城建中的环境地质问题及其防治

前言：随着城市建设的发展, 建设规模越来越大, 并向更高、更深、形状更复杂等方向发展, 同时对场区地质条件和周边环境的要求也越来越高, 导致的环境地质问题也越来越复杂, 危害程度越来越严重。

 所谓环境地质问题主要是由于人类活动改变了场区原有的地质条件和地质环境, 对人类社会的生活和生产造成不利影响和危害。为有效防止和减轻环境地质问题导致的灾害发生, 必须提高全社会对环境地质问题重要性的认识,更要求专业技术人员加强对环境地质问题的重视和研究。针对工程特点, 结合场区实际地质条件及周边环境, 预测工程建设导致地质环境的变化而可能产生的不良地质问题及危害程度, 并提出经济、有效的防治措施, 避免灾害发生, 从而达到发展建设、保护环境和防灾减灾的建设目的。

一、城建中环境地质问题的类型及破坏机理

1、城建中环境地质问题的类型

目前由于城市建设的发展而造成的环境地质问题主要包括:深基坑地下水疏干导致地面过量沉降; 基坑开挖边坡滑塌或支护工程失稳, 导致地面或周边建筑物的破坏;地下暗挖工程( 地铁、隧道等) 施工, 导致地面或周边建筑物的破坏。

2、城建中环境地质问题的破坏机理

地面沉降是指某一区域人为开采地下水导致地表浅层松散沉积物压实或压密引起地面标高下降的现象, 又称之为地面下沉或地陷。其特点是波及范围小, 但速率和幅度比较大, 对周边建筑物和城市建设危害极大, 必须采取有效措施予以防治。

在孔隙水承压含水层中, 抽取地下水所引起的承压水位的降低, 必然要使含水层本身及其上下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减少。根据有效应力原理可知, 土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力(u) , 它不能引起土层的压密, 故又称为中性压力; 而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成土层的压密, 故称为有效应力(σ、) ; 二者之和等于总应力(σ) ，

即: σ=σ、+ u

假定抽水过程中土层内部应力不变, 那么孔隙水压力的减少必然导致土中有效应力等量增大, 结果就会引起孔隙体积减小, 从而使土层压缩。由于透水性能的显著差异, 上述孔隙水压力的减小、有效应力增大的过程, 在砂层和粘土层中是截然不同的。在砂层中, 随着承压水头降低和多余水分的排出, 有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度, 所以砂层压密是“瞬时”完成的。在粘土层中, 压密过程进行得十分缓慢, 往往需要几个月、几年甚至几十年的时间; 因而直到应力转变过程最终完成之前, 粘土层中始终存在着超孔隙水压力( 或称剩余孔隙水压力) 。它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。

相对而言, 在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的, 而粘土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此, 在较低的有效应力增长条件下, 粘性土层的压密在地面沉降中起主要作用, 而在水位回升过程中, 砂层的膨胀回弹则具有决定意义。

此外, 土层的压缩量还与土层的预固结应力( 即先期固结力) 、土层的应力--应变性状有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也对土层压缩产生一定的影响。

若揭露有流砂性质的饱水砂层或具有流变特性的饱和淤泥质软土, 在开挖深度和面积较大的基坑时, 则有可能造成支护结构失稳, 从而导致基坑周边地区地面沉降。规模较大的隧道、涵洞的开挖有时具有更显著的沉降效应。降排水常作为基坑等开挖工程的配套工程措施, 旨在预先疏干作业面渗水, 其机理与抽取地下水引发地面沉降一致。

城建施工造成的沉降与工程施工进度密切相关, 沉降主要集中于浅部工程活动相对频繁和集中的地层中, 与开采地下水引起的降低主要发生在深部含水砂层有根本区别。

基坑开挖边坡滑塌或支护工程失稳, 主要是受力平衡的破坏。其稳定性分析是以极限平衡理论为出发点, 并考虑安全系数后, 评价其稳定程度。其实安全系数并不反映结构物真正的安全度, 一般所规定应满足的安全系数限值,仅为使所设计的结构物具有一定的安全储备, 而凭工程经验主观规定的数值。其实质上是基于大量不确定性的因素按确值法求得的, 只能作为参考, 而不是客观的、科学的、定量的表征安全或稳定的尺度。

基坑开挖边坡滑塌或支护工程失稳, 导致基坑或边坡周围产生地裂缝, 主要特征表现为发育的方向性、延展性和灾害性的不均一性和渐进性。

地裂缝常沿一定方向延伸, 在同一地区发育的多条地裂缝延伸方向大致相同。地裂缝以相对差异沉降为主, 其次为水平拉张和错动。地裂缝的灾害效应在横向上由主裂缝向两侧致灾强度逐渐减弱, 而且地裂缝两侧的影响宽度以及对建筑物的破坏程度具有明显的非对称性。在剖面上, 危害程度自下而上逐渐加强, 累计破坏效应集中于地基基础与上部结构交接部位的地表浅部十几米深的范围内。

地裂缝灾害是因地裂缝的缓慢蠕动扩展而逐渐加剧的。因此, 随着时间的推移, 其影响和破坏程度日益加重, 最后可能导致房屋及建筑物的破坏和倒塌。

二、城建中环境地质问题造成的危害

1、地面沉降的危害

地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的。其主要危害表现为地面标高损失, 继而造成雨季地表积水, 防泄洪能力下降; 沿海城市低地面积扩大、海堤高度下降而引起海水倒灌; 海港建筑物破坏, 装卸能力降低; 地面运输线和地下管线扭曲断裂; 城市建筑物基础下沉脱空开裂; 桥梁净空减小, 影响通航; 深井井管上升, 井台破坏, 城市供水及排水系统失效等。

城市建设造成的地面沉降是局部的, 有时也是不可逆转的。城市建设按施工对地基的影响方式可分为以水平方向为主和以垂直方向为主的两种类型。前者以重大市政工程为代表, 如地铁、隧道、给排水工程、通信工程、电力工程、输气工程、道路改扩建工程等, 利用开挖或盾构掘进, 并铺设各种市政管线; 后者以高层建筑基础工程为代表, 如基坑开挖、支护、降排水、沉桩等。

2、地裂缝的危害

地裂缝活动使其周围一定范围内的地质体内产生形变场和应力场, 进而通过地基和基础作用于建筑物。由于地裂缝两侧出现的相对沉降差以及水平方向的拉张和错动,可使地表设施发生结构性破坏或造成建筑物地基失稳。

三、城建中环境地质问题危害的预测与防治

1、城建中环境地质问题危害的预测

为确保城建中避免发生环境地质问题, 保证基坑支护工程安全及降水施工对周边建筑物不会造成不利影响, 必须对城建过程中有可能发生的环境地质问题进行预测, 并在施工现场布置观测系统, 确保做到信息化施工, 以便发现问题及时采取处理措施。

主要观测内容包括地下水位观测、基坑支护桩桩顶水平位移观测、支护桩桩身位移及邻近建筑物的沉降和地面裂缝观测等。

观测过程中应随时分析整理各观测点观测数据, 位移速率加快或接近报警值时, 应加密观测间隔, 并采取有效措施, 确保支护结构安全。

观测项目报警值应按设计要求和工程具体情况给定,邻近建筑物的报警值可按《建筑地基基础设计规范》中的允许变形和差异沉降等控制。加强监测人员的质量意识, 严格按照监测方案及有关规程、规范作业。及时填写观测记录表格, 发现异常情况及时处理。

2、城建中环境地质问题危害的防治

为避免由于城市建设造成的环境地质危害, 必须充分分析建筑物周边的工程地质条件、水文地质条件及环境条件( 周边建筑物位置、规模、基础形式、动静荷载的分布、地下管网的分布等) , 提出经济、合理的保护方案, 确保周边环境安全。主要应考虑:①合理布置降水井位置; ②控制地下水开采量;③对地下水开采层位进行人工回灌;④充分利用地层条件, 尽可能考虑非降水措施, 采取护坡桩与防渗帷幕相结合等支护形式, 避免由于人工降低地下水而带来的不良环境地质问题;⑤尽可能利用地层优势进行削坡卸荷, 避免地面堆载;⑥合理选择坡度、坡形及支护方式等。

四、结语

(1) 实践证明忽视环境地质问题造成危害的后果是非常惨重的, 因此必须引起足够的重视。

(2) 为确保建筑区周边环境的安全, 必须充分分析场区的工程地质条件、水文地质条件及环境条件, 提出经济、合理的保护措施。

(3) 必须加强环境地质问题的预测, 并在施工现场布置观测系统, 做到信息化施工, 以便发现问题及时采取处理措施。

(4) 进一步研究基坑支护新技术、新工艺, 不断积累地区经验是非常重要的, 它可确保工程安全、缩短施工工期和降低工程造价。