地下工程施工降水引发的环境问题与对策

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摘要：地下工程施工的土方开挖和降水势必要引起周围土体的应力场改变和地下水位变化，从而导致周围土体的变形，对周围环境产生不同程度的影响，地下工程施工的环境效应包括降低地下水位、土方开挖、支护结构施工、地下主体工程施工等对周围环境的影响，并表现在多方面，降低地下水引起的围护结构变形和基坑内外土体产生的不均匀沉降及水平位移，可能导致建筑物及市政管线的变形，影响其正常使用甚至破坏，另外，大量被抽取的地下水往往直接排至市政管网，是对城市水资源的巨大浪费，尤其是在地下水资源日益枯竭的现在，本文旨在对此问题分析的基础上研究和讨论相关对策。

关键词：地下空间 施工降水 沉降变形 水资源 对策

中图分类号：TU9文献标识码： A 文章编号：

近几年来，随着我国城市化进程的加快，城市建筑规模越来越大，地下空间资源的利用程度也越来越高，唐山，这个中等城市在城市化进程中也迈开了较大的步伐。。

我们知道，土地是城市空间存在和扩展的载体，当地上空间发展到一定程度时，人们把注意力转向地下空间，而且逐渐认识到了城市地下空间开发在扩大城市空间容量上的优势和潜力，随着唐山建设用土地资源的越来越紧张，而城市化进程又快速发展，地上建筑物越来越高，越来越密的同时，人们将停车及其他空间的需求着眼于地下，地下空间已经发展到地下三层，通过河北省唐秦水文水资源勘测局的金玉玺（教授级高工）专家的介绍了解到，现在唐山的浅层地下水水位上表面在7-10米左右，而三层地下空间的施工，土方开挖深度一般需要13-16米，所以在地下工程施工前，需要将施工场地区域内的地下水降至土方开挖深度以下，这样，就需要抽取大量地下水，这种做法引发的环境问题也日益凸现。

引发的环境问题主要有：

（1）降水方式不当引发周围建筑物、构筑物的不均匀沉降产生裂缝和地下管线的破坏、基坑支护体系失稳和基坑支护体系失效等。

（2）降水施工存在着巨大的水资源浪费，大量被抽取的地下水往往直接排至下水管网，不仅可能造成局部下水通道的堵塞，更是城市水资源的巨大浪费。

1 地下工程施工降水引发的建筑及地面沉降原理

1.1土的构成与变形机理

天然土体一般由矿物颗粒构成骨架体，再由孔隙水和气填充骨架而组成的三相体系。

土颗粒压缩性很小，一般都认为其不可压缩。因此，土体的变形是孔隙流体的流失及气体体积减小、颗粒重新排列、粒间距离缩短、骨架体发生错动的结果。

对于饱和的两相土，孔隙水压缩量很小，孔隙水体积的变化主要因为孔隙水的渗出。对于非饱和的三相土，除孔隙水渗出外，土体固结变形还与饱和度变化有很大关系。孔隙水的渗出、压缩及溶解度的改变等，都会引起饱和度变化。与孔隙水不同，孔隙气的压缩性不容忽视。

由于孔隙体积变化和颗粒重新排列需要有一个时间过程，土体固结变形与时间有关，土体所受荷载（总应力）在作用瞬时，主要由孔隙流体承担。随后，由于孔隙流体体积逐渐渗出，孔隙压力逐渐消散，有效应力（骨架应力）作用下，骨架体产生的变形为瞬时变形和蠕动变形，其中后者由于颗粒重新排列和骨架体错动的时间效应而与时间有关。将有效应力卸去后，若变形可恢复，则称为弹性变形；若变形不可恢复，则称为塑性变形。因此，骨架体变形可细分为瞬时弹性变形、瞬时塑性变形、蠕动弹性变形和蠕动塑性变形。

淹没于水中的土粒由于静水压力的作用而受有浮力，使土粒的重量减轻，同样对于有流体的土体，只要孔隙彼此连通并全部被水充满，则由于各点孔隙水压力的存在，全部土体也将受有浮力，且等于各土粒所受浮力的累积总和，此时为土体的浮重度。

1.2降水后地基土的内力变化及沉降计算

深基坑施工降水期间，由于地下水下降，地层孔隙中静水压力减小，原水位以下土层有效应力增加，相当于给地基土增加了一个附加应力，导致土层压缩变形。抽排水过程中在基坑外侧形成漏斗曲线，在降水曲线范围内，饱水地层水位下降形成的渗水附加有效应力所引起土体的压缩，即为渗透固结沉降。

按照土的附加压力计算法，粘性土及粉土的沉降计算公式为：

……………………………………………………（1）

式中为水位变化施加于土层的附加应力（MPa），H为土的压缩层厚度（cm），a为土的压缩系数（MPa-1），ε为粘性土或粉土的原始孔隙比。

砂土沉降量计算公式为：

…………………………………………………………（2）

式中E为砂土的弹性模量（MPa）。

建筑物在水位降低深度内砂土和粘性土的沉降用式（1）和（2）计算，总沉降量等于各土层沉降的总和。

1.3地下工程施工不同降水方案对沉降的影响分析

（1）止水帷幕对降水引起地面沉降的影响

唐山某一项目东侧及北侧均毗邻原有建筑物，南侧毗邻新华道，西侧为空地，为控制降水引起的沉降对周围建筑物的影响，除西侧外其他三面均设置了止水帷幕，从图1、图2可以看出，基坑在设置止水帷幕时水力坡降略小于无止水帷幕时的水力坡降，产生的地面沉降相对较小，这是由于止水帷幕的存在减小了降水量，同时能达到基坑内降水要求，体现了止水帷幕的挡水效果，当设置了止水帷幕，对基坑边坡的安全及基坑坑底隆起都是有益的。

图1：基坑降水水力坡降示意图 图2：基坑降水水力坡降实测数据对比图

（2）降水井深度对地表沉降的影响

①对唐山地区，地层渗透系数一般不是很大，所以可根据工程地质条件，降水井尽量采用深井、浅井间隔布置，在满足基坑地下水降深前提下，节约地下水开采量，减小由于地下工程施工降水引起的地面沉降量。

②由于工程集水坑深度较大，一般集水坑深度1.5-3.5m，该项目集水坑最大深度达到3.5米，而较深集水坑数量一般不多，本工程基底面积45325m2，基坑面积相对较大，若计算时按集水坑最大深度进行设计计算，势必引起总体设计降水井加深，井距加密，整体降水水位加深，地下水开采量加大，且工程完工后，地下水位不易恢复。实际工程中，采用二次降水方案，首先在不考虑集水坑深度情况下进行降水设计，等水位降至坑底并完成土方开挖后，再分别对较深集水坑单独布井降水，也可以有效节约地下水开采量，控制地表沉降，且节约工程造价。

以该项目基坑为例，基坑深15.5-16.2m，按此深度计算，降水井深33.0m；基坑内集水坑深度达到19.7m，若以最深集水坑计算，降水井深度达到39m，经过计算，地表最大沉降量2.6cm。基坑涌水量 = 3673(m3/d)。

按基坑深度19.5m计算，地表最大沉降量4.9cm。基坑涌水量 = 4492(m3/d)。

该项目降水井按照25-33m设置，通过实际的沉降观测，实际沉降量与理论计算结果基本一致。

（3）唐山市区土层以粉质粘土、粉土及细砂等土层为主，土粒较细，一般采用管井降水。井点降水经常有大量细砂排出，随着降水进行，很容易造成管井附近地表局部下沉，为此，在降水井施工中，应对滤水管采用密实滤布、树棕进行包裹，防止大量泥沙随地下水排出形成局部地表下沉。

（4）地表沉降量与地下水位陡降量是对应的，地下水位降落的曲线分布必然会引起临近地表和周围建筑物的不均匀沉降，为此可以从以下几个方面制定减少沉降、不均匀沉降的措施：