋势:
3.1 综合开发利用的趋势。城市地下空间开发利用将不再是满足某一单项功能,将立足于城市的整体建设与功能要求,是多项城市功能的整合共容,如满足交通、商业、供给与环境等的大型综合体。同时,也不再是一种空间形态的孤立,而是由点、线、面、体等多种形态的空间灵活组合贯通的有机的、丰富的空间整体。
3.2 规划与设计理论的发展。建立在城市可持续发展与城市三维立体发展的战略思路上,将地下空间作为城市三维发展的一个维度,地下空间规划与设计理论将会逐步充实完善,其将指导城市科学地向地下延伸。
3.3 开发技术的发展。我国目前的地下空间开发的土木技术已接近或处于世界先进水平,但涉及到一些关键辅助设备等技术,如机具技术、计算机与电气控制技术、自动化技术等等,与世界先进水平还有大的差距,会影响到地下空间开发的规模与成本,将来随着对引进技术的消化吸收和加大研制开发的投入,将会逐步缩小这些差距。
3.4 法规与管理维护越来越完善。不仅有完备的法规、政策及管理措施和先进的维护技术水平,还将形成一整套推动地下空间综合开发利用的实体和管理部门。
3.5 环境要求与环境控制将被更加重视,相应技术工艺日益成熟。无人的城市地下空间设施会更加安全、高效,有人的城市地下空间设施会更加舒适、美观,地下空间内环境中的造景、幻境及地面环境模拟等技术会大大发展。同时,将更多地从环境保护、城市景观保护和历史文物保护的角度开发利用城市地下空间。
3.6 新工艺与新材料不断涌现。为了降低城市地下空间开发的成本与难度,并适应多种形态的地下空间的组合,满足多种设施功能的交叉与共容,高效、经济的施工工艺将会不断产生,尤其是机械挖掘技术与施工自动化技术会有较大进步。同时,新的建筑装饰材料尤其是地下防水与环境改善的材料也会不断涌现。
4. 地下工程引起的地质问题
城市地下工程具有现场环境条件复杂、施工难度大、技术要求高、工期长、对环境影响控制要求高等特点,是一项相当复杂的高风险性系统工程。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,已经出现并且孕育诸多工程地质问题。
4.1 地下工程开挖引起的工程地质问题。
4.1.1 地面沉降。
4.1.1.1 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:
(1)地下工程开挖引起的附加应力;
(2)地下工程施工对地层的扰动和地层损;
(3)地下水渗流引起的地下水位的变化。
4.1.1.2 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:
(1)地下水位下降引起的固结沉降;
(2)土体空隙水压力变化,引起土体的固结沉降;
(3)土体扰动后,重新固结后产生沉降;
(4)土体的次固结和流变。
4.2 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,一般不易察觉;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。
4.3 斜坡破坏。
斜坡破坏主要发生在山区城市,除直接经济损失外,还可能造成人员伤亡,其原因主要是:由于自然地质作用和工程地质作用引发的,而工程地质作用造成的斜坡破坏较自然地质作用频率大。当然决非任何斜坡破坏都能称为地质灾害,但斜坡破坏确属重大的地质灾害类型之一。
斜坡破坏主要形式为滑坡,其影响因素主要有岩性、构造、地形、地震、降雨及人类活动等。其中,许多山体滑坡现象是由地下工程活动引发的,即主要是由于地下工程的开挖或采掘影响到了上部的山体,使岩体开裂,地面倾斜,并在一定条件的配合下,导致山体失稳形成滑坡。在隧道建设中,滑坡现象主要发生在浅埋、偏压及进出口等地段,其危害常常比较严重。为评价斜坡岩土的稳定性,预防斜坡破坏导致的地质灾害,认识引起斜坡破坏的内在原因与外部条件,掌握其运动发展规律显得非常重要,尤其是当前在城市这个人类经济活动的密集区,斜坡破坏造成的经济损失和人员伤亡都是巨大的,都是由于工程活动不合理造成的。
4.4 地下水污染。
在城市环境地质中地下水的不良作用主要表现为地下水的侵蚀。地下水的不良作用和地下水污染主要由人为引起。随着经济持续稳定发展,人类活动加剧,对地下水的污染越来越严重,主要表现为:多数城市垃圾随意堆放;工业废水和废液不经处理或初步处理后任意排放。首先污染地表水,经地表水补给地下水或渗入地下水,再污染地下水,使地下水具有侵蚀性,对城市的建筑物基础及地下工程不断侵蚀破坏。
5. 防治措施
5.1 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。
5.2 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。
5.3 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。
5.4 做好现场监测,开展信息化施工技术。
地下工程是土体与围护结构体相互共同作用的一个动态变化的复杂系统,仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖和降雨等条件下支护结构与土体的变形破坏,也难以完成可靠而经济的开挖设计。通过施工时对整个工程进行系统的监测,可以了解变化的态势,利用监测信息的反馈分析,就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时,可做出预警,及时采取措施,保证施工和环境的安全;当安全储备过大时,可及时修改设计,削减围护措施。
5.5 积极采用新技术、新方法。
工程实践证明,采用基坑内降水、坑内侧土体加固(化学灌浆、石灰桩加固等)、及时支撑并预加轴力、增加挡墙的入土深度、墙外地层中筑帷幕、坑内降水坑外注水、分步开挖、逆作法施工、信息反馈施工法的采用等,对改善基坑变形、提高其稳定性有重要意义。计算机技术方法应广泛地应用到地下工程建设中,如进行数据分析与计算、计算机制图、计算机辅助深基坑设计、信息施工与管理等领域具有十分广阔的前景。
6. 结语
地下空间资源正越来越多被开发利用于各种领域,如地下轨道交通工程、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引起的地质问题及其防治措施具有相当重要的现实意义。
[文章编号]1006-7619(2010)08-26-869
【关键词】地下;工程;施工;展望
Concerning underground the construction of the engineering management technique and engineering cause of geology problem of discussion and analysisGuo Fang-hua
(Jiangsu yingzhou municipal services construction limited company Yancheng Jiangsu 224001)
【Abstract】Because the city turn progress of speed, city construction fast development, city scale continuously extension, city population sharply inflation, many city all dissimilarity the degree ground appeared building site strain, existence space hustle, the traffic jam, infrastructure fall behind, ecosystem disequalibrium, environment depravation etc. city disease, live life to bring to people very big influence, also check and supervision city economy and society of further development, become our country modern city can keep on develop of obstacle.Under the background that so, our country city underground space development from 90's ago of the person defend engineering construction change to 90's take“the city can keep on development” as a target of underground space development make use of of development strategy come up.At this time, underground engineering of construction seem to be is importance, this text pass to underground engineering of construction technique method of synopsis discuss, announced to public future our country of underground engineering of development foreground, and future of construction craft.
【Key words】Underground;Engineering;Construction;Outlook
1. 引言
在我国随着我国城市化进程的不断发展、进步,人民的物质生活水平的不断提高,城市出现了用房拥挤的情况,开发地下工程已成为城市发展壮大的必然,也是一个城市发展的亮点。
苔罗阿尼先生认为:所谓地下工程是指在开挖深度不到6m时,单凭经验施工也不会遭到失败,即使地基土质略差,用一般方法也能安全施工。在设计中过分保守是不经济的。另外,如果深度大于6m,需要涉及到土力学方面的一些问题。根据一些专家的建议,处理开挖时挡土墙周围地基的稳定问题,一般采用稳定系数Ns=γt•H/Cu,对Ns≤4为浅开挖,Ns≥7为深开挖,其中γt是湿土单位体积的质量(Kg/m3),H为开挖深度(m),Cu是土的不固结不排水剪切强度KN/m2。
2. 地下工程的关键技术
我国在地下空间开发过程中,发展了非常成熟的地下工程技术,其中具有代表性的是下列三项技术。
2.1 明挖技术(基坑技术)随着我国地下空间的发展,地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大,产生了大量的深基坑工程,并形成了种类齐全的多种基坑围护开挖技术。从支撑技术上形成并发展了重力式、支撑式、土锚式、土钉式等多种技术,从围护工法上形成并发展了简易围护墙法、木板桩法、钢板桩法、钢管桩法、灌注桩法、地下连续墙法、逆作法(又叫盖挖法)等多种工法。基坑工程的设计理论、计算方法也得到不断改进,基坑工程的设计规范也有一定的发展。
九十年代以来,基坑工程规模不断加大,深度不断加深,与建筑物等已有设施距离越来越近,推动了深基坑工程的设计向更高水平迈进,使我国基坑工程的设计施工进入环境设计阶段,促进了时空效应基坑工法的生产与应用,并达到国际领先水平。 该方法考虑时空效应,科学地利用土体自身控制地层位移的潜力,以解决软土深基坑稳定和变形问题。这种方法主要特点是设计与施工密切结合。在设计中,设计参数(如被动区水平抗力系数K)的取值从现场反应来确定;施工中,开挖与支撑的施工工序基本是按分块、分层、分步、对称、平衡的原则制定,并以科学的施工工艺,有效地控制基坑的变形。
2.2 暗挖技术(以隧道设计施工技术为代表)。在我国,大量的线形地下空间均是以暗挖法形成的。其中两项关键技术,适于软土(岩)地区的盾构法与适于硬土(岩)地区的新奥法(及矿山法)在我国均有较大的应用与发展。
2.2.1 盾构法。我国自六十年代研究开发盾构技术以来,已成功地采用盾构施工技术修建了几十条车行和水工隧道,盾构机械装备从早先的机械式盾构、网格挤压式盾构,在引进和消化国外技术的基础上,发展到今天的上压平衡盾构(EPB)、泥水加压式平衡盾构。隧道衬砌设计及计算机理论大致经历了起步阶段(主要是借鉴国外的设计原理进行刚性衬砌设计)、柔性衬砌阶段和目前正在进行的以地层移动理论研究为主的阶段,其集中在对隧道的纵向变形及隧道纵横向内力、变形的影响问题、衬砌厚度偏大问题、管片宽度偏小问题、纵向拼装错缝问题等方面的研究和开发。
2.2.2 从矿山法到新奥法。我国在硬岩中开发地下空间取得举世瞩目的成就,拥有世界上最多的山岭隧道。在近几年的成昆铁路、京九铁路及秦岭隧道建设与开发中,通过对国内外各种设计施工的招投标及研发,使得我国的硬岩地下空间开发技术达到世界先进水平,形成设计理论先进、施工技术完备的硬岩中地下空间开发技术。从设计方法上,从岩体松散压力控制设计的矿山法发展到岩体变形压力控制设计的新奥法,并且利用各种计算机数值法,对岩体中的变形受力机理能够进行比较准确的计算与预测。在施工技术上,由钻孔爆破法发展到TBM机法,施工机械化程度越来越高,喷锚与混凝土支护技术得到极大进步,开挖断面灵活多样,同时其他辅助技术,如岩爆预测技术、开挖面前方岩性与地下水探测技术等都有巨大进步。
2.2.3 托换技术。我国城市的密集与空间的紧张,在地下空间开发利用中,遇到大量的设施冲突、空间交叉及文物和环境等需要保护的情况,由此促进了托换技术的发展。托换技术是解决对原有建筑的地基需要处理和基础要加固的问题,和解决在原有建筑基础下需要修建地下工程以及邻近需要建造新工程而影响到原有建筑物的安全等问题的技术总称。
在我国大量的地下工程实践中,发展了基础扩大托换、坑式托换、预试桩托换、压入桩托换、打入桩或灌注桩托换、树根桩托换、锚杆静压桩托换、基础加压纠偏法托换、基础减压和加强刚度法托换、化学加固法托换、地下铁道穿越托换和结构物的迁移等门类齐全的多种托换技术,在城市建设和地下空间开发中发挥着不可替代的重大作用。
3. 地下空间开发利用展望
随着我国经济、科学技术水平发展、城市化水平的提高及城市可持续发展战略的贯彻,开发利用城市地下空间越来越表现出巨大效益和潜力,我国城市地下空间开发利用必将向现代化、国际化、科学化的方向发展。具体说来,我国城市地下空间开发利用事业将出现下述几个发展趋势:
3.1 综合开发利用的趋势。城市地下空间开发利用将不再是满足某一单项功能,将立足于城市的整体建设与功能要求,是多项城市功能的整合共容,如满足交通、商业、供给与环境等的大型综合体。同时,也不再是一种空间形态的孤立,而是由点、线、面、体等多种形态的空间灵活组合贯通的有机的、丰富的空间整体。
3.2 规划与设计理论的发展。建立在城市可持续发展与城市三维立体发展的战略思路上,将地下空间作为城市三维发展的一个维度,地下空间规划与设计理论将会逐步充实完善,其将指导城市科学地向地下延伸。
3.3 开发技术的发展。我国目前的地下空间开发的土木技术已接近或处于世界先进水平,但涉及到一些关键辅助设备等技术,如机具技术、计算机与电气控制技术、自动化技术等等,与世界先进水平还有大的差距,会影响到地下空间开发的规模与成本,将来随着对引进技术的消化吸收和加大研制开发的投入,将会逐步缩小这些差距。
3.4 法规与管理维护越来越完善。不仅有完备的法规、政策及管理措施和先进的维护技术水平,还将形成一整套推动地下空间综合开发利用的实体和管理部门。
3.5 环境要求与环境控制将被更加重视,相应技术工艺日益成熟。无人的城市地下空间设施会更加安全、高效,有人的城市地下空间设施会更加舒适、美观,地下空间内环境中的造景、幻境及地面环境模拟等技术会大大发展。同时,将更多地从环境保护、城市景观保护和历史文物保护的角度开发利用城市地下空间。
3.6 新工艺与新材料不断涌现。为了降低城市地下空间开发的成本与难度,并适应多种形态的地下空间的组合,满足多种设施功能的交叉与共容,高效、经济的施工工艺将会不断产生,尤其是机械挖掘技术与施工自动化技术会有较大进步。同时,新的建筑装饰材料尤其是地下防水与环境改善的材料也会不断涌现。
4. 地下工程引起的地质问题
城市地下工程具有现场环境条件复杂、施工难度大、技术要求高、工期长、对环境影响控制要求高等特点,是一项相当复杂的高风险性系统工程。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,已经出现并且孕育诸多工程地质问题。
4.1 地下工程开挖引起的工程地质问题。
4.1.1 地面沉降。
4.1.1.1 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:
(1)地下工程开挖引起的附加应力;
(2)地下工程施工对地层的扰动和地层损;
(3)地下水渗流引起的地下水位的变化。
4.1.1.2 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:
(1)地下水位下降引起的固结沉降;
(2)土体空隙水压力变化,引起土体的固结沉降;
(3)土体扰动后,重新固结后产生沉降;
(4)土体的次固结和流变。
4.2 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,一般不易察觉;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。
4.3 斜坡破坏。
斜坡破坏主要发生在山区城市,除直接经济损失外,还可能造成人员伤亡,其原因主要是:由于自然地质作用和工程地质作用引发的,而工程地质作用造成的斜坡破坏较自然地质作用频率大。当然决非任何斜坡破坏都能称为地质灾害,但斜坡破坏确属重大的地质灾害类型之一。
斜坡破坏主要形式为滑坡,其影响因素主要有岩性、构造、地形、地震、降雨及人类活动等。其中,许多山体滑坡现象是由地下工程活动引发的,即主要是由于地下工程的开挖或采掘影响到了上部的山体,使岩体开裂,地面倾斜,并在一定条件的配合下,导致山体失稳形成滑坡。在隧道建设中,滑坡现象主要发生在浅埋、偏压及进出口等地段,其危害常常比较严重。为评价斜坡岩土的稳定性,预防斜坡破坏导致的地质灾害,认识引起斜坡破坏的内在原因与外部条件,掌握其运动发展规律显得非常重要,尤其是当前在城市这个人类经济活动的密集区,斜坡破坏造成的经济损失和人员伤亡都是巨大的,都是由于工程活动不合理造成的。
4.4 地下水污染。
在城市环境地质中地下水的不良作用主要表现为地下水的侵蚀。地下水的不良作用和地下水污染主要由人为引起。随着经济持续稳定发展,人类活动加剧,对地下水的污染越来越严重,主要表现为:多数城市垃圾随意堆放;工业废水和废液不经处理或初步处理后任意排放。首先污染地表水,经地表水补给地下水或渗入地下水,再污染地下水,使地下水具有侵蚀性,对城市的建筑物基础及地下工程不断侵蚀破坏。
5. 防治措施
5.1 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。
5.2 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。
5.3 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。
5.4 做好现场监测,开展信息化施工技术。
地下工程是土体与围护结构体相互共同作用的一个动态变化的复杂系统,仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖和降雨等条件下支护结构与土体的变形破坏,也难以完成可靠而经济的开挖设计。通过施工时对整个工程进行系统的监测,可以了解变化的态势,利用监测信息的反馈分析,就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时,可做出预警,及时采取措施,保证施工和环境的安全;当安全储备过大时,可及时修改设计,削减围护措施。
5.5 积极采用新技术、新方法。
工程实践证明,采用基坑内降水、坑内侧土体加固(化学灌浆、石灰桩加固等)、及时支撑并预加轴力、增加挡墙的入土深度、墙外地层中筑帷幕、坑内降水坑外注水、分步开挖、逆作法施工、信息反馈施工法的采用等,对改善基坑变形、提高其稳定性有重要意义。计算机技术方法应广泛地应用到地下工程建设中,如进行数据分析与计算、计算机制图、计算机辅助深基坑设计、信息施工与管理等领域具有十分广阔的前景。
6. 结语
地下空间资源正越来越多被开发利用于各种领域,如地下轨道交通工程、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引起的地质问题及其防治措施具有相当重要的现实意义。
[文章编号]1006-7619(2010)08-26-869