地下工程建设中应注意的问题.doc

岩土力学Rock and Soil Mechanics地下工程建设中应注意的问题廉得瑞（北京市勘察设计研究院，北京市海淀区羊坊店路15号，100036）摘 要 在地下空间开发利用过程中，遇到了一系列的工程问题。这些问题主要出现在规划、设计、施工等环节。通过对各环节分析，阐述了出现的问题，指出发生问题的原因与处理方法，并以某些具体问题实例说明，期望对今后的工程建设有所裨益。关键词 地下空间 基坑防水 基坑支护 施工肥槽 In the underground engineering constructionshould pay attention questionLianderui（Beijing prospects the design research institute, Beijing Haidian Disctrict Yang Fangdian road 15，100036）Abstract In the underground spatial development use process, has met a series of projects question. These questions mainly appear in link and so on plan, design, construction. Through to various links analysis, elaborated appears the question, pointed out gives rise to a question or problem the reason and the processing method, and showed by certain concrete question examples, expected will have a benefit to the next engineering construction.The key word underground space；Hole excavated for building foundation waterproofing；Retaining and protecting for foundation excavation；Constructs the fat trough廉得瑞，1963年生，高级工程师，主要从事岩土工程勘察工作1 引言目前，为了建设开发、节约土地资源，逐步向地下空间发展，如兴建大规模的地下管廊、地下通道、地下商业及地下车库等项目。地下管廊、地下通道项目的特点一般是线路纵向很长、横向相对较窄、基础埋藏深度不一及结构荷载很轻等；地下商业、地下车库项目的一般特点除了结构荷载较轻外，还有基坑开挖面积很大、基坑开挖较深等。在工程建设中，由于存在这些工程特点，常常引发了诸多岩土工程问题及环境问题，表现在工程建设项目的规划、设计、施工等过程，及与周围环境的相互影响。本文主要是根据工程建设中曾经遇到的某些问题来阐述在未来的地下工程建设中应注意的关键点。2 规划方面由于地下工程的占地平面范围很大，或者带状延伸很长，在工程建设时其施工影响范围很大，往往会直接碰到现有的地面建筑（包括地下室）及现有的地铁，或者已经规划但尚未敷设的地铁。规划此类工程时应充分调查与此类建（构）物之间的平面位置关系，既要考虑地面建设的景观问题，又要考虑地下工程的使用功能，达到相互协调。因此对拟要建设区域应进行总体规划，全面分析，和谐统一，同时应尽早规划，为后续的设计留出充足时间，以便施工有明确的依据，避免在后续的施工过程中需要大范围的图纸变更。3设计方面地下工程的方案设计一般要涉及到防水、边坡支护及建筑变形等问题，只有重视了这些问题，才能保证建筑的稳定与安全。3.1 抗浮验算由于地下工程的结构荷载一般很轻，如果当地的地下水位埋藏较浅，结构自重是否能抵抗住地下水的浮力，需要进行基础的抗浮稳定性验算。验算用的抗浮水位深度一般不仅仅是勘察时建设范围内的实测水位，还要考虑区域地下水状况、未来可能影响场地的高水位情况，同时要根据历年最高水位、近35年最高水位和建设场地实际测量的地下水测压曲线等，并根据基础的埋置深度构建模型来综合确定。3.2 防渗设计在地下工程建设中，防渗是非常重要的。因为地下空间深于地表，且一般埋藏较深，地下结构常常位于单个或多个含水层以下，同时受地表水（包括大气降水、上（下）水管道漏水等）影响很大，这样地下空间建设过程中周围所形成的地下水渗流场是很复杂的，渗流压力会作用于地下空间结构的顶部、侧壁及底板，而且每个部位的渗流压力也是有差异的。如果地下结构的强度不足，产生裂缝，随之使防水材料被破坏，则会导致地下空间内进水。尽管地下结构本身可能不会产生失稳，但会影响地下空间的正常使用。3.3 地基承载力对地下车库来说，一般基础埋深大致是相同的，所涉及的地基持力层一般是单一的，鉴于基坑开挖较深，地下结构荷载一般较轻，因此地基承载力一般能满足规范与设计的要求。对地下管廊或地下通道来说，因其线路很长，通道埋深差异一般会很大，其基础持力层一般涉及很多，而每层土的软硬是不一样的，特别是有时遇到古河道或基础埋藏很浅会遇到人工填土层时，需要对软土层进行地基加固处理。3.4 地基变形由于地下空间工程的结构荷载较轻，因此建筑总沉降一般可以满足规范与设计的要求，但可能存在差异沉降问题，主要是地基土层的不均匀形成的。因为地下空间平面范围很大，所涉及的地基土质大多是多个土层，如一部分是砂卵石，而另一部分可能是相对软弱的粘性土，或者人工填土、古河道等，尽管地基承载力和总沉降能够满足设计要求，但沉降差异过大时也可以导致建筑结构开裂问题，一般需要分段设置施工变形缝、施工后浇带等以调节不均匀沉降，若仍不能满足设计要求时，应该对地基软弱部位进行地基加固处理。4施工方法由于地下工程大都埋藏很深，同时有时穿越地面道路等，在施工开挖土方时，既要考虑经济因素，也要考虑现场环境因素，应选择适宜的施工方法。在经过认真分析、多方案技术比较论证、严格测算情况下，合理确定基坑开挖方式，如采用明挖方法，或者暗挖方法。4.1 明挖方法明挖方法施工，便于机械操作，同时可以节约工程造价，在现场具体作业条件时应尽量采用。具体实施时存在以下问题：（1）地面建筑拆迁土方工程施工，要进机械设备，修建道路，施工降水排水、边坡支护，进料堆料等，这些工序都需要有施工工作面。因此，要注意拆迁范围，不仅仅是建筑基坑占地本身。（2）降水如果基坑底面位于地下水位以下时，应考虑进行施工降水，以便可以干槽施工，保证边坡支护结构的稳定。（3）边坡支护问题基坑一般较深，要保证边坡的稳定与安全，需进行边坡支护。边坡支护设计时要充分考虑地面附近已有建筑、地下已有的各种管线（上下水、热力、天然气）等。（4）基槽土质开挖后的基坑，若在丰水季节（雨季）会存在泡槽问题，应设置防雨措施，尽量避免出现泡槽现象。一旦基坑被泡应及时排除积水，并在做混凝土垫层前进行清槽工作，将所有水泡软土全部清掉，清除过程中应铺设木板作业，避免对很湿的槽底土质踩踏、料车碾压等。（5）基坑位移监测对基坑侧向位移的监测应非常重视。因为基坑范围很大，侧壁地基土质的差异可能是很大的，同时地下水条件的复杂性，边坡支护设计方案很难考虑全面，因此有时尽管支护设计合理、基坑可能不会整体出现大问题，但常常难免发生局部基坑坍塌现象。对基坑位移的监测，可以达到早预报、早预防、减少危害之效。（6）施工安全由于大多基坑四周处在闹市区，或与其它建设工程同步施工，设置四周围挡、警示牌是非常必要的。4.2暗挖方法暗挖方法施工，可以减少对地面交通的影响，但工程造价较高。具体实施时存在以下问题：（1）降水处在地上交通繁华地段，地下设施丰富地段，大量的降水会导致地基土的附加沉降，该沉降可能引起原有地下管线的开裂，如为上（下）水管、污水管等其渗水后将造成洞顶、洞壁土质的软化、塌落。因此应根据周围环境状况、地基土质、地下水水量确定适宜的降水方案，同时应考虑减小地面沉降的措施，如同时进行地下水的回灌等。（2）支护对粗颗粒土来说，特别是松散土，自然坍塌是大问题，因此应充分考虑掘进速度、喷护时间。一次掘进长度太长，如果未能及时喷护，会出现坍塌，导致人身安全；一次掘进长度很短，虽然可以及时喷护，但可能会延误工期。因此控制好掘进速度与喷护时间的关系是非常重要的。对细粒土来说，如为软土存在流土问题，如为人工填土也存在自然坍塌问题。（3）地面沉降问题由于地下开挖取土，使地基土原有应力释放，同时地下水的抽取，也使地基土自重应力增加，这样都可以导致已开挖的洞顶至地面之间的土体产生压缩，造成地面沉降。如果地面上存在原有建筑或地下存在原有管线等设施，那么会使建筑开裂，或者管线开裂后产生漏水、漏气等危害。（4）冒顶问题冒顶是指已建或正建洞室的洞顶产生坍塌后，其上的土体也随之逐渐的塌落，随着坍塌量的增大，坍塌部位垂直向上发展，导致其上地面完全塌落。这在采矿区、地铁施工区都出现过，其危害甚大。5基坑安全要保证基坑的稳定与安全，施工开挖前及开挖过程中需要做好施工降水工作、边坡支护工作，这是地下工程建设的重要工作，也是常常出现重大事故的环节。5.1施工降水方法对于通道工程或管廊工程由于线路很长，常常基坑埋深不在同一深度，即便在同一深度，也可能存在不同的含水层，因此其降水类型可能有多种，如小井点、大井点等。通常情况下主要采用大口井降水，但在开挖基坑时常常存在许多问题。其一是降水深度不够问题。降水方案本身设计未考虑枕梁深度、未考虑地下构筑物局部加深等问题，对此种情况，应采取局部深井井点降水；其二是降水降不干净问题。主要是含水层岩性为粉土，由于降水井间距较大、降水时间不够，不能完全排除地下水，对此种情况应增加小井点排水。对于大面积地下商业、地下车库工程，如果在基坑周围降水，其影响范围是有限的，往往对车库中心区地下水不能排除掉。对此类工程项目，应在基槽内部也设置降水井，同时在降水方案设计时应考虑基坑内局部加深情况，如在基坑内设置的积水坑部位、电梯井部位，否则加深部位因为存在地下水而无法成槽，开挖时会导致侧壁流沙、流土，使地基持力层遭受严重扰动。即使要降低、排除地下水，但在坑内设置井点成孔过程或明排降水过程，一般也常常会产生流沙现象，扰动地基持力层土质。5.2边坡支护方法由于需要支护的平面范围或线路很长，应根据基坑深度、地基土质、地下水情况、环境条件等来确定支护类型，通常采用的方法有锚喷、锚杆、护坡桩、防水帷幕、地下连续墙及其这些方式的各种组合等。如果基坑不太深，可以使用锚喷防护；如果基坑较深，通常要采用锚杆或护坡桩加锚杆等来防护；如果基坑很深，地下水丰富，降水排水困难，边坡上有超载作用时，则要采用地下连续墙及地下连续墙加锚杆等方式来防护。6基坑开挖施工时间的确定一般在春季或秋季进行土方施工是最佳时间。在冬季施工时，基坑开挖后若为细粒土，因其饱水会冻胀，当做混凝土垫层并加覆盖保温后则融化，使地基软化；在夏季施工时，常常会有降雨，容易导致泡槽，而使地基承载力降低，同时由于浅部地下水的升高、水量的增大，常常会引起边坡失稳。鉴于上述分析，开工时间应尽量选择在春季解冻以后及冬季冰冻出现以前，并应考虑尽量减少晾槽时间，避免地基土质因水分蒸发开裂、松动。7与周围建（构）物的相互影响由于地下空间建设的平面范围很大、线路很长，施工建设不可避免地碰到已有的建（构）物，包括地面以上的、地面以下的，要充分处理好与其的相互影响。7.1 对已有建（构）物的不利影响可能涉及的地面建筑包括原有的房屋、原有的道路等。开挖基坑或掏挖通道，这种卸荷会引起地基应力重分布、地下水渗流状况改变，直观的现象如边坡坍塌，从而可能引起房屋、道路等的开裂，甚至倾倒。可能涉及的地下设施包括地铁、地下管线（地下电缆、上下水、热力、天然气等）。基坑明挖或掏挖时，一方面因为不清楚地下设施的位置、埋深、走向等，机械设备可能直接作用在这些设施上，导致已有设施的损坏及人身的安全；另一方面降水量过大会导致地基固结下沉，从而地基产生不均匀沉降，引起地铁、地下管道等结构开裂，影响这些设施的正常使用，甚至失稳；第三，尽管边坡支护了，但边坡仍然会产生位移的，如果位移较大时则可能拉裂现有的管道结构或使建筑物开裂。7.2 已有建(构)物对本工程建设的影响对原有的临近建筑，主要是在支护设计时要考虑建筑荷载的作用。对原有的地下管线，主要是防止其开裂，冒水泡槽、引起边坡坍塌等。对已有地铁工程，由于地铁工程结构埋藏一般很深，拟建的地下工程可能建设在已有的地铁之上，地下建筑的基础需要采用柱基础跨越现状地铁，此时单柱荷载可能很大，随之引起地基变形较大，与相邻的基础之间存在沉降差异问题。另外，原有建（构）物的施工肥槽范围可能较大、很深，这可能导致新建基础一部分落在原有建筑施工肥槽内，另一部分落在天然土层上。显然要注意回填土的承载力问题。通常情况下，肥槽回填材料都是随意的、随机的，极不均匀，同时夯填或碾压的密实度也不能达到规范、设计要求，这种情况下需要对肥槽内回填土进行地基加固处理。处理方法一般可以挖除原有回填土，选择适宜的回填材料，并重新分层回填压实，或者做其它复合地基加固处理，如CFG桩、水泥土桩、灰土桩等。8对周围环境的影响8.1施工噪音工程施工必然产生噪音，如大型开挖机械、施工降水井的洗井等，应控制好工序施工的时间，避开周围居民的休息时间。8.2 环境污染与治理基坑开挖取土、运土过程会产生浮土，遇风则扬尘，需要对地面进行硬化，减少产生浮土的范围，或洒水、覆盖；对短时不用的堆土，可以覆盖，对长时间的堆土可以植草。8.3 降水回灌为了防止地面沉降，抽出的地下水有时需要回灌，在回灌过程中应防止污染物的进入，以保证原有地下水的水质。同时在施工肥槽回填前应清除基槽内的杂物，回填材料应环保，这样当地下水恢复时可避免污染。9实际工程中遇到的某些典型问题与处理方法9.1 某地下通道建设出现的塌坡该地下通道为一环形通道，总长度为8.75公里，南北方向比东西方向宽近一倍。通道基坑坍塌段宽度为22m，埋深为15m，基坑附近无建筑物，地面上也无其它超载。支护形式为3层锚杆钢丝网喷护。施工降水采用大口井排水。坍塌长度为20m左右，坍塌深度在地面以下78m处，塌方量约80m3，因在早晨上班前出现事故，当时基坑下面无人员施工。从坍塌断面来看，坍塌的部位分布一层粉土，厚度为1m1.5m，其上、下均为粉质粘土，当时在粉土层尚有少量水涌出。坍塌的时间为2月份。分析原因有以下几个因素：其一，降水过程未能使地下水排除干净，主要是降水井设置为大口井，间距（5m）较大，粉土中的地下水未能完全排除干净；其二，发生事故的前两天的气候转暖，地表冰面解冻融化，导致地下水水压力有所增加；其三，安全系数偏低。由于地下水水压力考虑不足，导致边坡主动土压力远大于被动土压力。9.2某地下车库建设局部出现的流沙某地下车库占地面积约1万平米，基坑埋深9m，地下水位为2m，7m以上为粉质粘土，其下为细砂，基坑采用井点降水，开槽后槽底大都干燥，但在开挖电梯井时出现了流沙问题。分析其原因主要是降水方案设计不完善，设计时根本没有考虑电梯井坑部位的深部降水问题，因此在局部加深部位开挖时存在地下水，施工下挖困难，于是现场在加深部位的边缘人工挖井埋设渗水管。在埋管成孔过程中，采用明排降水，边排边挖。但水量很大，挖除部位，立刻被砂填满，无法成孔，最后采用机械泥浆成孔才做好降水井。9.3某已建地铁的施工肥槽某地下商业建筑，平面呈方形，占地面积约为8万平方米，基础底面埋深为10m，在地下商业基坑的西部约1/3处地下建有现状地铁，地铁结构宽度8m，基础底板埋深为20m，地铁顶板埋深12m。地铁施工时，地面下10m内为放坡开挖，坡度35度，其下做钻孔灌注桩锚喷。在地下商业开挖至设计基底后发现原有肥槽宽度约6m左右，深2m左右。为了跨越现状地铁，设计在地铁两侧设置单独柱基，其情况是基础一部分落在第四