地下工程施工环境影响与保护

地下工程施工环境影响与保护主讲教师：穆保岗第10章10地下工程施工环境影响与保护10.1基坑开挖工程的环境土工问题10.1.1软土深、大基坑工程及其环境土工问题1）地表沉降与土层位移多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注式排桩为坑壁围护结构，引起的地表沉降与土层位移，由以下6个部分组成：（1）墙体弹性变位；（2）基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；（3）墙外土层固结沉降；（4）井点或深井降水带走土砂；（5）墙段接头处土砂漏失；（6）槽壁开挖，地层向槽内变形。（1）~（3）主要造成了墙后土层位移和地表沉降；（4）~（6）则应从施工技术、经验与管理上加以控制，使之减低到最小的允许限度。2）基坑变形控制的环保等级标准基坑变形控制环保等级标准表10-1保护等级地面最大沉降量及围护结构水平位移控制要求环境保护要求特级1.地面最大沉降量0.1%H2.围护墙最大水平位移0.14%H3.Ks≥2.2基坑周围10m范围内设有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑及设施、必须确保安全一级1.地面最大沉降量0.2%H2.围护墙最大水平位移0.3%H3.Ks≥2.0离基坑周围H范围内设有重要的干线水管、对沉降敏感的大型构筑物、建筑物二级1.地面最大沉降量0.5%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks≥1.5离基坑周围H范围内设有较重要支线管道和建筑物、地下设施三级1.地面最大沉降量1%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks≥1.2离基填坑周围30m范围内设有需保护的建筑设施和构筑物，地下管线3）基坑施工的时空效应问题（1）基坑施工稳定和变形基坑施工稳定和变形，与以下各方面密切相关：①基底土方每步开挖的空间尺寸（平面大小和每步挖深）。②开挖顺序。③无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间tr。④围护结构水平位移。βKH是因土体流变而折减的被动土压力系数；⑤基底抗隆起的稳定性。Ks（2）基坑施工的时空效应①开挖一支撑原则：分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时；②对分段、分部捣筑的现浇钢筋混凝土框架支撑，注意局部平衡；③理论导向，量测定量，经验判断；④摈弃以大量人工加固基坑来控制其变形的传统作法。（3）围护结构内、外主动与被动土压力的取值①βKH值的确定βKH是可按基坑开挖实测得的变形值，经反演分析；基坑保护等级土性侧压力系数K基坑保护等级土性侧压力系数K特级软粘土硬粘土0.75~0.550.55.~0.40二级软粘土硬粘土0.60~0.450.40~0.30一级软粘土硬粘土0.70~0.500.45~0.35三级软粘土硬粘土0.60~0.400.40~0.20主动侧压力系数取值表②施工参数的选择4）地铁车站深大基坑的施工技术要求（1）先撑后挖，留土堤；(2)对支撑施加设计轴力(30%~70%)的预应力；(3)每步开挖及支撑的时限tr≤24h；(4)坑内井点降水以固结土体、改善土性，减少土的流变发展。基坑分段、分层、分步开挖一支撑施工示意5）变形监控变形监控工作的内容主要包括：(1)施工工况实施情况跟踪观察；（2）日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报；（3）定量反馈分析，信息化设计施工；(4)及时修改、调整施工工艺参数；(5)及时提出、检验、改进设计施工技术措施。软土基坑工程控制变形的设计程序框图10.1.2深基坑周围地表沉降分析1)支护结构变位引起地表沉隆估算方法①地表沉降曲线为正态分布：②地表沉降范围为：③墙体水平位移ymax为墙后地表沉降δmax的1.4倍④沉降曲线包络面积Fs与支护结构变位曲线包括面积Fw之比为：2)/(exprmexghx5.10maxmax4.1y85.0/wsFF基坑开挖引起支护结构侧移和地表沉降cbzazy22exp(/)maxxxr地表沉降曲线包括面积Fs002maxmax()exp[()]:212mmmmxxxxsxxommsFxdxxrdxxxxFrrr可推得xduux)]2(exp[2120.199379.0)5.2(22,rxxxxrmomo则rxrFms2max支护结构变位曲线包络面积Fw计算最小二乘原理可理可得下列方程组：nininiiiyicnzbza1112ninininiiiiiiyzzczbza111123ninininiiiiiiyzzczbza11112234若知道支护结构顶点坐标（0，c）和极值点（zm,ym），可由式（10-7）算得：2mmzycammzycb)(2howchbhahdzzfF232131)(max(2)0.85mwxrFr2）减少沉降的措施使δ≤[δ]。具体措施为：（1）采取刚度较大的地下连续结构；（2）分层分段开挖，并设置支撑；（3）基底土加固；（4）坑外注浆加固；（5）增加维护结构入土深度和墙外围幕；（6）尽量缩短基坑施工时间；（7）降水时，应合理选用井点类型，优选滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置隔水帷幕；（8）在保护区内设回灌系统；（9）尽量减少降水次数。10.1.3深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析地下管线位移计算可按竖向和水平两个方向的位移分别计算。①地表沉陷范围设沉陷区长度取基坑边长的2倍，宽度ω取为：)245tan(H②纵向沉陷曲面:纵向沉陷曲面取为抛物面，顶点位于00’线（中轴线）上，AA’、BB’上总的沉陷值为零。（2）地下管线竖向位移计算图10-6地下管线位移曲线(a)铰支座情况;(b)固定支座情况沉陷曲线地面超载传至地下管线顶部的竖向荷载为q1：22xlyykqv1)(221xlkqv2,0;,0,0,;0;xlyxlyxyalbc得I区（沉陷区）的竖向位移方程y(x)：II区（非沉陷区）y’(x)：竖向修fEIQxEIMxxyxy)(1)()(1)()(4303202010雷洛夫函数vxKqxNxMexCexy0)sincos()cos()(竖向位移方程中常系数的确定应根据边界条件，确定地下管线竖向位移方程中的常系数，边界条件不同，求得的常系数亦不同，从而得到不同的位移方程。（3）地下管线水平位移微分方程的求解地下管线水平位移方程水平修FXEIQXEIMxxyxy43032021011XhzxczakEIf0423][][1水平修（4）地下管线合理计算模型分析进行地下管线竖向位移分析时，按固定支座的弹性地基梁分析是能满足实际要求的，是较合理计算模型。本讲要点地表沉降曲线的分析方法；地下管线的位移分析方法；10.2地下水对环境的影响10.2.11）地下水位上升的情况（1）浅基础地基承载力降低;（2）砂土地震液化加剧；（3）建筑物震陷加剧（4）土壤沼泽化、盐渍化；（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；（6）地下水位的冻胀作用的影响；（7）对建筑物的影响；（8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响；（9）膨胀性岩土产生胀缩变形10.2.2地下水位下降的情况地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭，水质恶化等一系列不良地质问题，并将对建筑物产生不良的影响。1）地表塌陷2）地面沉降3）海（咸）水入侵4）地裂缝的复活与产生5）地下水源枯竭，水质恶化6）对建筑物的影响10.2.3地下水位与地面沉降在天然条件和人为因素的影响之下，区域性地面标高的降低，称为地面沉降。主要影响因素，可以分为天然影响因素及人为影响因素，其中，地下水位波动对地面沉降具有重要的影响。天然影响因素主要有两类：①海平面相对上升及土层的天然固结，导致地表沉降；②地震的冲击作用，引起地面沉降。人为影响因至少主要有三类：①抽汲地下液体及表层排水导致地面沉降的有关因素；②开采地下深处的固体矿藏，也可能引起地面沉降。③岩溶地区，塌陷是导致地面沉降的主要影响因素。因过度开采地下水，中国华北地区出现世界罕见的漏斗区，面积已经达到4万平方公里，目前仍在扩大之中。华北平原形成了30多个小漏斗区。河北省、天津市、山东德州市的漏斗区连成一片，面积为中国之最。在沿海地区，漏斗区域极易引起海水内侵，咸水扩散。秦皇岛市区已经遇到这一问题。沧州，超采地下水最深已达９５米，比水平面低七八十米。上海1999年，中心城区平均沉降量为10.74毫米。引起上海地面沉降的原因主要是开采地下水、市政工程及高层建（构）筑物的建设。上海中心城区的地面沉降在1921年－1965年为快速沉降时期，年均沉降37.6毫米，之后的十几年呈现缓慢沉降态势。西安市一九九五年以前，迫于西安市生活用水的紧张，许多开采承压水的自备井纷纷涌现.城市规划区出现七个较大的下降漏斗，沉降幅度最高超过五百毫米。著名的大雁塔因此而倾斜，建于明代的西安钟楼则下沉了三百九十五毫米。封井限采后，地面沉降已大大缓解。阜新新邱区沉陷区地表沉降深度平均为１.４３米，水平移动距离为０.４７４米。沉陷区的道路很有特点，坑坑相扣，坡坡相连，道路两侧的房屋、院墙和地面，随处都能看到裂缝，最粗的裂缝手指都能伸进去。地下有“喀吧喀吧”的响声，似闷雷。地面沉降研究现状（1）地面沉降机理分析经过若干学者的研究表明:抽水引起地层压密而产生地面沉降,是有效应力增加的结果。wuP（2）地面沉降理论与模型的发展土层产生压缩，一般认为，固结是主固结和次固结两部分组成。①经典弹性地面沉降理论②准弹性地面沉降理论取消了关于含水层组的渗透系数K、比贮水系数Ss、压缩系数Mv视为常数的假设，仍采用Terzaghi的一维竖向固结理论的假设。③地面沉降的流变学理论次固结作用对地面沉降的影响、粘弹性地面沉降理论，弹塑性地面沉降理论。hMbbsybbvsw0或本讲要点理解地下水位的上升与下降对岩土工程的影响；了解地面沉降研究现状（3）抽水压密引起地面沉降的研究方法①黑盒模型完全以经验为基础的方法，所观察到的地面沉降与总抽水量的有关。②非耦合模型③半耦合模型④完全耦合模型抽水压密导致地面沉降的计算模型仅作了解。（1）Gambolati-Freeze模型；（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4人工回灌与地面回弹对地下含水层（组）进行人工回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面回弹现象，减缓地面沉降已初步得控制。地面回弹模型的建立与求解是一个非常复杂的系统课题。10.2.5控制地面沉降的措施1）统一制定经济发展规划；(绿色GDP)2）制定各种政策，合理控制开采地下水；(经济杠杆)3）人工补给地下水（技术手段）4）治理措施（滨海、滨江地段）5）岩溶塌陷导致地面沉降的防治措施（以防为主，并结合填充）10.3盾构掘进对环境影响的理论与预测10.3.1盾构掘进中的环境问题10.3.2盾构掘进的扰动机理1）水和泥浆的扰动地下水含量和紊流运动状态的改变，泥水盾构大量泥浆外排回灌。2）对不良土层的影响流砂，引起局部土体坍塌。3）周围土体应力状态的变化原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。盾构推进前方土体分区图其中①区土体应力状态未发生变化，土体的水平、垂直应力分别为σh，σv。由于推