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深基坑开挖对环境影响的研究与分析论文

  【摘要】本文通过深基坑开挖对环境影响研究与分析的介绍,并结合深基坑开挖工程实例,提出了有针对性的进行环境保护的防范措施。
  【关键词】深基坑,开挖,环境影响,研究分析
  1深基坑开挖对周围环境产生的影响
  地铁深基坑工程一般由基坑围护结构、基坑内支撑系统、基坑降水等组成。围护结构、内支撑及基坑降水施工控制的好坏直接影响深基坑和周围环境的安全稳定,常见的地面沉降、周围建筑物倾斜、地下管线的沉降及拉裂、基坑坍塌等安全事故的发生多数都与以上三者有关。因此,控制深基坑开挖对环境的影响主要是控制好围护结构、内支撑及基坑降水的施工质量,如果以上三者任何一个方面得不到有效控制,势必会影响到基坑和周边环境的安全。
  1.1基坑围护结构不封闭引起地面沉降、房屋倾斜
  杭州地铁秋涛路站围护结构采用钻孔咬合桩支护,基坑开挖深18m(局部20米),地下水位在地表下1.0~1.6m处。由于钻孔咬合桩施工质量差,桩间出现开叉现象,基坑开挖后桩基开叉处大量漏水和涌砂,导致基坑北侧地面沉陷,地下管线拉裂,建筑物倾斜。
  1.2基坑涌水、流砂及其引起的地面沉陷
  南京地铁二号线集庆门站基坑开挖深度18m,基底位于淤泥质粉质粘土层内,且在基底以下22m左右以粉土和砂层为主,该层中含有承压水。在基坑开挖到基底后基底局部抵挡不住水头压力,产生管涌,造成大量漏水、涌砂,引起基坑两侧道路下沉开裂、房屋沉降和倾斜。
  1.3降水引起地面沉降
  南京东正大厦基坑工地西侧在97年11月28日下午发生长约30m,宽约1.0m,深为2.0m左右的地面塌陷事故,距其深基坑支护结构约为5.0m左右。造成的原因为基坑采用井点降水,周围地下水位降低,孔隙水压力减小,有效应力增大,引起土层压密,导致地面沉降。
  1.4基坑内支撑架设不及时导致基坑坍塌
  杭州地铁一号线湘湖车站08年11月15日基坑坍塌,地面沉陷约10米,造成人员伤亡约21人。究其原因其中有一点是基坑开挖后,第四道钢支撑架设不及时,地下连续墙受力过大而断裂,导致基坑坍塌。基坑开挖设置内支撑的主要作用是协助围护结构抵抗侧向土体压力。基坑开挖过深,支撑架设不及时,可能导致围护结构承受不住侧向土压力而开裂、折断,造成基坑坍塌。
  2减少对周围环境影响采取的防治措施
  由于在基坑支护结构上的作用具有许多不确定因素,以及在设计理论上存在着不完善现状,要避免产生重大基坑变形后对环境影响的最好办法是采取事先保护和过程保护两种预防为主的对策。因此,只要在基坑实施前和施工期间引起高度重视,采取有效的防治措施,则可将基坑开挖后对周边环境所产生的危害减至最小甚至根除。现以南京地铁二号线茶亭站为例研究分析基坑开挖所采取的防治措施对环境的最小影响。
  茶亭站沿水西门大街呈东西向布置。车站站址范围地势平坦,在车站周围主要有25层的千峰彩翠高层、锦江之星酒店、江东门纪念馆扩建分馆、框架6层的公安六处居民区等。车站设计总长163.3m,宽18.9~36.7m,基坑开挖深度约16.5m,为地下二层多跨箱形框架结构。车站场地地势基本平坦,场地地貌属于长江漫滩,地面标高在8.2~8.37m之间。基坑底板位于②-2b4层淤泥质粉质粘土层内,该土层地质性质表现为高灵敏度、高压缩性、高含水量、低强度等,局部有轻微震动液化土层。地下水丰富,影响工程的主要为浅层潜水,主要由大气降水和地表水补给,水位埋深约0.6~1.5m。
  2.1事先保护法
  事先保护法是在基坑实施前对工程地质和周围环境作深入调查,提出基坑施工时减少地层位移的施工工艺和施工参数,并针对环境允许的强度和变形,事先对周围环境采取工程保护如地基加固、隔断法、基础托换、结构补强等方法。如茶亭站底板位于淤泥质粉质粘土,不宜作为天然地基持力层,考虑地下连续墙内侧被动区土体及基坑内采用φ700mm双轴水泥土搅拌桩进行抽条加固,加固深度基坑底以下3m部分,水泥掺量15%。
  2.2过程保护法
  由于地下工程的不确定性,施工过程中各个阶段可能发生某些偏离预测值的情况或者在采取事先保护法时费用过大或不能完全彻底解决问题的情况,事先有所准备在施工过程中采取的动态保护方法,过程保护法主要从以下几个方面着手。
  1)加强深基坑围护结构施工质量控制
  南方地区深基坑围护结构主要有两个作用:一是支护作用,抵抗侧向土压力;二是止水作用,防止基坑外侧孔隙水(承压水)渗流到基坑内。因此围护结构施工需要卡控两个重点:混凝土灌注的连续性和垂直度。水下混凝土灌注不连续,在夹泥(渣)处形成应力集中点,墙(桩)体可能断裂;垂直度卡控不到位,造成围护结构前后错缝,左右开叉,容易形成渗漏水路径。如茶亭站围护结构采用0.6m厚地下连续墙,墙高32m,标准幅宽6m。连续墙成孔垂直度控制采用两侧观测的办法,液压抓斗正前方固定一线锤,侧面固定一线锤,液压抓斗呈自然垂直状态时,两线锤吊线分别对准液压抓斗右侧和内侧钢丝绳,在成槽过程中,观测线锤吊线是否与钢丝绳重合,若两线出现偏离,及时告知操作司机予以调整纠正。
  2)围护结构墙面渗漏水处理
  在开挖过程中会经常遇到支护墙上的局部渗漏。如果渗漏点的水量不大,而且水中基本上不夹带泥沙,此时只要凿除围护结构表面污渍及时用快凝水泥把漏水点堵住就可以了。如果墙面上出现具有一定压力的较大漏水,而且在水中夹带着较多泥砂,在开挖面上明显有泥沙沉积。此时,首先应该了解墙背水源补给情况,如有上下水管漏水,必须及时修复。待漏点的水压减低后,马上在基坑内把漏洞堵好。随后要进一步观察在开挖面上沿墙边附件有没有隆起、冒砂或冒气现象,在沉积的砂堆中仔细观察有没有存在渗水通道。如果存在这种现象,表面开挖面以下还有墙体施工质量,或者可能是支护结构抗渗流不够。这种情况下,应该暂停基坑内挖土,并根据具体情况立即采取补救措施。常规方法:一是用地质雷达等物探手段查明墙背土体中可能已经现成的空洞,以及空洞的位置和大小,然后用注浆或高压喷射等方法把空洞填实,增补隔水帷幕;二是在基坑内,把开挖面以下的沿着支护墙的那部分土层进行注浆加固,提高土体的抗渗性能。土体的加固宽度可取墙体在开挖面以下插入深度的1/2,加固深度一般不超过4m,或根据抗渗验算确定。
  3)基地管涌补救措施
  在基底出现管涌时需及时采取以下抢险补救措施:一是对内支撑结构(钢支撑、钢围檩等)进行排查补强,确保基坑围护结构的整体安全;二是以渗漏点为中心,在四周堆码土袋墙进行反压封堵并浇筑混凝土,在继续增加反压重量的同时将土袋墙连为一个整体遏止涌水;三是基坑外侧既有道路禁止所有施工车辆通行;四是加强坑内降水措施,降低水头差;五是及时采取高压旋喷及注浆的方法,对围护结构渗漏点外侧进行补强加固;六是加强监测,为进一步采取措施提供依据。
  4)及时架设钢支撑措施
  茶亭站基坑土方开挖时遵循“时空效应”,并严格按照“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点,采用“竖向分层,纵向分段、先支后挖”的施工原则组织开挖。车站竖向设置四道φ609(t=12或16)钢管支撑。支撑架设以第一段第二道为例进行说明:第二层土方开挖从东向西进行,先开挖至钢支撑顶部,沿两侧连续墙内侧分别开挖宽1.2米,深1米的沟槽,安装托架和钢围檩。钢围檩安装完毕后沿支撑位置掏槽开挖至支撑底部50cm,及时架设钢支撑,其它支撑依照此方法进行。
  2.3施工监测
  基坑开挖是个动态过程,与之相关的建筑物稳定和环境影响也是个动态过程,因此加强在施工过程中的监测,有助于快速反馈施工信息,以便及时发现问题并采用最优化工程对策;另外,通过对周边建筑物倾斜和沉降的监控量测来确保周边建筑物的安全。以南京茶亭站几个主要监测项目来分析和研究深基坑开挖过程中施工监测的重要性。
  1)钢支撑轴力监测 
  对日常测量的数据进行整理,发现各道钢支撑轴力变化曲线曲率变化较大,轴力随着土体开挖深度的增加而增加,在浇筑底板后趋于稳定。但有一段时间车站第一段竖向第三道支撑(安装有轴力计)轴力超过规范的限制并逼近支撑内力设计值,分析原因是施工设备来回行走和环境温度升降影响所致,项目及时采取限制车辆和对支撑降温措施,支撑轴力趋于正常。
  2)连续墙墙体水平挠曲监测
  车站第一段墙体在基坑开挖到底后挠曲变化最大值为17m处-20.4mm,根据监测数据分析:首先是基坑开挖过程中墙体的最大位移和深度及时间的关系非常密切,当基坑开挖到坑底时,横向位移并没有停止,仍在继续增加;其次是基坑土体挖除后,架设支撑不及时,没有有效的减少围护墙的变形。最后是墙体位移是随开挖发展的,超挖将导致墙体在支撑架设前产生超量位移,该位移一旦产生,通过施加预应力既不能使其回复,也不能减少因墙体位移而引起的地面变形。根据分析结果,施工方严格遵循时空效应原理控制每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸,及围护墙无支撑暴露面积和时间等参数,加快施工进度,有效的控制了基坑的变形。
  3)地面沉降监测
  根据地面沉降表和地面沉降曲线分析,地面在开挖过程开始沉降变化较大,最大沉降变化量累计为50㎜,地面沉降警戒值为24㎜,超过警戒值26㎜。通过结合其它监测项目对沉降监测数据分析,主要原因有:1、基坑的开挖施工期间,大型机械设备及施工车辆从基坑一侧通行,使地面碾压过多,加之基坑两侧的路面为改移后临时路面,路面基底回填质量相对较差,不密实,地面累计沉降过大;2、基坑开挖过程中支撑没有及时架设,基坑大面积暴露时间过长,引起墙体有微量的位移发生;3、站址所处的地层相对较为软弱,易压缩变形。
  4)地下水位监测
  车站采用基坑内深井降水技术。通过设计计算,基坑范围内共布置降水井数量11口,单口井深27m,抽水泵放置在25.2m承压水头的位置。并在基坑外布置地下水位观测孔8个,其中4个兼作回灌井(深度同降水井)。从各孔的水位监测数据来看,5个水位孔在降水过程中水位始终变化正常,SW7、SW8两个水位孔在连续几天内变化速率较大,其中SW8水位最大下降值达2.25m,经检查发现墙面有渗漏水,及时进行堵漏处理,几天后趋于稳定。分析主要是该水位孔附近的几幅地下连续墙围护结构为后续施工的单元槽段,施工过程护壁泥浆质量较差,造成墙体接头处夹泥,形成渗水途径,出现渗漏水情况。
  3结论
  深基坑工程开挖引起的环境效应是一个复杂的动态系统,土的特性决定了基坑降水、开挖施工过程中坑内、外土体必定发生变形,但是其变形大小和规律受多种不确定因素影响。因此,科学合理的基坑支护结构,施工过程的严格控制,突发事件的正确处理措施,并根据施工过程中反馈的监测信息不断修正设计和调整施工方法来保证周边环境稳定,是值得推广的一种方法。
  参考文献:
  [1]杨其新,关宝树.地下铁道话题.西南交通大学出版社.
  [2]建筑施工手册.中国建筑工业出版社,2003.9第四版.
  [3]江正荣.建筑施工计算手册.中国建筑工业出版社.  

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