高層建筑基坑施工中環(huán)境效應(yīng)(保護)及防治措施探討

吳建春

摘 要:高層建筑基坑工程施工對周圍環(huán)境的影響很大,需要采取合理措施對其進行保護。現(xiàn)就某高層建筑深基坑工程施工中出現(xiàn)的地面沉降、坑邊坍塌、基坑突涌以及圍護結(jié)構(gòu)變形等施工引起的環(huán)境問題進行討論,并提出環(huán)境保護的防治對策和措施。

關(guān)鍵詞:基坑開挖;環(huán)境效應(yīng);環(huán)境保護

隨著城市建設(shè)的現(xiàn)代化,建筑物不斷朝著高層空間和地下空間方向發(fā)展。地下空間被廣泛應(yīng)用,樁基和基坑的設(shè)計和施工成為基本建設(shè)中日益突出的問題。本文結(jié)合某高層建筑基坑圍護和沉樁工程所引起的環(huán)境效應(yīng),從工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、施工條件、圍護設(shè)計、事故原因、處理方法和處理效果等方面進行分析,以引起工程技術(shù)人員對環(huán)境效應(yīng)的重視。

1 基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)

1.1 地下水方面

降低地下水位,引起地面沉降。地下水位較高地區(qū),基坑開挖時,土的含水層切斷,地下水就會不斷地滲人基坑內(nèi)。為了保證正常的施工,就需要降低地下水位,地下水位降低后,在抽水影響半徑范圍內(nèi)土壤會產(chǎn)生新的固結(jié),從而引起地面沉降。地下水滲透破壞,引起坑邊土坍塌。 在開挖基坑時,基坑內(nèi)外地下水位存在一定的水壓差,在動水壓力作用下,基坑會發(fā)生流土、潛蝕現(xiàn)象,導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)松動和破壞,從而引起坑邊土坍塌?；油挥?導(dǎo)致基土開裂。軟土地區(qū)基坑經(jīng)常有承壓水的存在,當(dāng)開挖基坑達(dá)到一定深度時,承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板,造成突涌現(xiàn)象,導(dǎo)致基土開裂。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)變形方面

基坑開挖時為了防止邊坡失穩(wěn)一般進行圍護,但由于復(fù)雜的地質(zhì)條件及經(jīng)驗不足或不夠重視,表現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)方面主要有圍護體破壞和發(fā)生較大變形。圍護結(jié)構(gòu)自身破壞,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。由于支撐物受彎破壞或錨桿體系抗拔力不足,拉桿自身斷裂或拉桿及錨座的連接不牢所致。尤其在錨桿體系中最易發(fā)生。圍護結(jié)構(gòu)整體破壞,基坑隆起。由于圍護結(jié)構(gòu)嵌入深度不足所致,這種類型的破壞都會引起基坑隆起,并使地基土強度降低或失效。多發(fā)生在內(nèi)撐及錨錠式圍護結(jié)構(gòu)中,且坑底土為軟土至中等強度的粘性土(不排水剪Cu=12-50KPa)。圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形和位移,引起鄰近建筑設(shè)施的破壞。由于擋土結(jié)構(gòu)某一部分過大變形造成其它部分和鄰近建筑設(shè)施的過大變形或結(jié)構(gòu)性破壞。

2 防治對策

合理選用排水、降水方案。 基坑開挖時排降地下水方法很多,如明溝排水、井點降水、大口徑井群降水、其它排降水等。這些方法各有各的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢,但也有一定的適用條件,就是同一種方法,也存在著布設(shè)密度、深度、排量等因素的影響。因此,必須進行方案比選,選擇合理而可靠的方法,配以一定的輔助措施,才能預(yù)防地下水帶來的不良影響。

基坑開挖的圍護結(jié)構(gòu)宜結(jié)合防滲、截滲要求綜合考慮?；娱_挖時為了改善巖土的性質(zhì)及滲透水流的水動力條件,就需對坑壁進行圍護,且考慮應(yīng)如何做好防滲、截滲措施。圍護結(jié)構(gòu)很多,主要分加固型及支擋型,它們有各自的適用條件,要根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、結(jié)合工程性質(zhì)、規(guī)模等進行方案比選。選擇既可擋土,又能防滲的圍護結(jié)構(gòu)以節(jié)約工程造價。基坑開挖降水及圍護結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計、精心施工和嚴(yán)密監(jiān)測,這是保證工程順利施工的兩個基本條件。應(yīng)做好基坑周圍地表水的隔離和疏排及堆土對圍護結(jié)構(gòu)造成水平超載等問題。

3 基坑工程中的環(huán)境保護措施

對于基坑周圍環(huán)境的保護,人們積累了許多的保護經(jīng)驗,如選用剛度大的圍護結(jié)構(gòu)、進行基坑內(nèi)外的地基加固以提高土體的抗變形能力、對基坑近旁的建筑物和構(gòu)筑物進行地基加固或地基處理、在基坑與建筑物間設(shè)置隔斷樁或隔斷墻以及注漿保護、通過少量注漿影響變形傳播的途徑等措施;盡管保護方法千差萬別,但其作用的機理不外乎是減少基坑開挖的影響、提高圍護環(huán)境的抗變形能力、切斷影響途徑等3種。

3.1 精心設(shè)計基坑開挖和支護方案

時空效應(yīng)法是為解決深基坑整體穩(wěn)定和坑周地層位移控制問題、參考新奧法隧道施工中的時空效應(yīng)理論和大量軟土基坑實踐而提出的一種計算和控制基坑結(jié)構(gòu)變形及周圍地層位移的方法。通過大量的軟土基坑實踐,人們已經(jīng)意識到:在基坑施工過程中, 每個開挖步驟的開挖空間幾何尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數(shù)對基坑變形具有明顯的相關(guān)性?？紤]時空效應(yīng)的施工步驟的主要特點是:根據(jù)基坑規(guī)模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結(jié)構(gòu)體系的布置、基坑地基加固和施工條件,按照“分層、分塊、對稱、平衡、限時”的原則確定施工方案。時空效應(yīng)法強調(diào)設(shè)計與施工密切配合,一改以往設(shè)計與施工不符的現(xiàn)狀,實踐證明, 科學(xué)地制定考慮時空效應(yīng)的開挖和支撐的施工設(shè)計方案,能可靠、合理地利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力,達(dá)到控制坑周地層位移以及保護環(huán)境的目的。從工程實用性和可靠性出發(fā),在基坑支護結(jié)構(gòu)(擋墻、支撐及擋墻被動區(qū)加固土體)的內(nèi)力及變形計算中,采用彈性計算法所用的較簡單的力學(xué)模型和設(shè)計參數(shù)項目,但對其中反映基坑變形總體效應(yīng)的最主要的綜合參數(shù)——基坑擋墻被動區(qū)的水平抗力系數(shù),按一定的地質(zhì)和施工條件,做出經(jīng)驗性的修正。此綜合參數(shù)是土的力學(xué)性指標(biāo)和每一步基坑挖土的空間尺寸及暴露時間的函數(shù),其數(shù)值是根據(jù)在一定施工條件下基坑開挖中所測出的基坑變形數(shù)據(jù),經(jīng)反分析而得出的控制標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計外荷等依據(jù)的同時,合理地選定施工程序及施工參數(shù),以完善設(shè)計依據(jù)并提供實施設(shè)計的保證,從而有效地解決流變性地層中深大基坑的控制變形設(shè)計不符合實際的問題。

根據(jù)基坑工程設(shè)計所選定的主要施工參數(shù),按基坑規(guī)模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件,提出詳細(xì)的可操作的開挖和支撐的施工程序及施工參數(shù)。開挖和支撐的施工工序基本是按“分層、分步、對稱、平衡”的原則而制定的,最主要的施工參數(shù)是分層開挖的層數(shù)。每層開挖深度以及基坑擋墻被動區(qū)土體在基坑中間部分地層先開挖的工程中保留成支撐擋墻的土堤,此土堤斷面尺寸按其能抵住擋墻的要求而定,亦為主要設(shè)計參數(shù);嚴(yán)格按選定的施工程序和施工參數(shù)施工,就使復(fù)雜多變的施工因素變?yōu)檩^明確而有規(guī)律性的施工因素,其引發(fā)的時空效應(yīng)也能較好地符合設(shè)計預(yù)期的要求。在長方形基坑中,基坑開挖和支撐的施工技術(shù)要點是,按一定長度分段開挖和澆筑結(jié)構(gòu),在每段開挖中再分層。每層分小段開挖和支撐,隨挖隨撐,施加預(yù)應(yīng)力,每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定限值之內(nèi)。在不規(guī)則的基坑施工中,采用分層盆式開挖法,在每一層開挖中間部分并安裝或澆注此范圍的支撐,而后將各根支撐兩端支承擋墻的土堤,分步、對稱拆除并即時安裝或澆注其間頂住擋墻的部分支撐。每個分步的開挖和支撐施工時間,根據(jù)支撐方式等具體情況,給定明確的控制值。

3.2 基坑降水

為減少井點降水對周圍建(構(gòu))筑物造成的影響和危害,通常采取下列措施:采用全封閉形的擋土墻或其它的密封措施,如地下連續(xù)墻、鎖口鋼板樁、灌注樁、旋噴樁、水泥土攪拌樁等,將井點設(shè)置在坑內(nèi),井管深度不超過擋土墻的深度,僅將坑內(nèi)水位降低,而坑外的水位將維持在原來的水位;根據(jù)工程實際情況,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整井點管的埋置深度;一般情況下,井點管的埋設(shè)深度應(yīng)該使基坑內(nèi)的降水曲面在坑底下0.5～1.0m;如在沒有密封形擋土墻的情況下,基坑降水不僅使坑內(nèi)水位下降,也使坑外水位下降。如果在降水影響區(qū)范圍內(nèi)有建(構(gòu))筑物、管線等需要保護時,可在確?；硬话l(fā)生流砂和地下水不從坑壁滲入的條件下,適當(dāng)?shù)靥岣呔c管設(shè)計標(biāo)高; 井點降水區(qū)域隨著降水時間的延長,向外、向下擴張,若在兩排井點的當(dāng)中,基坑很快形成降水曲面,坑外降水曲面擴張較慢。因此,當(dāng)井點設(shè)置較深時,隨著降水時間的延長,可以適當(dāng)?shù)乜刂瞥樗亢统槲O(shè)備真空度。當(dāng)水位觀察井的水位達(dá)到設(shè)計控制值時,調(diào)整設(shè)備使抽水量和抽吸真空度降低,達(dá)到控制坑外降水曲面的目的; 采用井點降水與回灌相結(jié)合的技術(shù),在井點降水管井與需要保護的建筑、管線間設(shè)置回灌井點、回灌砂井或回灌砂溝,持續(xù)不斷地用清潔水沖洗,(以免土體發(fā)生孔隙堵塞,降低土地滲透性能而影響回灌效果)回灌,形成一道水幕,以減少沉降;井點應(yīng)連續(xù)運轉(zhuǎn),盡量避免間隙和反復(fù)抽水,因為每次降水都會產(chǎn)生沉降,增加反復(fù)抽水地次數(shù),使總的沉降量積累到相當(dāng)可觀的程度;為減少坑內(nèi)井點降水,減少降水曲面向外擴張,防止鄰近建筑物基礎(chǔ)下地基土因水位下降、水土流失而產(chǎn)生的沉降,在井點降水前,在需要控制沉降的建筑物基礎(chǔ)周邊,布置注漿孔,控制注漿壓力。

3.3 控制基坑變形的措施

在基坑工程設(shè)計時,應(yīng)考慮有關(guān)的影響因素:設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)環(huán)境要求選擇基坑位移的控制等級;基坑的最大的水平位移值,與基坑開挖深度、地質(zhì)條件及支護結(jié)構(gòu)類型等有關(guān),在基坑支護結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計滿足要求時,支護結(jié)構(gòu)水平位移最大值與基坑底土層的隆起抗力系數(shù)存在一定的統(tǒng)計關(guān)系;圍護體系的平面形狀與變形有一定的關(guān)系,從受力分析可知,圓形、弧形、拱形比直線形要好;工程實踐經(jīng)驗表明,在最不利的轉(zhuǎn)角位置、墻后地面和墻面容易出現(xiàn)裂縫,因此,圍護樁體系的平面形狀不一定非得與底板形狀一致。

基坑施工時,應(yīng)考慮相關(guān)影響因素:基坑圍護體系規(guī)律 ,其變形可以分為兩個階段,一是開挖到設(shè)計標(biāo)高時的變形,二是到底板結(jié)束時的位移。而第二階段的變形與基坑暴露時間有關(guān),暴露時間越長,風(fēng)險性越大;基坑工程的受力特點是大面積卸載,坑周圍和坑底應(yīng)力場從原始條件逐漸降低。基坑暴露后,及時鋪設(shè)混凝土墊層對保護坑底土體不受施工擾動、土體應(yīng)力松弛具有重要作用;基坑周邊超載,增加墻后土體壓力及滑動力矩,降低圍護體系的安全度;由于大量卸荷,坑周圍應(yīng)力場變化,地面或多或少會產(chǎn)生許多裂紋,降雨或施工用水進入土體會降低土體的強度,并增加土壓力。

結(jié)束語

高層建筑深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng),土的特性決定了基坑降水、開挖施工過程中坑內(nèi)、外土體必定發(fā)生變形,但是其變形大小和規(guī)律受多種不確定因素影響,因此采用“時空效應(yīng)法”并根據(jù)施工過程中的監(jiān)測信息反饋不斷修正設(shè)計和調(diào)整施工方法是比較值得推廣的一種方法。而僅靠理論分析和經(jīng)驗估計是難以保證工程安全施工的,如何對深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)作出一個定量的分析,有待設(shè)計及施工人員不斷地探索。

參考文獻(xiàn)

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