基坑施工中的环境问题

摘要:基坑是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。由于

其所处的地理位置特殊，其施工过程中面临着许多不可预见的环境问题，本文主要介绍基坑开挖，特别是深基坑开挖过程中所遇到的环境问题，并提出了一些预防和治理措施。

关键词:基坑环境；防治措施；基坑开挖

1．前言

随着科学技术的不断发展以及人口的增长，特别是城市人口的增长，土地资源日益短期,高层建筑不断涌现,因而基坑的开挖深度也越来越深,开挖环境日益复杂,基坑开挖的支护问题日益突出。基坑工程施工过程中,如果忽视对环境问题的研究,不合理地利用、改造和保护环境,就会使周边环境受到破坏,而最后遭殃的仍然是我们自己。因此,如何在日复杂的条件下,尽可能地减小基坑开挖带来的环境问题,是未来基坑工程面临的重大课题。

2．基坑工程施工过程中引起的环境问题及其处理措施

2.1基坑开挖过程中所遇到的环境问题多种多样，其中包括开挖过程中对周围环境、水文地质环境的影响，以及桩基施工对环境的影响，支挡结构变形、破坏等造成的环境问题等。 2.1.1基坑开挖对周围的影响 2.1.1.1对相邻建筑物的影响

当基坑周边影响范围内存在建筑物时,在方案设计前,应充分调查了解周边建筑物的情况,包括建筑物高度、结构形式、基础形式及埋深、建筑物使用功能等,以评估建筑物与基坑间的相互关系,有针对性地采取措施,确保基坑的稳定和建筑物的安全。 2.1.1.2对地下管线的影响

地下管线的敷设越来越密集,各种管线的埋藏深度不同,对变形的敏感程度也不同。市区内的地下管线主要包括自来水管、电力电缆、电信管线、通讯光缆、煤气管道、供热管道、雨水及污水管道等,埋深一般在地表以下1～4m范围内。地上管线对变形的敏感程度主要取决于接头的构造。基坑开挖后,由于坑底隆起或支护结构位移引起坑外地层移动,相应地引起沉降变形,而地上管线也随之下沉,引起管线的挠曲变形,当管线的变形超过其承受限度时造成管线的破坏。一些重要管线如煤气管道、高压电缆、通讯光缆等一旦被破坏,其后果是十分严重的,应予以足够的重视。 2.1.1.3对周边环境的影响

基坑工程往往位于城市的中心地带,周边环境比较复杂,一旦因基坑开挖引起周边环境的破坏,如道路裂缝、地表沉陷、管线破裂、建筑物变形受损等,其影响与损失巨大。基坑开挖对环境的不利影响主要有以下几个原因:

(1)支护结构产生了过大的变形,从而导致坑外土层的移动,使地表产生沉降。支护结构的破坏分两个层次,一是失稳破坏,二是过大变形。支护结构的失稳破坏,不仅对整个地下室工程造成严重的经济损失,严重时将影响整个建设项目的成败;支护结构在未失稳倒塌的情况下若发生过大的变形,虽然未必会对地下工程造成严重后果,但过大的变形同样会导致周边环境的严重破坏。

(2)基坑降水或排水等导致局部地下水位下降,土层产生压密,引起地表塌陷、不均匀

沉降。当地下水位升降变化只在地基基础底面以下某一范围内发生变化时,对地基基础的影响不大,地下水位的下降仅稍增加基础的自重。当地下水位在基础底面以下压缩层范围内下降时,岩土的自重应力增加,可能引起地基基础的附加沉降,如果沉降不均匀或地下水位突然下降,可能使建筑物发生变形破坏。

(3)在基坑开挖过程中,因措施不当引起涌砂、坑外水土流失,从而在支护结构外侧形成地下空洞并导致地层沉陷。一般来讲,在地下水位高、含水层渗透性好的场地开挖基坑,当基坑周边存在对沉降变形敏感的建筑物、道路、地下管线与设施时,应当采取止水措施,截断基坑内外的水力联系;或采取降水与回灌措施,维持基坑外地下水位的稳定。在采取了止水帷幕的基坑支护系统中设置锚杆时,还应注意在砂层中成孔时防止孔内涌砂导致坑外地面下沉现象的发生。

(4)基坑工程对周边环境的影响还有施工振动与噪声的影响。在居民生活区内开挖基坑时,施工产生的振动及噪声问题尤为突出。在基岩中开挖基坑时,因爆破产生的振动会对环境产生不良影响,应予以重视,在方案设计与施工中应考虑到这些因素的影响。 2.1.2基坑开挖对水文地质环境的影响 2.1.2.1流砂

地下水在渗流过程中受到土骨料的阻力作用,那么土骨架必然受一个反作用力,对于单位体积内土颗粒所受到的渗流作用力称之为动水压力或渗透力。基坑开挖后,通常情况设置了止水帷幕,降低基坑内的地下水位后,由于基坑外地下水位高于基坑内地下水位,则在围护墙后地下水流方向侧重向下,动水压力方向基本向下,此时动水压力的存在增加了土体的有效应力,当地下水流绕过围护墙体和止水帷幕后,在基坑内其水流方向则变成向上,此时动水压力方向与重力方向相反,减小了土粒之间的压力。当动水压力大于或等于土的浮容重时,土颗粒处于悬浮状态,土的抗剪强度等于零,土颗粒随渗流的水一起流动,产生了流砂。 2.1.2.2管涌

在渗透水流作用下,土中的细颗粒被冲走,使土的孔隙不断扩大,若水头梯度很大,细粒土在动水力作用下沿粗颗粒孔隙随水流走,导致土体结构的破坏,土体失去稳定,渗流速度不断增加,逐渐形成管状渗流通道,造成土体塌陷,即出现管涌。管涌严重时会产生地表塌陷,影响基坑周围建筑物和地下管线安全。管涌引起的危害是严重的。为了防止流砂与管涌现象发生,可采取如下措施:设置防渗帷幕,如采用冻结法,或者打设板桩、搅拌桩或地下连续墙,增加渗流路径以减小水头梯度;人工降低地下水位,尽量消除基坑内挖方土层的动水力。

2.1.2.3基坑突涌

若基坑下存在承压水,在开挖过程中,当基坑底部隔水层的厚度减小到一定程度时,承压水的水头压力会冲破基坑底板,形成突涌现象,因此当基坑底部与承压水层相距很近时,应确定足以防止基坑被水冲破的最小隔水厚度。流砂、管涌、基坑突涌这三种现象一旦发生,则对基坑产生的破坏是极其严重的,同时也会对基坑周边环境造成严重影响。但这三种现象却较易控制。只需加强勘察工作,在围护结构设计时进行必要的验算即可避免。 2.1.3基桩施工引起的环境效应

基坑中的基桩几乎包括了所有众多的桩型,常用的桩型有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、

人工挖孔桩、水泥土搅拌桩等,此外还有拉森式钢板桩、钢筋混凝土预制桩等。基坑中的基桩施工,特别是采用人工挖孔桩,在软土地区,有时带来的不良环境效应也是严重的。在城市密集区不宜采用该桩型。基桩采用预制桩,也会对邻近工程基坑的围护结构带来危害,但基坑中的基桩如果数量较多,密布于墙前时,就会在基坑内形成复合地基,这种复合地基的刚度显然较大,其对减少支护结构的水平位移又将起到积极的作用。可见为了有效地减少围护桩、基桩施工所带来的不良环境效应,应根据基坑的地质情况及基坑周边环境,选择合理的桩型、合适的施工工艺,做到精心施工是能够降低其带来的不良环境效应。 2.1.4支护结构发生变形和位移引起的环境问题

2.1.4.1支护结构发生变形和位移引起的环境问题主要表现在:

（1)自身破坏导致的边坡失稳; （2)整体破坏导致的基坑隆起; （3)发生变形和位移引起邻近建筑设施破坏。

2.4.2支护结构发生变形和位移引起环境问题的原因如下:

（1)基坑地基土卸载改变坑底原始应力状态,在基坑开挖时土体中自重压力减小,土体弹性效应使基坑底面产生一定的回弹变形,坑底表现为弹性隆起,其特征为坑底中部隆起最高,弹性隆起在基坑开挖停止后很快停止,基本不会引起坑外土体向坑内移动,随着开挖深度的不断增大,坑内外高差所形成的加载和地面各种超载的作用使围护墙外侧土体向坑内移动,使坑底产生向上的塑性变形,其特征为两边大中间小的隆起状态;

（2)在基坑周围产生较大的塑性区,并引起地面沉降;

（3)基坑底面暴露时间过长或基坑积水,一方面使得粘性土吸水体积增加,抗剪能力降低,回弹变形增大,另一方面,由于粘性土的流变性,将增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移,从而增加地表的沉降;

（4)支撑物受破坏或锚杆体系抗拔力不足,拉杆自身断裂或拉杆及锚座的连接不牢等引起支护结构体系承载力丧失,支护结构嵌入深度不足引起基坑隆起,并使地基土强度降低或丧失。

2.1.5止水帷幕渗漏水环境问题

基坑止水帷幕的内因是止水帷幕本身存在缺陷,诸如地下连续墙接缝不吻合或在透水层处有蜂窝空洞；拉森式钢板桩沉桩遇石等硬物出现偏移不绞缝；旋喷止水桩在水下成型不佳等。

产生渗透的外因是场地的水文工程地质条件不好或由于基坑开挖深度大,周围的动水压力和土压力相对增大,导致挡土止水帷幕挠曲或侧移。当止水帷幕产生渗漏时,往往来势猛又突然的大量漏水漏砂,边坡失稳、坍塌、倒桩及附近建筑物、路面急剧沉陷等。

2.2基坑施工过程中容易造成的安全事故分析

处于以上基坑工程队环境的影响，基坑工程施工过程中很容易造成对环境的破坏，从而酿成事故。加之基坑工程是一项复杂的系统工程，基坑工程包括诸多方面,比如勘察、设计与施工等都是最主要的环节，如果有哪一项处理不当都可能酿成事故，造成巨大的损失。造成事故的主要因素有以下几个： 2.2.1人为因素。

包括勘察设计不够全面，施工过程中偷工减料，劳动者的素质较低安全意识淡薄，以及工人操作不当等。

2.2.2地下水渗漏的影响。

在开挖过程中,经常会遇到支护墙上的局部渗漏,这些渗漏主要是由于施工质量引起的。如果渗漏点的水量不大,而且水中基本不夹带泥沙,及时用快凝材料将漏水点堵住即可。

2.2.3承压水的影响。

在基坑底部有承压水,而且坑底的不透水土层又没有足够的厚度时,容易使坑内土体产生较大的隆起,严重时可能冲溃基坑底部的不透水层,在基坑外侧土体顶面引起较大的地面沉降。在发生隆起破坏之前,从支护墙边以及支撑立柱四周可能会看到冒水、冒砂现象。对待承压水,可以采用穿过坑底不透水层的减压井处理。

2.2.4土体变形的影响。

如果支护结构强度不足,墙体刚度较小,插入深度不够,或在墙后有大量的水土流失,有可能会引起土体滑动,使支护构件遭到破坏,甚至导致整个支护结构倒塌;在地面形成裂缝,产生大量沉降甚至塌陷;在基坑内产生大量隆起,使主体工程的工程桩产生位移。同时,使周围环境受到严重破坏。 2.3防治措施 基坑的施工过程中，不能一味的追求速度，而忽略了对环境的保护，要采取预防为主防治结合的方针，在未出现环境问题前就采取相应的预防措施，设计应急方案，一旦出项事故立刻补救，切忌隐瞒。对周围环境的保护应采取经济合理、安全可靠的技术方案，将对环境的影响降低到最小。 2.3.1合理选用降水、支护方案

基坑开挖时排降地下水方法很多,如明沟排水、井点排水、大口径井群排水、其他排水等。这些方法各有自己的技术经济优势,但也有一定的适用条件,就是同一种方法也存在着布设密度、深度、排量等因素的影响。降水设计应体现以下目标:①合理选择基坑降水井井位与降水量,使坑内水压力至少低于开挖底板1m,坑外地下水压力坡降平缓。②合理选择抽水井数量,使施工成本最低。③合理制定运行方案,使开挖期间以最少的抽水量保证基坑与环境最大限度的安全。因此,必须进行方案比选,选择合理而可靠的方法,配以一定的辅助措施,才能预防地下水带来的不良影响。另外基坑开挖的支护宜结合防渗、截渗要求综合考虑。基坑开挖时为了改善岩土的性质及渗透水流的水动力条件,就需对坑壁进行支护,且考虑应如何做好防渗、截渗措施。支护结构很多,主要分加固型(如水泥搅拌法、高压旋喷桩、注浆加固等)及支挡型(如桩排、地下连续墙、沉井等),它们要根据各自的适用条件、工程地质及水文地质条件,结合工程性质、规模等进行方案比选。选择既可挡土,又能防渗的支护结构,以节约工程造价。 2.3.2隔断体的保护

当邻近建(构)筑物的基础部分或全部座落在基坑开挖影响边界线范围内时,设计人员应引起足够重视,当基础有部分落在基坑开挖影响边界线范围内时,一般应采取措施,避免或减少土体变形对建(构)筑物的影响,可在需保护的建(构)筑物与基坑挡土结构之间设置隔断体,隔断体可采用钻孔灌注桩、高压旋喷桩、深层搅拌桩、树根桩等构成墙体,其作用

主要承受施工引起的侧向土压力,也可起到阻挡局部水土可能出现的流失等作用。设计计算以建(构)筑物所要求的变形及隔断体本身的强度控制。 2.3.3基坑周围管线的保护

在围护设计开始前,一定要做好管线的排查工作。设计时应适量布置监测点,对轻型管线可迁移至安全区域,或者直接开挖暴露,及时跟踪调整管底变形,基坑工程结束后再进行覆埋。对于无法迁移的大口径管线可采用隔断法进行处理,当水平位移能满足要求而沉降不能满足要求时可采用注浆法处理,并在施工过程中加强监测,注浆法的加固深度应大于影响边界线。

2.3.4信息化施工，重视反馈

基坑工程施工要求实现信息化施工,即对基坑实行全过程全天候监测,以及早发现隐患,及时进行处理。在基坑方案设计中,除应强调支护结构的变形监测外,还应突出基坑环境监测措施并制定控制标准;对周边环境中需要重点保护的对象,宜采取针对性的保护措施。

3．结语

日益严峻的人口和土地问题告诫我们，环境问题不容忽视，必须高度重视基坑施工对环境的影响。为了保障基坑工程的顺利进行,减少基坑开挖施工对周边环境的影响,必须了解基坑开挖施工对环境的各种影响,分析基坑事故的原因,从而采取针对性的预防措施,使基坑开挖施工对环境的影响控制在周边环境允许的范围内。

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